CN101411056A - 放大器和放大输入信号的方法 - Google Patents

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CN101411056A CNA2007800106127A CN200780010612A CN101411056A CN 101411056 A CN101411056 A CN 101411056A CN A2007800106127 A CNA2007800106127 A CN A2007800106127A CN 200780010612 A CN200780010612 A CN 200780010612A CN 101411056 A CN101411056 A CN 101411056A
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Abstract

一种包含用于传送具有输入信号值的输入信号的输入信号节点和用于传送具有输出信号值的输出信号的输出信号节点的放大器。放大器电路与输入信号节点耦合，并配有每一个传送具有中间输出信号值的中间输出信号的多个中间输出信号节点。每个中间输出信号节点中的中间输出信号值依照预定信号增益与输入信号值相关。信号选择器选择中间输出信号之一并将所选一个中间输出信号馈送到输出信号节点。放大器可包含在模数转换器中。放大器可被并入井下工具中。放大方法可用在生产烃类矿物流体的方法中。

Description

放大器和放大输入信号的方法
技术领域
在一个方面中，本发明涉及一种放大器。放大器可以是模数转换器的一部分。在另一个方面中，本发明涉及一种放大输入信号的方法。放大输入信号的方法可以是将模拟输入信号转换成数字输出信号的方法的一部分。
背景技术
在一些技术领域中，需要读取和/或数字化值在许多个数量级上变化的时变信号。在一些情况下，可以快速发生信号值变化。
这种技术领域的例子牵涉到测量地层激发之后的瞬时电磁响应。在编号2005/0092487、2005/0093546、和2006/0038571下公布的每个美国专利申请都描述了在钻井应用中，在地下地层中定位异常，尤其在钻孔周围，或在钻孔前头的地层中找出到电阻或导电异常的方向和距离的这种瞬时电磁(EM)方法。
在这些方法中，通常，将包含发送器天线、接收器天线、和结构支持的工具往下放到地层中的钻孔中。测量包含经过发送器天线的电流的突然变化所引起的接收器天线中的感应电压的瞬时响应信号。引用的美国专利申请指出，响应信号在数微秒时间内可以从数微伏衰减到数纳伏。这就引发了对高速大动态范围检测和数据获取电路的需求。
已知有几种方法和装置可用于改进模数转换器的动态范围。
在诸如伏特-欧姆表的一些商用手持万用表中，配备了在信号放大器的增益设置之间切换的增益切换电路。
Roos等人在编号2005/0083120下公布的美国专利申请中公开了具有用于扩大X射线成像像素值信号的动态信号范围的多个信号增益的数字信号放大和处理切换电路。通过依次接入比差分放大器更大的反馈容量来获得所述多个信号增益。
这样的切换电路在增益切换的整个周期内可能引起相对长的时滞，并且，当将放大器设置在次最佳增益上时，还使时间白白浪费掉。这两者都导致在这样的周期内丢失数据。
发明内容
按照本发明的第一方面，提供了一种放大器，包含：
-输入信号节点，用于传送具有输入信号值的输入信号；
-输出信号节点，用于传送具有输出信号值的输出信号；
-放大电路，与输入信号节点耦合，并至少配有用于传送具有第一中间输出信号值的第一中间输出信号的第一中间输出信号节点和用于传送具有第二中间输出信号值的第二中间输出信号的第二中间输出信号节点，从而第一中间输出信号值依照预定第一信号增益与输入信号值相关，以及第二中间输出信号值依照预定第二信号增益与输入信号值相关，其中，预定第二信号增益至少是预定第一信号增益的十倍；
-信号选择器，安排成选择中间输出信号之一并将所选中间输出信号馈送到输出信号节点。
在本发明的下一个方面中，提供了一种模数转换器，包含如上所述的放大器、以及至少与一个输出信号节点耦合以转换所选输出信号的模数转换电路。
依照本发明的另一个方面，提供了一种放大输入信号以生成输出信号的方法，包含如下步骤：
-传送具有输入信号值的输入信号；
-通过将预定第一信号增益施加在输入信号上，至少生成具有第一中间输出信号值的第一中间输出信号；
-通过将预定第二信号增益施加在输入信号上，至少生成具有第二中间输出信号值的第二中间输出信号，其中，预定第二信号增益被选择成至少是预定第一信号增益的十倍；
-选择第一和第二中间输出信号之一作为输出信号。
输出信号和/或它代表的值可以传送到显示器和/或传送到存储介质加以存储。
依照本发明的又一个方面，提供了一种将模拟输入信号转换成数字输出信号的方法，包含如下步骤：
-依照上面定义的方法来放大具有输入信号值的模拟输入信号以生成模拟输出信号；和
-至少将模拟输出信号转换成数字输出信号。
