CN104811147A - 井下微地震数据采集系统模拟调理单元的优化电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种井下微地震数据采集系统模拟调理单元的优化电路，是由横跨导偏置电路经电流源和三极管并联匹配结构与差分放大电路链接构成。与现有技术相比，通过三极管的并联匹配方案可以实现地震检波器和采集电路的噪声匹配来降低采集板的噪声的目的，在三极管的并联的匹配方案中，MOS受温度的影响较大，所以对方案中的三极管的并联结构的设计进行了优化，在电流源的设计中采用恒跨导参考源，达到温度补偿的效果，减小了温度的影响，进而达到了降低噪声的目的。

Description

井下微地震数据采集系统模拟调理单元的优化电路

技术领域

本发明涉及一种地球物理勘探中微地震数据采集系统的设计，尤其涉及在高温环境下井下微地震数据采集系统中模拟调理电路的优化设计。

背景技术

目前，在我国中高渗透性油田的开发难度越来越大，低渗透油田却越来越多，而在低渗透油田的开发过程中，压裂技术是增产的一项重要措施，对压裂所产生的裂缝的监测为油田的后续生产开发提供指导。常规的压裂监测技术，如倾斜测量、井温测量、放射性测量、以及电位法等压裂监测技术都具有一定的局限性，不能够完全有效的对压裂产生的裂缝的长度、高度、宽度以及方位角进行监测，而井下微地震压裂监测技术却能够很好的解决上述问题，该技术通过在邻井中布设检波器来监测压裂井在压裂过程中产生的微地震信号，获取微地震事件的震源信息，所以井下微地震数据采集对于压裂监测具有重要的意义。

与地面微地震数据监测不同，井下的微地震监测面临着高温高压的挑战，而且随着压裂深度的增加，当压裂深度达到3000米至5000米时，井下的温度可能达到120℃-150℃，环境的恶劣性为数据采集器的设计增加了难度。所以在整套仪器的开发过程中均选取耐高温的元器件，微地震信号比较微弱，而恶劣的工作环境使得数据采集器的本体噪声也成为限制微地震有效信号拾取的限制因素，所以，降低微地震数据监测系统模拟调理电路的本体噪声是提高微地震数据检测能力的有效手段，而在数据采集系统中，前端放大器的噪声降低了数据采集系统的最小分辨能力，较大的本体噪声可能淹没微地震信号，所以如何降低模拟调理电路的噪声是提高信号监测能力的重要手段。

发明内容

本发明的目的就在于针对上述现有技术的不足，提供了一种井下微地震数据采集系统模拟调理单元优化的电路。

本发明所采用的技术方案是通过有源器件并联法来对微地震数据采集系统的模拟调理单元进行优化设计，通过三片双通道三极管并联的匹配结构，能够实现地震检波器和采集电路的噪声匹配，针对井下高温的环境，在实施该方案采取了恒跨导式参考源的结构达到对三极管的匹配结构和易受温度影响的电流源进行温度补偿。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

井下微地震数据采集系统模拟调理单元的优化电路，是由恒跨导偏置电路的电流源和三极管并联匹配结构与差分放大电路链接构成。

所述的三极管并联匹配结构是由三片双通道三极管MAT01并联构成。

所述的恒跨导偏置电流源是由电流镜Ⅰ经电流镜Ⅱ与电流镜Ⅴ连接，电流镜Ⅰ经电流镜Ⅲ与电流镜Ⅳ连接，电流镜Ⅱ与电流镜Ⅳ连接，电流镜Ⅴ与电流镜Ⅵ连接构成，电流镜Ⅵ与电流镜Ⅶ连接。

有益的效果：与现有的井下仪器直接对检波器采集的信号进行常规的放大相比，通过三极管的并联匹配方案可以实现地震检波器和采集电路的噪声匹配来降低采集板的噪声的目的，在三极管的并联的匹配方案中，MOS受温度的影响较大，所以对方案中的三极管的并联结构的设计进行了优化，在电流源的设计中采用恒跨导参考源，达到温度补偿的效果，减小了温度的影响，进而达到了降低噪声的目的。

