TA2022在過鉆具陣列感應測井儀中的應用

作者簡介：吳志剛（1982—），男，工程師，碩士，從事硬件研發(fā)相關工作。

朱瑞明（1980—），男，工程師，碩士，從事機械設計相關工作。

梁小兵（1978—），男，高級工程師，碩士，從事硬件研發(fā)相關工作。

0   引言

隨著鉆井技術的迅速發(fā)展，水平井和大斜度井的測井需求越來越多，為了滿足這些需求，就產(chǎn)生了一種新的測井方式，過鉆具存儲式測井技術。根據(jù)過鉆具測井的特點，便要求過鉆具存儲式陣列感應測井儀具有較高的集成度，較低的功耗以及較大的輸出功率。目前，常規(guī)的陣列感應測井儀器多采用達林頓管推挽的方式將發(fā)射信號送入地層，這種方式功耗大，電路復雜。本文提出了一種利用T- 類功放TA2022 的信號發(fā)射方法，本方法結構簡單，功耗低，能夠以較低的復雜度獲得較高的性能。

1   過鉆具陣列感應儀器原理介紹

過鉆具存儲式測井儀是利用鉆桿下鉆的方式將懸掛在鉆桿水眼內(nèi)的測井儀器送到井底，下到測量段時利用泥漿壓力將儀器泵出水眼后開始起鉆測井，這就要求過鉆具存儲式測井儀器只能用電池供電，而且儀器的外徑必須小，一般要小于60 mm，屬于小直徑測井儀器。過鉆具式陣列感應測井儀器是過鉆具式測井儀器中的一支非常重要的儀器，它是在常規(guī)陣列感應測井儀器的基礎上設計出來的，測井原理與常規(guī)陣列感應測井儀器一樣，通過發(fā)送多個不同頻率的信號，在發(fā)射線圈周圍的介質中產(chǎn)生感應電動勢，進而產(chǎn)生與介質電導率成正比的渦流。感應渦流會激發(fā)二次場，在接收線圈中產(chǎn)生二次感應電動勢。由一系列不同線圈距的接收線圈系對同一地層進行測量，然后通過硬件或軟件聚焦處理獲得不同徑向探測深度的地層電導率，從而有效的識別油氣層^[1-2]。

過鉆具式陣列感應測井儀器電子線路框圖如圖1 所示：由1 個發(fā)射線圈和6 個接收線圈組成儀器的探頭部分，發(fā)射板將來自主控板的發(fā)射信號推挽放大后由發(fā)射線圈將信號送入地層，發(fā)射信號是由16 kHz，24 kHz，40 kHz 和48 kHz 四個正弦信號疊加組合而成的4 頻復合信號。6 個接收線圈將收到的不同源距的接收信號送入采集板進行放大和濾波，主控板負責對信號進行模數(shù)轉換以及信號處理，并將處理后的信號存儲起來，最后由地面系統(tǒng)讀取存儲數(shù)據(jù)^[3-4]。

可見，發(fā)射信號的質量和功耗直接決定了整支儀器的工作性能。

2   功率放大器的工作原理

隨著微電子技術及半導體工藝的快速發(fā)展，功率放大器也伴隨著制造工藝和技術的快速發(fā)展而不斷得到創(chuàng)新。功率放大器主要可以分為模擬功率放大器和數(shù)字功率放大器。

2.1 模擬功率放大器實現(xiàn)電路

模擬功率放大器又可以分為A 類，B 類，AB 類功率放大器。模擬功放屬于線性功率放大器，可以是單管單端結構，也可以是雙管推挽結構，功放管工作在線性放大區(qū)，通過調(diào)整外圍器件，便可有效地控制偏置電壓和動態(tài)工作范圍，從而使非線性失真達到最小。模擬功率放大器雖然工作性能可靠，但同時也有利用率低，發(fā)熱大，體積大，成本高等缺點[5]。目前常規(guī)陣列感應儀器多采用達林頓管推挽的模擬功放方式實現(xiàn)功率放大，如圖2 所示。

發(fā)射信號經(jīng)過單端轉差分的放大器，送入達林頓管電路實現(xiàn)功率放大。這種方式電路復雜，功耗大，發(fā)熱也很大，還需要很大的散熱片以保證電路的安全。