输出信号和/或它代表的值可以传送到显示器和/或传送到存储介质加以存储。
放大电路用于连续跟踪在输入信号节点上传送的输入信号，并在中间输出信号节点上连续和同时生成连续中间输出信号。因此，存在中间输出信号经受相差至少10倍的不同信号增益的选择。因此，放大器的有效动态范围至少扩大了一个数量级。取代增益切换，可以选择中间输出信号之一，并且可以在任何时刻将它耦合到输出信号节点。
选择可以重复进行，从而重新选择相同的中间输出信号，或选择另一个中间输出信号。
选择可以基于第一和第二中间输出信号的(放大)模拟值的数值，要选择的最适当中间输出信号通常可以基于中间输出信号值是否处在预定输出信号范围内，并且可以选择它。时常，在给定时间，最适当中间信号节点可以是具有其模数(或“绝对值”)仍然在预定最大输出值以下的最高中间输出信号值的那个。
附图说明
下面通过例子和参照附图阐明本发明的这些和其它特征，在附图中：
图1示意性地示出了依照本发明一个实施例的放大器；
图2示意性地示出了用于表示放大单元的符号；
图3示意性地示出了依照本发明另一个实施例的放大器；
图4示意性地示出了依照本发明又一个实施例的放大器；
图5示意性地示出了可以包括在依照本发明一个实施例的放大器中的信号选择器的例子；
图6示意性地示出了可以包括在信号选择器中的选择编码器；
图6A示意性地示出了具有可选滞后反馈的像应用在图6中的比较器；
图7示意性地示出了可以应用在选择编码器中的可替代比较器；
图7A示意性地示出了设置比较器输入电压的电压源；
图7B示意性地示出了具有可选滞后反馈的图7的可替代比较器；
图8示意性地示出了按照本发明一个实施例的模数转换器；
图9示意性地示出了状态机；
图10示意性地示出了地层中的钻孔中的井下工具。
在这些图中，相同的部分携带相同的标号。
具体实施方式
图1示出了放大器的示意性表示，它包含传送具有输入信号值的输入信号Sin的输入信号节点1。输入信号一般可以是DC(直流)或AC(交流)信号。在本说明书中，假设是AC信号。因此，输入信号值将是时间相关值。输入信号可以表示有关诸如地层的物理对象或它的物理特性的信息。
输入信号节点1可以可选地配有滤波器3，滤波器3可以是有源或无源滤波器。在如上所述的实施例中，滤波器以低通滤波器的形式配备，但也可以根据要放大的输入信号的类型来选择带通滤波器。它的用途是避免混叠。依赖于感兴趣的频率范围，可以按所需选择滚降频率和梯度(dB/倍频程)。在本实施例中，推荐了在100kHz上衰减3dB的低通滤波器。
根据放大器的使用，滤波器可能不是必须的。在一些情况下，整个放大器的频率响应可以提供所需频率特性，在这种情况下，输入端上的单独滤波器也不是必须的。
输入信号节点1可以可选地配有屏蔽驱动器，以便抵消可能存在于输入信号源(诸如传感器)和放大器之间的任何传输线的任何电容和/或电感效应。在AD524的数据表中提供了诸如例如AD524的基于集成放大单元的有源屏蔽驱动器的例子。
放大电路进一步配有用于传送具有输出信号值的输出信号Sout的输出信号节点5。此外，输出信号也可以是时间相关的。
放大器进一步配有用标号7统称的放大电路。放大电路7与输入信号节点1耦合，并且配有每一个都传送每一个都具有中间输出信号值的中间输出信号(IS1到IS7)的多个中间输出信号节点91到97。
可以配备任意个(N)中间输出信号节点。在本实施例中，作出N＝7的选择。字母n下文将用于指示N个可用节点当中的第n节点，或第n节点传送的第n信号。
放大电路7进一步包含多个放大通道，从而，每个放大通道与中间输出信号节点91到97之一相关联。参考信号9n(n＝1，2，...，N)下文可以用于指中间输出信号节点或相应的放大通道。
因此，每个第n中间输出信号节点9n通过它的相关放大通道9n与输入信号1耦合。每个放大通道9n将预定信号增益Gn施加在输入信号Sn上。因此，中间输出信号节点91到97的每一个中的中间输出信号值依照通过相关放大通道施加的预定相继信号增益与输入信号值相关。或者，以如下方程形式：
ISn＝Sin×Gn，其中，n＝1，2，3，...，N。
放大通道包含在一级或多级中放大输入信号的一个或多个放大单元(例示在图1中，在11到17)。放大通道可以完全独立于放大电路中的其它放大通道，或者，它们可以与其它放大通道共享一个或多个放大单元和级。
将图1的实施例取作例子，放大通道91和92(分别与中间输出信号节点91和92相关联)的每一个包含一个放大单元11和12。放大通道93、95、和96共享形成用于中间输出信号节点93的放大通道93中的唯一级并形成放大通道95中的第一级和放大通道96中的第一级的放大单元13。放大通道95中的第二级由从放大单元13接收第一级放大信号的放大单元15形成。放大通道96中的第二级由从放大单元13接收第一级放大信号的放大单元16形成。放大通道94和97共享形成用于中间输出信号节点94的放大通道94中的唯一级并形成放大通道97中的第一级的放大单元14。放大通道97中的第二级由从放大单元14接收第一级放大信号的放大单元17形成。