附图说明

图1井下微地震数据采集系统模拟调理单元的优化电路

图2为三片双通道三极管MAT01并联的匹配电路

图3恒跨导偏置的电流源结构框图

图4为图1的电路图

图5为图2的电路图

图6为图3的电路图

图7为现有的井下模拟调理电路结构

图8为动圈式检波器工作示意图

图9为omni2400动圈式检波器输出模型

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

井下微地震数据采集系统模拟调理单元的优化电路，是由恒跨导偏置电路经电流源和三极管并联匹配结构与差分放大电路链接构成。

所述的三极管并联匹配结构是由三片双通道三极管并联构成。

所述的恒跨导偏置电流源是由电流镜Ⅰ经电流镜Ⅱ与电流镜Ⅴ连接，电流镜Ⅰ经电流镜Ⅲ与电流镜Ⅳ连接，电流镜Ⅱ与电流镜Ⅳ连接，电流镜Ⅴ与电流镜Ⅵ连接构成，电流镜Ⅵ与电流镜Ⅶ连接。

运算放大器的输入噪声主要包含三部分，输入噪声电压V_n，输入噪声电流I_n,以及由信号源内阻R_s引起的奈奎斯特噪声则运算放大器总的输入噪声为

       $V_{n,\mathrm{tot}}=\sqrt{V_n^2+I_n^2{R}_s^2+4k{\mathrm{TR}}_s}$

针对以上的噪声模型，提出了使用三极管并联的匹配结构来通过降低电压噪声，提高电流噪声的方案来降低放大器总的输入噪声。在有源器件并联的实施方案中，选取三片双通道三极管MAT01的并联的匹配结构来降低运算放大器的输入噪声,三片MAT01并联的电路图，如图5所示。并联后的运算放大器的输入噪声电压为：输入噪声电流为：所以通过三极管并联后的运算放大器的输入噪声为

       $V_{n1,\mathrm{tot}}=\sqrt{\frac{V_n^2}{3}+3I_n^2{R}_s^2+4k{\mathrm{TR}}_s}$

当影响运算放大器的噪声主要为电压噪声时，该模型能够很好的降低噪声，提高对信号的采集能力。现有的三极管并联的匹配结构中，使用了多个MOS管并联,但MOS管是容易受温度影响的元器件，且在方案中的电流源的设计也使用了易受温度影响的MOS管，所以需要对现有的方案进一步优化。

本发明中主要的元器件是MOS管，而MOS管受温度影响比较大，特别是MOS管中载流子的迁移率和阈值电压受温度影响变化较大，而载流子迁移率和阈值电压对方案中电流源影响也较大，MOS管的载流子迁移率和阈值电压随温度的变化可以表示为

       $\mathrm{\μ}\left(T\right)=\mathrm{\μ}\left(T_0\right)\·{\left(\frac{T}{T_0}\right)}^{-3/2}$

V_th(T)＝V_th(T₀)-δ(T-T₀)

μ(T)表示载流子的迁移率随温度的变化，T₀＝300K,V_th(T)表示MOS管阈值电压随温度的变化，δ≈23mv/℃，从图中可以看出，若不采取措施该方案的输出信号将会随温度变化出现较大的起伏。

在使用三极管并联的匹配结构来降低噪声的技术方案中，受温度影响最大的是电流源，所以采用如图6所示的恒跨导参考源，P1和P2构成一个镜像电流源。P3、P4具有相同的I-V特性，但是P4的沟道总宽长比是P3的N倍。所有的管子均工作在饱和区。且忽略沟道长度调制效应和体效应，减小了温度的影响。

由于P3和P4具有相同的I-V特性

       $I_1=\frac{1}{2}\mathrm{\μ}{C}_x{(V_{\mathrm{gs}3}-V_{\mathrm{th}})}^2$

       $I_2=\frac{1}{2}\mathrm{\μ}{C}_x{(V_{\mathrm{gs}4}-V_{\mathrm{th}})}^2$

μ：表示载流子迁移率；

C_x：表示MOS管的栅极和衬底形成由二氧化硅作为介质的平板电容与栅极面积之比

V_gs3:CMOS管P3的栅极和源极的电压差；

V_gs4：CMOS管P4的栅极和源极的电压差；

V_th:CMOS管阈值电压；

且I₁＝I₂＝I

       $\frac{W}{L_{\mathrm{eff}}}{(V_{\mathrm{gs}3}-V_{\mathrm{th}})}^2=\frac{\mathrm{NW}}{L_{\mathrm{eff}}}{(V_{\mathrm{gs}4}-V_{\mathrm{th}})}^2$

