高温NMR测井仪器发射机电路设计与研究

摘要

随着易开采石油资源的减少，深层高温井的数量越来越多。大多数集成电路芯片最高工作温度为125℃，很难满足200℃高温油井的开采需求。本文对高温核磁共振NMR测井仪器的发射机电路进行了设计和研究，从硬件电路和功能上，将发射机电路划分为脉冲序列发生器电路和功率放大器电路两部分。为了能够使其可靠的工作在高温200℃下，分别从电路设计和热设计两个方面，提出了解决方案，并通过软件仿真和高温实验来验证方案的可行性。 高温脉冲序列发生器应用系统级封装SiP技术来提高硬件平台的耐温等级，将DSP、FPGA、ADC等晶圆封装到一个SiP器件中，由于SiP器件的低功耗和低热阻等特点，保证了其在高温200℃下的可靠性。通过建立SiP器件的COMSOL热模型，分析封装尺寸、封装材料以及功耗对SiP器件热性能的影响，设计出最佳封装参数。依托SiP硬件平台，设计了脉冲序列发生器的逻辑结构以及程序，包括DSP程序设计和FPGA逻辑设计，并通过ModelSim对脉冲序列进行程序仿真分析。高温功率放大器电路设计主要包括死区时间调节电路、半桥驱动电路、隔离电路以及天线驱动电路的设计。功率放大电路热设计主要讨论了放大器热结构设计和散热器热设计两部分，建立了功率放大器的COMSOL热模型，详细分析了散热器参数对功率放大器散热的影响，设计出最佳放大器结构和散热器方案。 环境温度为200℃时，热仿真结果表明，脉冲序列发生器SiP器件的最大结温不超过211℃，功率放大器的最高温度温度不超过213℃。高温实验结果表明，脉冲序列Q1-Q8信号的眼图Q因子不小于15，误码率不超过10-50；MOSFET开关频率达500kHz~1MHz，上升/下降时间少于50ns；在环境温度200℃条件下，NMR发射机电路能够稳定的工作4个小时以上。

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摘 要

Abstract

目 录

1 绪论

1.1 研究背景和意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究意义

1.2 课题来源

1.3 国内外研究现状

1.3.1 脉冲序列发生器

1.3.2 高温功率放大器

1.4 论文主要内容

2 NMR测井仪原理与高温电路实现方法

2.1 NMR测井仪系统结构

2.2 NMR测井仪原理简介

2.2.1 极化原子核

2.2.2 磁化矢量扳转

2.2.3 自旋回波检测

2.3 高温NMR电路实现方法

2.3.1 高温器件选择

2.3.2 SiP封装技术

2.3.3 热设计基本理论

2.4 本章小结

3 高温脉冲序列发生器硬件设计

3.1 脉冲序列发生器系统结构

3.2 SiP器件热仿真

3.2.1 几何模型建立

3.2.2 材料和边界条件

3.2.3 有限元网格剖分

3.2.4 仿真结果分析

3.3 SiP器件热性能分析

3.3.1 封装尺寸

3.3.2 封装基板材料

3.3.3 封装基板厚度

3.3.4 器件热耗散量

3.4 本章小结

4 高温脉冲序列发生器程序设计

4.1 脉冲序列介绍

4.1.1 CPMG序列

4.1.2 反转恢复序列

4.1.3 受激回波序列

4.2 脉冲序列发生器程序设计

4.2.1 逻辑结构设计

4.2.2 DSP程序设计

4.2.3 FPGA逻辑设计

4.3 脉冲序列仿真分析

4.3.1 CPMG脉冲序列仿真

4.3.2 其他脉冲序列仿真

4.3.3 综合和时序约束

4.4 本章小结

5 高温功率放大电路设计

5.1 功率放大电路系统结构

5.2 功率放大电路设计

5.2.1 死区时间调节电路

5.2.2 半桥驱动电路

5.2.3 隔离电路

5.2.4 天线驱动电路

5.3 功率放大电路热设计

5.3.1 热结构设计

5.3.2 散热器设计

5.3.3 热仿真分析

5.4 本章小结

6 实验结果与分析

6.1 脉冲序列发生器

6.1.1 脉冲序列发生器高温实验平台

6.1.2 脉冲序列性能测试

6.1.3 脉冲序列眼图测试

6.2 高温功率放大器

6.2.1 功率放大器高温实验平台

6.2.2 功率放大电路性能测试

6.3 测井仪器实际测试

6.4 本章小结

7 总结与展望

7.1 全文总结

7.2 课题展望

致 谢

参考文献

附录 硕士期间发表的论文