图2示出了非反相Op-amp(运算放大器)布置，它是在本说明书中自始至终用于表示任何类型的放大单元，包括，例如，基于晶体管的电路，或例如AD524SD的集成放大单元，或带有更复杂反馈电路的基于更基本运算放大器(Op-amp)的放大电路(例如，LM 741)的符号。如图2所示的反馈电路包含简单分压器，该简单分压器包含电阻R1和R2，导致增益＝1+R2/R1。
再次参照图1，通过相继放大通道9n和9n+1施加的相继信号增益Gn和Gn+1彼此不同。在所示的实施例中，最低信号增益与放大通道91相关联，而最高信号增益与放大通道97相关联。一般说来，相继信号增益的最高者至少是预定信号增益的最低者的十倍，以便将放大器的动态范围扩大至少一个数量级。最好，相继信号增益的最高者至少是预定信号增益的最低者的1000倍。
在一个实施例中，图1的每个放大单元和放大通道的增益可以像在下表I中给出的那样，导致相继放大通道9n中的信号增益Gn十倍增大。
表I
Figure A20078001061200111
在放大通道91到97中可以配备可选串联电容器C11到C17，以便滤除基本AC信号中的任何DC分量。尤其，在一个放大通道中串联了多个放大单元的情况下，避免进一步放大可能由前面的放大级引入的任何DC偏移是有利的。最好，每个放大单元11到17在它的输入或输出线上具有这样的电容器。
仍然参照图1，放大器进一步配有信号选择器19。信号选择器19包含与中间输出信号节点91到9N连接的信号选择器输入节点、以及与输出信号节点5连接的信号选择器输出节点。信号选择器19被安排成根据它们的值来选择中间输出信号之一，并且在输出信号节点5上给出与所选中间输出信号相对应的输出信号。
根据放大的中间输出信号值进行选择的优点是，选择策略可以独立于放大器的动态范围。万一不得不根据例如原始输入信号值作出选择，在整个动态范围上确定最佳中间输出节点将会不方便，尤其是当动态范围超过大约三个数量级时。
输出信号和/或它代表的值可以传送到显示器和/或传送到存储介质加以存储。显示器和/或存储介质可以合并在诸如工作站或个人计算机等的计算机中。显示器的例子包括诸如监视器或示波器的阴极射线管、笔式绘图仪、数值显示器。适用的存储介质可以是，例如，胶卷、纸、或任何计算机可读存储介质，例如，硬盘、光盘、磁盘、记录带、磁带、闪速存储卡、固态随机访问存储器(RAM)、存储棒，但不局限于这些。
所示的信号选择器19具有选择八个当中的一个信号的能力，而本实施例中的放大电路7仅恰好包含七个中间输出信号节点91到97。在这样的情况下，可以配备可以与地连接的第八中间输出信号节点90。
在所示的实施例中，信号选择器19还包含这里以二进制地址节点A0、A1、A2的形式配备的可选地址输出端。信号选择器19被安排成利用二进制码来指示二进制节点A0、A1、A2，二进制码由二进制高(H)和低(L)值组成，并标识中间输出信号节点90到9N的哪一个被选择并馈送到输出信号节点5。
三个二进制地址节点足以编码八个中间信号节点。例如，可以像在下表II中给出的那样来编码各种中间输出信号节点9-1到9-N。
表II
 节点  A0  A1  A2
 90  L  L  L
 91  H  L  L
 92  L  H  L
 93  H  H  L
 94  L  L  H
 95  H  L  H
 96  L  H  H
 97  H  H  H
只要每个节点对应唯一地址码，任何其它编码都是可接受的。
信号选择器19还可以包含取得定时脉冲信息或同步器信息的可选调步输入端。定时脉冲信息可以用于时间锁存选择或要作出的新选择，或用于触发机器状态计数器。
在操作期间，每个放大通道9n可以通过施加预定并且最好恒定的信号增益Gn来连续放大输入信号Sin。可以确定包含最小输出值和最大输出值的输出范围。在某个给定输入信号值，一些中间输出信号值的模数可能超过最大值，而其它的信号增益可能不足以产生模数超过所需最小输出值的中间输出信号值。
例如，最大输出值可能被选择成使得放大级已经饱和(“限幅”)成那个通道中的一个或多个放大单元的放大器最大输出电压(正或负)的放大通道变得不合格。最小输出值可能被选择成使得未放大到足以产生可以工作的信号值的放大通道变得不合格。
信号选择器19用于选择在每个时间最适用的可用中间信号，并且将相应中间信号节点与输出信号节点5连接。信号选择器可以随时间重复地或甚至连续地作出选择，以保证即使输入信号值发生改变，在输出信号节点5上也出现所需的可用中间信号之一。对于重复选择，选择速率可以根据所需检测带宽(或时间分辨率)像需要的那么高。
选择可以基于在最高信号增益放大而未超过预定最大输出值的中间信号。因此，可以将最大输出值设置或定义成例如接近但低于放大单元的最大输出电压，并且，最好将信号选择器安排成选择中间输出信号当中模数具有低于最大输出值的最高值的那一个。
