CN105814640B - 宽温度范围峰值保持电路 - Google Patents

Abstract

配置成用于在井下传感器中使用的峰值保持电路包括长尾对电路、校正电路以及电流镜电路。电流镜电路包括两个电流镜，这两个电流镜与由第一晶体管和第二晶体管形成的长尾对连接。电流镜还包括与第三晶体管连接的第一电阻器和第二电阻器。第一晶体管与校正电路的校正晶体管连接。第一电阻器的值选择为基本上等于与第二电阻器相同的值，以便在使长尾对平衡时，流过第二晶体管的集电极的电流等于流过第一晶体管的电流，导致校正晶体管截断。

Description

宽温度范围峰值保持电路

技术领域

本发明通常涉及井下测量工具电路的领域，更具体地，但不以限制的方式，涉及改进的用于在高温井下测井应用中降低温度对电路的作用的井下测量工具峰值保持电路及方法。

背景技术

井下工具往往用于在井孔中收集数据并测量井下参数。通过使用这些井下工具而采集的数据能够用于检测由于不利的井下状况而可能出现的问题。在许多实例中，使井下工具承受高温腐蚀环境。井下工具必须不管井下环境的温度如何，都能够运行，以将可靠的关于井下环境的数据提供给地面。

井下传感器往往采用对状况（例如，温度、振动、压力）进行检测并输出表示所测量的状况的模拟信号的电路。然后，对模拟输出信号进行调节、采样和处理。在许多情况下，通过采样过程而使模拟信号转换成数字信号。采样及保持电路用于测量峰值电压值、存储峰值电压值并将峰值电压输出至下游电路。峰值保持电路在执行该功能的领域中是众所周知的。

图1中所示的是现有技术的峰值保持电路500的图示。在峰值保持电路500中，输入电压502与第一晶体管506的基极504连接。第一晶体管506的发射极508和第二晶体管512的发射极510耦合在一起，然后，经由第一电阻器516而与低电压源514耦合，以形成长尾对电路（long tail pair circuit）。在峰值保持电路500中，第一晶体管506的集电极518、第二晶体管512的集电极520以及第三晶体管524的发射极522与高电压源526连接。选择第二电阻器528的值，使得流过第二电阻器528的电流是流过第一电阻器516的电流的一半。第二电阻器528的值的这一选择导致在输入电压502处于峰值且使第一晶体管506和第二晶体管512平衡时，第三晶体管524截断。第三晶体管524的截断使由于保持电容器530、第三晶体管524以及输出放大器532中存在的缺陷而可能导致的偏移误差最小化。

温度的上升未显著地或区别地影响由第一晶体管506和第二晶体管512形成的长尾对电路，因为，随着温度波动，这两个晶体管在相同的程度上受到影响。然而，第三晶体管524仍然受到温度变化的影响，仅在使第一晶体管506和第二晶体管512在特定的温度下平衡时截断。不能够在各种温度下运行的情况导致由电路测量的输出数据的不确定性。

因此，需要使由井下环境的温度变化造成的偏移误差最小化的改进的井下峰值保持电路及方法。本发明针对这一需要及现有技术中的其他缺陷。

发明内容

在优选的实施例中，本发明包括能够在宽温度范围下运行的峰值保持电路。峰值保持电路包括长尾对电路、校正电路以及电流镜电路。电流镜电路包括两个电流镜，这两个电流镜与由第一晶体管和第二晶体管形成的长尾对连接。电流镜还包括与第三晶体管连接的第一电阻器和第二电阻器。第一晶体管与校正电路的校正晶体管连接。

在另一方面，优选的实施例提供用于降低温度对峰值保持电路的作用的方法。本方法包括如下的步骤：提供通过使第一晶体管和第二晶体管匹配而形成的长尾对；以及提供通过将校正晶体管的集电极与运算放大器和保持电容器连接且将校正晶体管的发射极与电压源连接而形成的保持电路。通过提供电流镜电路而继续实行本方法，本方法进一步包含如下的步骤：将至少两个电流镜的输出与第一晶体管的集电极和第二晶体管的集电极连接，以便流动于长尾对中的电流等于流过第一电阻器和第二电阻器的电流的总和。本方法进一步包括如下的步骤：将第一电阻器的值选择为基本上等于第二电阻器的值，以便在使长尾对平衡时，流过第二晶体管的集电极的电流等于流过第一晶体管的电流，导致校正晶体管截断。