       $I=\frac{V_{\mathrm{gs}3}-V_{\mathrm{gs}4}}{R_0}$

      CMOS管P3的沟道的宽长比；

N:P4和P3的沟道的宽长比的比值；

所以：

       $I=\frac{(\sqrt{N}-1)(V_{\mathrm{gs}4}-V_{\mathrm{th}})}{R_0}$

若满足三极管匹配结构中的正负输入端的三极管的跨导与P4的跨导相同，则可证明，该三极管并联的匹配结构对差分信号的放大的倍数为：

       $A_v=\frac{\∂I_2}{\∂V_{\mathrm{gs}4}}{R}_1=\frac{2\left(\sqrt{N-1}\right)R_1}{R_0}$

由于R1和R0的温度系数相同，所以该优化方案对差分信号的模拟调理几乎不受温度的影响。

井下微地震数据采集电路是影响采集信号信噪比和分辨能力的重要因素，以差分运算放大器THS4521SHKJ驱动AD芯片ADS1278为主的井下仪器设计普遍采用图7的设计思想，将检波器的输出信号进行放大滤波后给ADS1278进行模拟到数字的转换，检波器采用omni2400进行采集。

对检波器omni2400进行简化分析。检波器omni2400是一种常用的动圈式检波器，检波器的工作示意图如图8所示。当检波器工作时插入大地，当大地振动时，由于弹簧的弹性和惯性体的惯性的作用，惯性体有保持不动的趋势而落后于外壳的运动，导致惯性体和外壳体之间有了一定的相对运动，磁铁与检波器的外壳是固定在一起的，线圈就与磁场产生了相对运动，在线圈的两端就有感应电动势，从而有电压输出。

检波器的输出模型可以简化为图9的模型，R_e为线圈的内阻，线圈内阻为2.4kΩ，R_d为检波器上并联的阻尼电阻，阻尼电阻大小为11.8kΩ,则以检波器为信号源的输出阻抗经计算为2kΩ。

对放大器THS4521SHKJ的噪声模型进行分析可得：噪声电压为19.95nV/√Hz，噪声电流为2.45pA/√Hz，以及奈奎斯特噪声为T为电阻的绝对温度，由于井下温度较高所以选取T＝390K，R_s为检波器的信号源内阻为2kΩ，k为玻尔兹曼常数，k＝1.38×10^-23J/K,地震勘探的信号频率为低频信号，所以此处取Δf＝1kHz经过计算可得电压噪声为放大电路的主要影响噪声，且

      

通过有源器件三极管并联匹配方案优化后，选取三片MAT01并联的方法来降低运算放大器THS4521SHKJ的噪声电压，则优化后放大器的噪声模型：噪声电压为噪声电流为由信号源内阻产生的奈奎斯特噪声电压为所以，优化后的放大电路的总的噪声电压为

      

由于在方案的优化中对该方案进行了温度补偿电路，所以在该电路的噪声电压模型的计算中忽略温度对该方案的影响，所以优化后的放大电路的噪声电压为：通过放大电路优化前后的总的噪声电压的比较后可以明显发现，优化后放大电路噪声比优化前降低了37％达到了降低噪声的目的。

Claims (3)

1.一种井下微地震数据采集系统模拟调理单元的优化电路，其特征在于，是由恒跨导偏置电路的电流源和三极管并联匹配结构与差分放大电路链接构成。

2.按照权利要求1所述的井下微地震数据采集系统模拟调理单元的优化电路，其特征在于，三极管并联匹配结构是由三片双通道三极管MAT01并联构成。

3.按照权利要求1所述的井下微地震数据采集系统模拟调理单元的优化电路，其特征在于，恒跨导偏置电流源是由电流镜Ⅰ经电流镜Ⅱ与电流镜Ⅴ连接，电流镜Ⅰ经电流镜Ⅲ与电流镜Ⅳ连接，电流镜Ⅱ与电流镜Ⅳ连接，电流镜Ⅴ与电流镜Ⅵ连接构成，电流镜Ⅵ与电流镜Ⅶ连接。