如果有必要并依赖于放大通道的特性(例如包括转换速率)，信号选择器也可以观察允许选择来自以前饱和的放大通道的信号之前的饱和恢复期。这样就保证了在准许选择之前放大通道已完全从它的饱和状况恢复过来。
这可以以各种方式实现。例如，可以将最大输出值设置得充分低于放大单元的最大输出电压，以便到放大单元的输出已经下降到低于设置的最大输出值的时候，已经发生了饱和恢复。或者，可以在选择器中提供滞后，使得在已经发生饱和之后的时段内，设置的最大输出值被暂时选择较低，例如，直到中间输出信号下降到低于暂时较低设置的最大输出值。当提供这样的滞后时，来自放大单元的中间信号值的较大范围在未发生饱和的时候仍然可用。
通过使用中间输出值的模数，实现了接受通过负最大输出值和最大输出值定义的范围内的信号。
更一般地说，选择可以基于一个接受窗口，在所述接受窗口内，“最大”可接受负值(窗口下限)可与最大可接受正值(窗口上限)无关地定义。
像上面给出的那样的放大器的优点是，由于增益切换需要浪费一点时间或不需要浪费时间，同时，动态范围至少与可用在放大通道中的最大信号增益与最小信号增益之间的比值一样大。
图3示意性地示出了另一个放大器实施例的示意性表示。该实施例享有与如参照图1所示的前实施例基本相同的特征，但在放大电路7中存在修正。在放大电路中，不仅放大通道91和92(分别与中间输出信号节点91和92相关联)与其它放大通道分开，而且放大通道93和94也与其它放大通道分开。这里所示的放大通道91到94的每一个由一个放大单元(分别是11，12，13，14)组成，但如果需要，当然可以串联地耦合两个或更多个放大单元。
除了图1的放大单元11到17之外，还配备了放大单元18。放大单元18由放大通道95、96、和97共享，形成这些放大通道的每一个的第一放大级。图3的每个放大单元和放大通道的增益可以像在下表III中给出的那样。
表III
Figure A20078001061200141
在其它实施例中，由两个或更多级组成的每个放大通道可以设立成让所有级专用于一个放大通道。这需要更多的部件，但因此可以分别调谐每个放大通道，而不会干扰其它通道。此外，一旦一个放大单元出故障，只中断一个放大通道，而如果共享的放大单元出故障(例如，图3中的放大单元18)，则利用那个单元的所有放大通道都将中断。
在如参照图4所述的又一个实施例中，以串联连接安排所有放大单元11到17。因此，每个放大通道提供每个随后的放大通道的第一放大级，因为每个放大单元的输出作为输入馈入下一个放大单元中。优点是部件要求最小，但缺点是来自第一级的噪声和其它误差将在每个随后级中被放大。第一放大单元11的增益可以是1，而每个随后放大单元(12到17)的增益可以是10。因此，图4的每个随后放大通道中的信号增益可以比前一个中的信号增益高10倍。
可选电容器C11到C17有助于避免DC偏移电压的放大。
下面所述的是信号选择器19的例子。图5示出了包含时钟振荡器CLK、选择编码器21和模拟信号多路复用器23的信号选择器19的一个实施例。
CLK可以以晶体振荡器的形式提供。所示的信号选择器19将调步信号P取作输入。将调步信号与CLK连接，以便使CLK脉冲与调步信号同步。
中间输出信号节点91到97与选择编码器21和多路复用器23两者连接。多路复用器23将中间输出信号之一选通到输出信号节点5。选择编码器21被安排成确定在输出节点上应该表示哪一个中间输出信号节点。选择编码器可以以在与多路复用器23连接的地址线A0到A2上并可以通过多路复用器23读取和执行的二进制码的形式来表示那个信息。
多路复用器23可以包含诸如绝缘栅双极晶体管(IGBT)、包括硅上金属MOS-FET的场效应晶体管(FET)的各种选通开关。这样的开关可以集成在集成电路中。适用集成电路多路复用器的例子包括ADG-508或ADG-608、ADG-7508。
选择编码器21可以具体化成如图6例示的那样。它可以包含比较器组25和优先级编码器27。它还可以包含将时钟脉冲CLK和调步脉冲P取作输入，并在它的输出端上提供锁存位L的导引逻辑单元28。
在所示的实施例中，比较器组25包含许多个比较器250到257，每一个被安排成接收中间输出信号IS0到IS7，并在它们各自的比较器输出端I0到I7上生成输出。比较器被安排成将中间输出信号IS0到IS7与预定最大值相比较，并在比较器输出端CO0到CO7上生成标识中间输出信号是否超过预定最大值的数字信息位。
可以以AD711或LM741串联构成适当例子的运算放大器、或任何其它高增益放大器件、或LM161、LM261和LM361构成例子的更复杂差分比较器件的形式，来提供比较器250到257。如这里所示，中间输出信号IS0到IS7馈入各自运算放大器的非反相输入端。反相输入端与DC电压源连接，以提供代表预定最大值的参考电压Vref+。
回头参照图6，所有比较器250到257都可以与用于参考的单个DC电压源连接，或每一个可以与专用的一个DC电压源连接。
当如所示配置时，低于或等于预定最大值的特定中间输出信号ISn将使相关比较器25n在它的比较器输出线COn上呈现低位(0)，而在中间输出信号ISn超过预定最大值的情况下，在比较器输出线COn上呈现高位(1)。