附图说明

图1是图示现有技术的峰值保持电路的示例的电路图；

图2是根据目前优选的实施例而构造的井下工具和传感器模块的描绘；

图3是图2的传感器模块的功能图；

图4是图示根据目前优选的实施例而构造的宽温度范围峰值保持电路的示例的电路图。

具体实施方式

根据本发明的优选的实施例，图2描绘安置于井孔102中的井下工具100。井下工具100可以用于钻井、监测、泵送、处置、测井或其他井下操作中。井下工具100优选地包括传感器模块104，传感器模块104包括一个或更多个传感器106。传感器106可以用于测量并提供关于一些不同的运行变量和环境变量的信息，这些变量包括电动机运行温度、井孔进气压力、井孔温度、气体含量、液体含量、系统振动、漏电、排气温度、流速、排气压力以及放射性，但不限于此。

翻到图3，在图3中示出利用传感器106来测量的过程的功能图。传感器106从井孔104和井下工具100接收输入108，并且，输出测量电压110。测量电压110提供由传感器106评价的环境或运行条件的模拟表示。测量电压110被提供给峰值保持电路150。通常，峰值保持电路150配置成提供来自传感器的峰值电压的可靠的输出，该输出在很大程度上独立于井下温度的波动。峰值保持电路150将峰值输出电压112提供给下游处理模块114。下游处理模块114能够用于调节峰值输出电压112、对峰值输出电压112进行采样、使峰值输出电压112数字化或传输峰值输出电压112。将意识到，传感器106、峰值保持电路150以及处理模块114可以被包括在传感器模块104内或位于井下工具100上的分开的构件内或基于表面的设施或装备中。

翻到图4，在图4中示出峰值保持电路150的目前优选的实施例。

峰值保持电路150通常包括长尾对电路152、校正电路154以及电流镜电路156。长尾对电路152包括被提供有输入信号/电压160的第一晶体管158。第二晶体管162包括第二发射极164，第二发射极164与第一晶体管158的第一发射极166耦合。第一电流镜168与低电压源170耦合。将理解到，第一电流镜168可以由电阻器、有效电流源或本领域中已知的任何其他合适的电流源组成。

校正电路154包括保持电容器172、运算放大器174以及校正晶体管176，其中，保持电容器172能够保持保持电压，保持电压被供应给运算放大器174。校正晶体管176包括校正基极178、校正集电极180以及校正发射极182。校正集电极180与保持电容器172和运算放大器174耦合，并且，校正发射极182与高电压源184耦合。将理解到，校正发射极182可以另外与小电压源186连接。

电流镜电路156包括第二电流源188，第二电流源188形成电流镜，并且，包括第二输入190、第二输出192以及第二公共节点194。第二输入190经由第一电阻器200而与第三晶体管198的第三发射极196耦合。第二输出192与第一晶体管158的第一集电极202耦合，并且，第二公共节点194与高电压源184耦合。第三电流源204形成电流镜，并且，包括第三输入206、第三输出208以及第三公共节点210。第三电流源204的第三输入206经由第二电阻器214而与第三晶体管198的第三发射极196耦合。第三输入206还经由第三电阻器216和二极管217而与地连接。第三输出208与第二晶体管162的第二集电极218连接。第三公共节点210与高电压源184耦合。第二电流源188的第二输出192和第一晶体管158的第一集电极202与校正晶体管176的校正基极178耦合。第三晶体管198包括第三集电极212，第三集电极212与第一电流镜168连接。