2.2 數(shù)字功率放大器實現(xiàn)電路

伴隨著各種高性能的場效應管的出現(xiàn)，數(shù)字功率放大器即D 類功率放大器得以迅速發(fā)展，有別于模擬功放的工作方式，D 類功放的工作原理是將輸入信號變換成PWM 信號，然后利用該信號來控制晶體管的導通與關斷以得到放大后的信號，D 類功放的輸出級始終在完全導通或關斷狀態(tài)下工作，當工作在導通狀態(tài)時，雖然有電流流過晶體管，但因為晶體管兩端幾乎沒有電壓差，所以就幾乎沒有功率消耗；當工作在截至狀態(tài)時，雖然晶體管兩端有電壓差，但由于管子的內(nèi)阻很大導致流過的電流很小，所以也幾乎沒有功率損耗，這種特性使得其工作效率遠高于其他類的功率放大器^[6]。

TA2022 是一款由Tripath 公司開發(fā)的T 類功率放大芯片，T 類功率放大器的功率輸出電路和采用脈沖寬度調(diào)制的D 類功率放大器基本一樣，晶體管也是工作在導通或者截至狀態(tài)，因此工作效率也和D 類功率放大器相當。但它和D 類功率放大器不一樣的地方是，它并沒有采用脈沖寬度調(diào)制的方法。Tripath 公司發(fā)明了一種名為DPP（Digital Power Processing）的數(shù)字功率處理技術，這種技術的工作原理是利用了一個Σ-Δ 調(diào)制方式的模數(shù)轉換器，該模數(shù)轉換器是以12.5 MHz 的采樣頻率對輸入信號進行采樣，通過這種過采樣方式能夠快速有效地把輸入信號的處理成一個1 位的數(shù)字信號，通過該模數(shù)轉換器輸出的1 位數(shù)字信號直接去控制功率晶體管的導通和截至。這種方式使得T 類功放具有更寬的動態(tài)范圍，更小的群延遲以及更平坦的頻率響應^[7]。而且數(shù)字功率處理技術的介入也減小了熱噪聲的影響，使得信號的信噪比，總諧波失真等指標也得以提高。鑒于TA2022 的眾多優(yōu)點，以及作為過鉆具式測井儀器，其測井方式?jīng)Q定了過鉆具式陣列感應儀器的電源只能用電池供電，而且儀器尺寸小，因此本文采用了T 類功率放大器TA2022 來實現(xiàn)功率放大，如圖3 所示。

發(fā)射板電路只需要一個單端轉差分的放大器和一個TA2022 就可以實現(xiàn)，這種方式結構簡單，功耗低，散熱少，方便調(diào)試并且性能可靠。

2.3 應用實例

本方案采用±15 V 為TA2022 供電，每一路電壓的電流消耗基本在200 mA 左右，發(fā)射板的輸入信號峰峰值約為2 V，如圖4 所示。

圖4 發(fā)射板的輸入信號波形

通過示波器采集到的TA2022 輸出信號的波形如圖5 所示。

圖5 發(fā)射板的輸出信號波形

單通道輸出峰峰值可以達到24 V，放大增益將近22 dB，而且比較輸入輸出波形，幾乎沒有非線性失真。經(jīng)過測試，發(fā)射板的輸出信號質量可以滿足過鉆具式陣列感應儀器的設計要求。

3   結語

本文根據(jù)過鉆具陣列感應測井儀器的工程需求，采用模塊化的設計方法，設計開發(fā)了基于T 類功放TA2022 的發(fā)射電路。經(jīng)過測試，該電路可以很好地達到設計要求，具有集成度高，可靠性強，功耗低等特點，并且對其他功放模塊的電路設計提供了一個切實可行的解決方案。

參考文獻：

[1] 馮啟寧,鞠曉東,柯式鎮(zhèn),等.測井儀器原理[M].北京:石油工業(yè)出版社,2010.

[2] 劉春雅,程旭.陣列感應測井技術發(fā)展狀況綜述[J].甘肅科技,2009,25(3):32-34.

[3] 游暢,孫偉,梁大黎,等.過鉆具存儲式感應測井儀的設計與研究[J].石油管材與儀器,2015(1):12-15.

[4] 黃爭志,余厚全,魏勇,等.完全基于FPGA的過鉆具陣列聲波測井主控電路設計[J].長江大學學報(自然科學版),2020,17(1):32-38.

[5] 李揮,羅勇,鄒傳云.數(shù)字音頻功率放大器遠離及實現(xiàn)[J].器件與電路,2003(4):32-35.

[6] 肖寧.基于DSP的D類功放控制系統(tǒng)的研究[D].合肥:中國科學技術大學,2011.

[7] 劉舉平.基于TA2022的T類數(shù)字功率放大器的設計[J].音響技術,2009(7):61-63.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年2月期）