当然，如果需要，可以应用互补位值来表示中间输出信号是否低于最大值。
可以造成比较器250到257有点滞后，以便有一些弛豫时间让以前饱和的放大通道从它的饱和状态中完全恢复过来。正如本领域的普通技术人员十分清楚的那样，有各种各样的方式可以达到这个目的。举一个例子来说，实现如图6A所示的一些有益滞后的一种方式是，在任何特定比较器25n的任何所选特定中间信号线ISn中配备可选负载电阻R8n、以及反馈电阻R9n将特定比较器25n的比较器输出端COn与特定比较器25n的非反相输入端连接。其效果是，在迫使比较器在它的输出线COn上呈现高位之后，馈入比较器中的电压升高，而参考电压Vref+保持不变。因此，在比较器输出端COn重新开始它的低位输出之前，中间输出信号ISn不得不下降低于参考电压Vref+等于该升高的量。
仍然参照图6A，电压的变化量受R9n与R8n相比的相对值支配。视需要多少反馈而定，典型的适当比值是在5∶1到100∶1之间的任何地方，例如，大约10∶1。可以选择R8n的绝对值，以便对中间信号提供合理负载。已经发现R8n＝10kΩ的值是合适的，但该值不是本发明的关键。
上面示出的比较器配置只是适用于正值输入信号的二进制比较器。在更通用实施例中，可以应用窗口比较器配置，例如，当预计输入信号的范围可能从正值到负值时。
这种窗口比较器的例子显示在图7中。这样的窗口比较器包含窗口上限比较器35、窗口下限比较器36、和OR(或)门37。
每个中间输出信号节点可以与窗口上限比较器35的非反相输入端连接，并且可以与下限比较器36的反相输入端连接。窗口上限比较器35的反相输入端与代表窗口上限Vref+的DC电压源连接，以及窗口下限比较器36的非反相输入端与代表窗口下限Vref-的DC电压源连接。窗口上限比较器35和窗口下限比较器36的输出可以馈入OR门37中。OR门37的输出代表比较器输出。
图7A示出了生成到比较器35和36的Vref+和Vref-输入，以便实现双极比较器的可能电路。它包含基于将电压跟随器的非反相输入端与电压Vdd的预定分数连接的电阻R3和R4的分压器。电压跟随器用作阻抗缓冲器，并可以包含在电阻R5上将输出反馈到反相输入端的放大器51。这个电阻的值影响不大，只要它与反相输入端和非反相输入端之间的电阻值相比较小，以便获得单位增益电压跟随器。输出端设置Vref+。当需要精确镜像Vref-时，可以使电压跟随器的输出以单位增益馈入反相器中。如图7A所示，放大器51的输出经过电阻R6馈入另一个放大器52的反相输入端中。第二放大器52的输出经过电阻R7反馈到反相输入端。倘若R6＝R7，所得输出Vref-将具有与Vref+相同的模数值。适用于这种用途的放大器由TL072T op-amp形成。
在一个有利实施例中，基于电阻R3和R4的分压器被数模转换器取代。这将使通过微处理器在窗口范围内的瞬时控制成为可能。
当如图7所示配置时，超过窗口上限Vref+的特定中间输出信号ISn值将在窗口上限比较器35上给出高位输出值，因此在比较器输出端上也给出高位输出值。当中间输出信号值低于窗口下限Vref-(较低正值或更负的值)时，由于窗口下限比较器36将高位放在OR门37上，所以也使比较器输出端变成高位。但是，当中间输出信号值低于或等于窗口上限Vref+并高于或等于下限Vref-时，上限和下限比较器35和36两者都将产生低位值，因此，OR门37的输出也是低位值。
并且，视其余部件而定，可以交换低位值和高位值的含义。
图7B示出了如何在双极比较器上提供一些可选滞后的一种实现。上限比较器35可以配有如上面参照有关二进制比较器的图6A所述的反馈电路，它应用负载电阻R8和反馈电阻R9。可以在应用第二负载电阻R10和第二反馈电阻R11的下限比较器的非反相输入端上配备类似的反馈电路。但是，负载电阻现在处在Vref-线中，因此，由于下限比较器上的高位输出的反馈，较低的参考电压被暂时升高，直到输出重新开始低位。最好，R11与R10的比值与R9与R8的比值相同。但这不是要求。
除了比较器组25之外，如图6所示的选择编码器21进一步包含优先级编码器27，优先级编码器27在它的输入端I0到I7上接收呈现在比较器输出端CO0到CO7上的位值。在当前情况下，优先级编码器27操作于输入的所谓低电平有效编码。将排序的优先级指定给输入，与具有最高信号增益的放大通道97连接的输入线I7具有最高优先级，以及与具有最低信号增益的放大通道90连接的输入线I0具有最低优先级。作为输出端，它具有如上所述的二进制地址节点A0到A2。优先级编码器依照代表最高优先级有效输入的代码(例如，如在上表II中给出的那样)，通过高位和低位表示来加载地址节点A0到A2。在本例中，认为低位值是“有效的”，因为当信号值在预定范围之外时，比较器组25给出高位值。
只要指定了优先级的输入节点发生变化，优先级编码器27可以“连续地”更新地址节点A0到A2上的输出。但是，当锁存信号L有效时，优先级编码器27将地址节点锁存在锁存信号变成有效时地址节点所具有的任何值上。