在峰值保持电路150中，通过由第一晶体管158和第二晶体管162形成的长尾对的电流等于第一电阻器200和第二电阻器214中的电流的总和。如果第一电阻器200和第二电阻器214被选择为基本上相等的值，那么，在使第一晶体管158与第二晶体管162平衡时，流动于第二集电极218中的电流等于流动于第一电阻器200中的电流。该布置确保，在使第一晶体管158与第二晶体管162平衡时，校正晶体管176与任何温度变化都无关地运行，并且始终截断。

第三电阻器216提供附加电流，该附加电流流入第三电流源204中。该附加电流确保在使第一晶体管158与第二晶体管162平衡时，在峰值出现之前，检测到峰值的输出220是无效的。针对第三电阻器216而选择的值确定在检测到峰值的输出220变得有效之前电压自峰值下降的程度。

如果小电压源186与校正晶体管176的校正发射极182连接，则所提供的电压确保校正晶体管176的校正发射极182维持于未达到第二电流源188的饱和状态的电位，以便即使在升高的温度下，校正晶体管176也将截断。

峰值保持电路150降低温度对在大部分峰值保持电路中发现的偏移误差的作用。该降低导致电路所产生的数据的解释的不确定性降低。除了这些优点之外，还容易将双晶体管用于第一晶体管158和第二晶体管162以匹配而实现峰值保持电路150。本发明中所存在的电流平衡依赖于追踪第一电阻器200和第二电阻器214并确保由第二电流源188和第三电流源204形成的电流镜正确地运行。峰值保持电路150还要求比本领域中已知的备选的设计更小的PCB（印刷电路板）面积。

要理解到，虽然在前文的描述中阐述了本发明的各种实施例的许多特性和优点，连同本发明的各种实施例的结构和功能的细节，但本公开只是说明的，尤其是在本发明的原理内的零件的结构和布置的问题上，可以在表达所附权利要求的术语的广泛的普遍意义所指示的全部范围内详细地作出改变。本领域技术人员将意识到，在不背离本发明的范围和实质的情况下，本发明的教导能够应用于其他系统。

Claims (12)

1.一种能够在宽温度范围下运行的峰值保持电路，包含：

长尾对电路，包含：

第一晶体管，被提供有输入信号；

第二晶体管，其中，所述第二晶体管的第二发射极与所述第一晶体管的第一发射极耦合；以及

第一电流源，与低电压源耦合；

校正电路，包含：

保持电容器，保持保持电压；

运算放大器，被供应有所述保持电压；以及

校正晶体管，进一步包含校正基极、校正集电极以及校正发射极，其中，所述校正集电极与所述保持电容器和所述运算放大器耦合，并且，所述校正发射极与高电压源耦合；

电流镜电路，包含：

第二电流源，包含第二输入、第二输出以及第二公共节点，其中，所述第二输入经由第一电阻器而与第三晶体管的第三发射极耦合，所述第二输出与所述第一晶体管的第一集电极耦合，并且，所述第二公共节点与所述高电压源耦合；以及

第三电流源，包含第三输入、第三输出以及第三公共节点，其中，所述第三输入经由第二电阻器而与所述第三晶体管的第三发射极耦合并经由第三电阻器而与地耦合，并且，所述第三输出与所述第二晶体管的第二集电极耦合，并且，所述第三公共节点与所述高电压源耦合；

其中，所述第二电流源的所述第二输出和所述第一晶体管的所述第一集电极与所述校正晶体管的所述校正基极耦合。

2.如权利要求1所述的峰值保持电路，其中，所述校正晶体管的所述校正发射极经由第四电阻器而与小电压源耦合。

3.如权利要求1所述的峰值保持电路，其中，所述第一电流源是第一电流镜，其中，所述第一电流镜进一步包含：第一输入、第一输出以及第一公共节点，其中，所述第一输入与所述第三晶体管的所述集电极耦合，所述第一输出与所述第一及第二晶体管中的每个的所述发射极耦合，并且，所述第一公共节点与所述低电压源连接。

4.如权利要求3所述的峰值保持电路，其中，所述第一电流源的所述第一输入与第四晶体管的第四集电极耦合，并且，所述第四晶体管的第四发射极经由所述第一电阻器而与所述第二电流源的所述第二输入连接，并经由所述第二电阻器而与所述第三电流源的所述第三输入连接。

5.一种降低由于温度变化而由峰值保持电路产生的偏移误差的方法，包含如下的步骤：

提供通过使第一晶体管和第二晶体管匹配而形成的长尾对；

提供通过将校正晶体管的集电极与运算放大器和保持电容器连接并将所述校正晶体管的发射极与高电压源连接而形成的保持电路；

提供电流镜电路，进一步包含如下的步骤：将至少两个电流镜的输出与所述第一晶体管的集电极和所述第二晶体管的集电极连接，以便流动于所述长尾对中的电流等于流过第一电阻器和第二电阻器的电流的总和；以及

将所述第一电阻器的值选择为基本上等于所述第二电阻器的值，以便在使所述长尾对平衡时，流过所述第二晶体管的集电极的电流等于流过所述第一晶体管的电流，导致所述校正晶体管截断。

6.如权利要求5所述的方法，进一步包含如下的步骤：将所述校正晶体管的校正发射极经由第四电阻器而与小电压源连接。

7.如权利要求5所述的方法，进一步包含如下的步骤：

将第三电阻器与所述电流镜电路的输入连接，以将附加电流提供到所述电流镜电路的电流镜中；以及

选择所述第三电阻器的值，以确定特定的电压下降，从而确保在使所述第一晶体管与所述第二晶体管平衡时，在出现峰值之前，检测到峰值的输出是无效的。

8.一种传感器，配置成测量井下状况并输出表示所测量到的井下状况的信号，所述传感器包含：

峰值保持电路，其中，所述峰值保持电路包含：

长尾对电路；

校正电路；以及

电流镜电路，

其中，所述长尾对电路包含：

第一晶体管，被提供有输入信号；

第二晶体管，其中，所述第二晶体管的第二发射极与所述第一晶体管的第一发射极耦合；以及

第一电流源，与低电压源耦合，

其中，所述校正电路包含：

保持电容器，其保持保持电压；

运算放大器，其被供应有所述保持电压；以及

校正晶体管，进一步包含校正基极、校正集电极以及校正发射极，其中，所述校正集电极与所述保持电容器和所述运算放大器耦合，并且，所述校正发射极与高电压源耦合，

其中，所述电流镜电路包含：

第二电流源，包含第二输入、第二输出以及第二公共节点，其中，所述第二输入经由第一电阻器而与第三晶体管的第三发射极耦合，所述第二输出与所述第一晶体管的第一集电极耦合，并且，所述第二公共节点与所述高电压源耦合；以及

第三电流源，包含第三输入、第三输出以及第三公共节点，其中，所述第三输入经由第二电阻器而与所述第三晶体管的第三发射极耦合并经由第三电阻器而与地耦合，并且，所述第三输出与所述第二晶体管的第二集电极耦合，并且，所述第三公共节点与所述高电压源耦合。

9.如权利要求8所述的传感器，其中，所述第二电流源的所述第二输出和所述第一晶体管的所述第一集电极与所述校正晶体管的所述校正基极耦合。

10.如权利要求9所述的传感器，其中，所述校正晶体管的所述校正发射极经由第四电阻器而与小电压源耦合。

11.如权利要求10所述的传感器，其中，所述第一电流源是第一电流镜，其中，所述第一电流镜进一步包含：第一输入、第一输出以及第一公共节点，其中，所述第一输入与所述第三晶体管的所述集电极耦合，所述第一输出与所述第一及第二晶体管中的每个的所述发射极耦合，并且，所述第一公共节点与所述低电压源连接。

12.如权利要求11所述的传感器，其中，所述第一电流源的所述第一输入与第四晶体管的第四集电极耦合，并且，所述第四晶体管的第四发射极经由所述第一电阻器而与所述第二电流源的所述第二输入连接，并经由所述第二电阻器而与所述第三电流源的所述第三输入连接。