执行这种功能的8-输入集成电路优先级编码器是诸如“快速”74F148的74148 IC系列。存在等效的可替代物，包括当然要求用高位值表示不超过最大值的中间输出信号的高电平有效器件。
如上给出的放大器实施例基于每个的增益相差十倍，以便每个数量级可用一个放大通道的七个放大通道。本发明还涵盖其它数量的放大通道，其它数量的放大通道可以缩小但最好扩大动态范围，减少但最好增加每个数量级的放大通道数量，或实现动态范围和每个数量级的放大通道数量两者的改变。
当放大通道的数量超过八个时，需要输入端多于八个的信号选择器。通常，这可以由8-输入技术的部件构建。例如，通过结合适当逻辑门来组合两个8-输入优先级编码器，可以形成具有4-位二进制地址输出端的16-输入优先级编码器。在出自日期为1990年3月1日和文件序号为9397-750-05078的飞利浦半导体IC15数据手册(IC15 DataHandbook Philips Semiconductors)的74F148 8-输入优先级编码器的产品说明数据表中提供了一个例子。
同样，结合适当逻辑门使用4-位地址线可以寻址两个8-通道多路复用器。
包含在信号选择器19中的逻辑功能(包括多路复用器23、包括计数器和跟踪各种状态所需的任何逻辑单元的状态机、和优先级编码器27)可以以标准IC部件的形式来配备(像上面讨论的那样)，或它们可以定制编程在所谓的现场可编程门阵列(FPGA)中。后者的优点是部件的数量减少了，并且不必编程未应用的任何输入通道。
众所周知，放大器可以显示温度的变化引起的输出漂移。在预计温度变化明显的应用中，放大器最好可以处在温度稳定环境中。达到这个目的的一种方式是，通过在比最高预计环境温度高的温度工作的所谓炉化环境。
可替代地，可以应用温度稳定的电路部件，或可以利用温度敏感反馈电路来电补偿输出漂移。
如上所述的放大器可以与一个或多个模数转换器(ADC)结合。这样，可以利用相当恒定粒度在大动态范围上数字化输入信号。
在一个实施例中，每个放大通道都配有专用ADC，以便对于每个信号放大增益，都可用ADC的全粒度。然后，选择编码器可以取代如图6所示的模拟比较器组25，作出数字比较。这样的数字比较可以结合优先级编码器，利用溢出位来进行。或者，如下文说明的那样，结合取样和保持电路串行读取。
当每个放大通道都配有自己的专用ADC时，也可以将每个数字化中间输出信号传送到存储介质和/或计算机，然后，根据以后的所有可用输出信号，例如，通过选择所有可用输出信号当中的适用部分，来作出所需选择。
但是，在某些实施例中，ADC只配备在所选信号输出节点中。然后，可以根据模拟中间输出信号，例如，利用如图5所示的信号选择器19来进行信号选择。模拟信号比较与首先数字化随后选择相比，可能几乎是瞬时的。当ADC具有比数字化位小的总线尺寸时，尤其这样。此外，模拟比较需要较少的部件。最后，具有来自放大通道之一的多路复用输入的单个放大器或ADC转换器将不呈现可能由在每个放大通道中具有不同ADC转换器所引起的非线性。因此，包括存在于多路复用器以及在ADC本身中的那些的任何偏移对于所有中间信号节点将具有相同幅度。
图8示出了模数转换器，其中，如上所述的任何放大器的输出信号节点5与模数转换电路29耦合，以将所选输出信号转换成数字化输出信号。数字转换电路可以包含具有ADC能力的例如个人计算机形式的微处理器。
数字化输出信号和/或它代表的值可以以与上面针对模拟输出信号所述相似的方式传送到显示器和/或存储介质加以存储。
根据诸如所需速度的所需操作条件，可以选择位数或ADC的等效粒度。通常，发现16-位ADC能给出好的折衷。
代表在输出信号节点5上表示中间输出信号节点90到97的哪一个的数字地址信息A0到A2也馈入数字转换电路29中。这个信息可以翻译成信号增益信息，例如，利用诸如上面的表I或III的表格，使得可以通过将该值除以适当信号增益因子而从数字化值中重构原始输入信号值。
因此，可以与数字化输出信号一起传送和存储数字地址信息。
一般说来，取样和保持电路可以应用在放大器或模数转换器中的任何地方。取样和保持电路在现有技术中是已知的，有关取样和保持放大器的各种各样结构的详细描述，请参考日期为1994年7月的第775号全国半导体应用备忘录(National Semiconductor ApplicationNote 775)。
最好，与将取样和保持电路应用在输入信号节点中相反，将取样和保持电路应用在每个中间输出信号节点中，或应用在输出信号节点中。
这样，放大通道可以不断地跟踪和放大输入信号，而不受放大单元转换速率的不必要限制，从而避免了可以以难以预料的方式影响数据的过冲/下冲的任何可能原因。
在如图所示的实施例中，数字转换电路可以包含在数字化数据所需的持续时间内将信号输出值保持在恒定值的取样和保持电路。一些商用ADC单元具有内置取样和保持能力。
调步输出线P可以配备成在数字转换电路与放大器中的信号选择器19之间发送同步触发脉冲。在本例中，这可以像例示在图9中那样工作。
如上所述，信号选择器19经由状态机通过时钟信号CLK驱动。时钟信号可以由以20MHz频率运行的晶体振荡器生成。同步脉冲计数器54可以用于在适当时候导引逻辑单元并进行动作。计数器计数在它的CLK输入端上接收的CLK脉冲并在二进制输出线CNT0到CNT4上呈现计数的数。当计数器54在它的RST输入端上接收到调步脉冲P时，呈现在二进制输出线CNT0到CNT4上的数被重置成零。数字转换电路可以发出也同步时钟(参见图5)的调步脉冲P。线CNT0到CNT4的线可被馈入数字多路分用器56中，数字多路分用器56包含与所需一样多的输出线ST0到STi来表示所有相关状态。对于5条CNT线，i可以被选成31。除了与像呈现在CNT线上的计数对应的那一条之外，多路分用器56可以在所有状态输出线上呈现无效位值。若干状态可能命令要求地址线值A0到A2保持锁存。达到这个的一种方式是，可以使相应状态输出线馈入OR门58中，如果这些相应状态的任何一个有效，则OR门58就变得有效。最终锁存信号L可以在短暂延迟之后出现，以保证在实际发出锁存信号L之前一切都达到稳定。这可以在延迟器件60中实现，延迟器件60可以在例如CLK信号的下降沿上触发。
其结果是，在脉冲计数器54计数的预定个时钟信号之后，在下一个调步脉冲P可能出现之前的某个时间内，锁存地址线值A0到A2。这保证了与然后通过多路复用器选通的中间信号相对应的输出信号值可以迁入ADC。下一个调步脉冲的上升沿发信号通知可以包括取样和保持输出信号值的模数转换的开始。此刻，再次重置状态机计数器，并且使时钟同步。
在可替代实施例中，取样和保持电路可以配备成信号选择器19的一部分。在这样的实施例中，在保持时间的持续时间的触发间隔保持中间输出信号，在所述保持时间的持续时间内，可以从施加最高信号增益的那一个开始，并选择不超过预定最大值的第一个，对中间输出信号进行串行读取。利用现有部件，每个中间信号节点可以在大约100纳秒内完成这样的串行读取，从而八个节点可以容易地在1微秒内读取，以及可以保持每微秒一个或更慢的选择速率。
取代相对直截了当的串行读取，可以应用平均需要比串行读取更少读取的所谓二进制搜索。
如上所述的放大器和模数转换器可以出现在需要大动态范围放大和/或数字化速度的任何应用中。该放大器和模数转换器对于1000或更大，通常在1000(103)与1012之间，或在103与1010之间的动态范围尤其有利。本发明使具有这样大动态范围的模数转换器可以快于10微秒，通常在0.1微秒到10微秒之间。
因此，选择速率可以在每0.1微秒一个到每10微秒一个之间选择。
在一种应用中，如上所述的放大器，或应用该放大器的模数转换器可以合并在像示范在图10中那样的井下工具中。这使快速时变井下传感器数据可以得到快速信号放大和/或数字化。
图10示出了电磁感应测量地层32的井下工具30。在所示的实施例中，井下工具30合并在钻孔39中支承钻头38的钻绳33中。还存在包含烃类矿物流体34的油气田。
井下工具30通常可以包括在边测边钻(MWD)设备中和/或在井底组件(BHA)中。在其它实施例中，像，例如，在美国专利第6,952,101中所示和所述的那样，井下工具可以悬挂在钻井中的导线上。
如图10描绘的井下工具30包含发送器天线40、和与发送器天线40相隔预定偏移量的接收器天线42形式的传感器。如，例如，在美国专利申请公布2005/0092487、2005/0093546、和2005/078481中，和在美国专利5,955,884中所述的那样，发送器天线和接收器天线可以以线圈的形式配备。
工具30进一步包含依照本发明的放大器44。放大器的输入信号节点与接收器线圈耦合。(放大)输出信号节点可以在直接电触点中或通过无线遥测系统与表面计算单元46通信。表面单元46可以包含数据获取和控制系统，该数据获取和控制系统包括将传感器数据数字化的模数转换器。
可替代地，井下工具30可以包含如上所述的模数转换器，该模数转换器包含按照本发明的放大器。在井下进行模数转换的优点是，在将数据发送到表面计算单元46的时候，可以获得较少附加噪声。
在操作时，可以以钻孔39的形式在地层32中钻出井身。
可以生成地层的电磁感应信号。生成电磁感应信号的适当方式描述在美国专利申请公布2005/0092487、2005/0093546、和2005/078481中，和在美国专利5,955,884中。电磁感应信号可以从发送器天线40发送，以及在接收器天线42中可以以像电压响应或电流响应那样的响应信号的形式来形成电磁感应信号。
可以将电磁感应信号放大以生成输出信号。响应信号可以利用本发明的放大器或本发明的放大方法来放大。本发明的放大器尤其适用于检测发送器天线40突然断开之后的瞬时响应信号。这样的信号在各种数量级上随时间迅速衰减。
可以进一步处理输出信号，以定位地层中的烃类矿物流体。可能处理的细节描述在美国专利申请公布2005/0092487、2005/0093546、和2005/078481中，和在美国专利5,955,884中。
可以将井身一直钻到烃类流体。可以根据与地层中烃类矿物流体的位置有关和与一直钻探的方向有关的信息作出判定。合适的是，钻绳具有定向钻探能力。
一旦钻孔延伸到具有烃类矿物流体34的油气田，就可以以任何传统方式完成钻孔和可以生产烃类矿物流体。
因此，依照本发明的再一个方面，本发明提供了一种从地层中生产烃类矿物流体的方法，该方法包含如下步骤：
在地层中钻出井身；
生成地层的电磁感应信号；
应用如下步骤来放大电磁感应信号以生成输出信号：
-通过将预定第一信号增益施加在电磁感应信号上，至少生成具有第一中间输出信号值的第一中间输出信号；
-通过将预定第二信号增益施加在电磁感应信号上，至少生成具有第二中间输出信号值的第二中间输出信号，其中，预定第二信号增益被选择成至少是预定第一信号增益的十倍；
-选择第一和第二中间输出信号之一作为输出信号；
进一步处理输出信号，以定位地层中的烃类矿物流体；
继续钻井身到烃类流体；以及
生产烃类流体。
应该明白，在这种方法中，可以利用如上文所述的任何放大器和/或模数转换器，依照如上文所述的任何实施例来放大和/或模数转换电磁感应信号。

Claims (14)

1.一种放大器，包含：
-输入信号节点，用于传送具有输入信号值的输入信号；
-输出信号节点，用于传送具有输出信号值的输出信号；
-放大电路，与输入信号节点耦合，并至少配有用于传送具有第一中间输出信号值的第一中间输出信号的第一中间输出信号节点、和用于传送具有第二中间输出信号值的第二中间输出信号的第二中间输出信号节点，从而使第一中间输出信号值依照预定第一信号增益与输入信号值相关，以及使第二中间输出信号值依照预定第二信号增益与输入信号值相关，其中，预定第二信号增益至少是预定第一信号增益的十倍；以及
-信号选择器，安排成选择所述中间输出信号之一并将所选中间输出信号馈送到所述输出信号节点。
2.根据权利要求1所述的放大器，其中，所述信号选择器包含将所述中间输出信号值与参考值相比较的模拟比较器组。
3.根据权利要求1或2所述的放大器，其中，所述信号选择器包含与第一和第二中间输出信号节点以及与输出信号节点电耦合的模拟多路复用器。
4.根据权利要求1所述的放大器，其中，所述信号选择器包含比较器组和优先级编码器，所述比较器组具有输入线和输出线，所述输入线与第一和第二中间输出信号节点电耦合，以及所述输出线与所述优先级编码器耦合。
5.根据权利要求4所述的放大器，其中，所述优先级编码器进一步包含地址输出线，从而，所述多路复用器被安排成依照呈现在地址输出线上的地址来选择中间输出信号，和将所选一个中间输出信号馈送到输出信号节点。
6.根据权利要求1到5的任何一项所述的放大器，其中，第一和第二中间输出信号值的每一个的模数是低于、等于、或高于最大输出值的一个，以及其中，所述信号选择器被安排成选择中间输出信号当中具有低于或等于最大输出值的最高值的那一个。
7.根据权利要求1到6的任何一项所述的放大器，其中，所述放大器合并在井下工具中。
8.根据权利要求7所述的放大器，从而，井下工具包含接收器天线，以及从而，输入信号节点与接收器天线耦合。
9.根据权利要求1到8的任何一项所述的放大器，进一步包含：
-与至少一个输出信号节点耦合的模数转换电路，用于将所选输出信号从模拟信号转换成数字值。
10.根据权利要求9所述的放大器，进一步包含：
可响应于调步信号而在保持状态和释放状态之间切换的取样和保持电路，其中，所述放大电路与所述取样和保存电路耦合；以及
用于激发调步信号的调步信号发生器。
11.一种放大输入信号以生成输出信号的方法，包含如下步骤：
-传送具有输入信号值的输入信号；
-通过将预定第一信号增益施加在输入信号上，至少生成具有第一中间输出信号值的第一中间输出信号；
-通过将预定第二信号增益施加在输入信号上，至少生成具有第二中间输出信号值的第二中间输出信号，其中，预定第二信号增益被选择成至少是预定第一信号增益的十倍；以及
-选择第一和第二中间输出信号之一作为输出信号。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，选择第一和第二中间输出信号之一是通过随时间重复地或连续地选择第一和第二中间输出信号之一来完成的。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，选择第一和第二中间输出信号之一包含：
-在模拟比较器中比较第一中间输出信号和参考值并发出第一比较结果；
-在模拟比较器中比较第二中间输出信号和参考值并发出第二比较结果；以及
-根据第一和第二比较结果来选择中间输出信号之一。
14.根据权利要求11到13的任何一项所述的方法，其中，所述输入信号是模拟输入信号，该方法进一步包含至少将输出信号转换成数字输出信号的步骤。
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