CN108073214A - 恒定电压发生装置及测定装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种恒定电压发生装置及测定装置，恒定电压发生装置为具备串联连接的多个恒定电压电路的恒定电压发生装置，各个恒定电压电路具有：正侧电源节点；负侧电源节点；以及控制部，将正侧电源节点和负侧电源节点间的电压控制为恒定电压，其中，前级的恒定电压电路的正侧电源节点与后级的恒定电压电路的负侧电源节点连接。恒定电压发生装置还可以具备使流通到多个恒定电压电路的电源电流恒定的恒定电流电路。

Description

恒定电压发生装置及测定装置

技术领域

本发明涉及恒定电压发生装置及测定装置。

背景技术

已知入射到晶体管等半导体元件的辐射线对半导体元件的工作带来影响(例如，参照专利文献1)。此外，已知使用了半导体元件的恒定电压发生装置。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2013-85272号公报

发明内容

技术问题

在像核电站等那样可能存在比自然辐射强的辐射的环境中，有时恒定电压发生装置的输出电压会发生变动。

技术方案

在本发明的第一形态中，提供一种具备串联连接的多个恒定电压电路的恒定电压发生装置。各个恒定电压电路可以具有：正侧电源节点；负侧电源节点；以及控制部，将正侧电源节点和负侧电源节点间的电压控制为恒定电压。前级的恒定电压电路的正侧电源节点可以与后级的恒定电压电路的负侧电源节点连接。

恒定电压发生装置还可以具备：恒定电流电路，使流通到多个恒定电压电路的电源电流恒定。各个恒定电压电路还可以具有设置在正侧电源节点和负侧电源节点之间的滤波电容器。

恒定电压发生装置还可以具备：共用电容器，设置在设置于最后级的恒定电压电路的正侧电源节点和设置于最前级的恒定电压电路的负侧电源节点之间。

各个恒定电压电路可以具有在正侧电源节点和负侧电源节点之间串联地设置的两个以上的分压电阻。前级的恒定电压电路中的分压电阻与后级的恒定电压电路中的分压电阻可以串联地连接。

控制部可以具有生成参考电压的参考电压生成部。控制部可以具有在正侧电源节点和负侧电源节点之间与分压电阻并联地设置的电流通路。控制部可以具有基于分压电阻分压而得到的电压与参考电压的比较结果控制流通到电流通路的电流量的电流量调整部。

各个控制部可以以使各个恒定电压电路的正侧电源节点和负侧电源节点之间的电压大致相等的方式控制各个恒定电压电路。各个控制部可以以使某一个恒定电压电路的正侧电源节点和负侧电源节点之间的电压与其他的任一恒定电压电路的正侧电源节点和负侧电源节点之间的电压不同的方式控制各个恒定电压电路。

各个恒定电压电路在以剂量成为2kGy以上的方式暴露在γ射线环境中的情况下，正侧电源节点和负侧电源节点之间的电压的变动为1％以下。

在本发明的第二形态中，提供一种测定装置，其具备第一形态的恒定电压发生装置，测定装置测定处于辐射环境的设施的物理量。测定装置可以具有将转换部、直流电源和接收电阻连接为环状而成的二线式电路。

上述发明的概要并未列举本发明的全部特征。这些特征组的子组合也可构成发明。

附图说明

图1A是将本发明的一个实施方式的恒定电压发生装置100的一例与负载200一同示出的电路图。

图1B是示出恒定电压发生装置100的其他例的图。

图2是说明利用一个恒定电压电路10生成所期望的电压的情况下的恒定电压电路10的工作例的图。

图3是说明利用三个恒定电压电路10生成所期望的电压的情况下的恒定电压电路10的工作例的图。

图4A是示出恒定电压发生装置100的其他例的图。

图4B是示出恒定电压发生装置100的其他例的图。

图5是示出测定装置300的例子的图。

具体实施方式

以下，通过发明的实施方式对本发明进行说明，但以下的实施方式并不限定权利要求书所涉及的发明。此外，在实施方式中说明的特征的全部组合不一定是发明的技术方案所必需的。

图1A是将本发明的一个实施方式的恒定电压发生装置100的一例与负载200一同示出的电路图。恒定电压发生装置100将预定的恒定电压施加到负载200。负载200例如为测定预定的物理量的测定电路，但是负载200的例子不限于此。

恒定电压发生装置100可用于处于辐射环境的设施中。辐射环境是指可能存在比自然辐射强的辐射的环境。处于辐射环境的设施例如为使用放射性物质的设施，更具体地为核电站等。此外，处于辐射环境的设施也可以是位于宇宙空间的设施。

恒定电压发生装置100具备串联连接的多个恒定电压电路10。本例的恒定电压发生装置100通过将多个恒定电压电路10串联地连接，来抑制由辐射的影响带来的输出电压的变动。图1A所示的恒定电压发生装置100具备串联地配置在预定的正电源端子(在本例中为被施加预定的正电源电压Vcc的端子)和预定的负电源端子(在本例中为连接于接地电位的端子)之间的第一恒定电压电路10-1、第二恒定电压电路10-2及第三恒定电压电路10-3。

各个恒定电压电路10具备：正侧电源节点14、负侧电源节点12和控制部20。控制部20将正侧电源节点14和负侧电源节点12之间的电压控制为恒定电压。在本例中，将正侧电源节点14处的电压称为输出电压Vo。

各个恒定电压电路10具有晶体管等半导体元件。例如，各个控制部20具有半导体元件。包含于恒定电压电路10的半导体元件的至少一个，其特性因受到辐射而发生变动。半导体元件可以由FET或双极型晶体管构成。

恒定电压电路10串联地连接是指前级的恒定电压电路10的正侧电源节点14连接于后级的恒定电压电路10的负侧电源节点12的状态。应予说明，将恒定电压发生装置100的负电源端子侧的恒定电压电路10作为前级，将正电源端子侧的恒定电压电路10作为后级。在本例中，在正电源端子Vcc与最后级的恒定电压电路10-3的正侧电源节点14之间设置限流电阻40。限流电阻40限制流通到恒定电压发生装置100的电源电流。限流电阻40也可以设置在恒定电压发生装置100的外部。

最后级的恒定电压电路10的输出电压Vo施加于负载200。最后级的恒定电压电路10是指最靠正电源端子侧的恒定电压电路10，在本例中为第三恒定电压电路10-3。

在本例的恒定电压发生装置100中，将多个恒定电压电路10串联地连接而生成施加于负载200的恒定电压Vo3。因此，能够将各个恒定电压电路10中的正侧电源节点14和负侧电源节点12之间的电压设置得比施加于负载200的恒定电压Vo3低。

如果半导体元件受到辐射，则由于电离效应而产生电子空穴对。电子和空穴由于电场而在半导体中漂移。如果由漂移的电子或空穴产生的电荷积累在半导体元件的预定区域，则半导体元件的特性发生变动。例如，如果电荷积累在FET的耗尽层或栅极绝缘膜，则FET的阈值电压发生变动或绝缘膜被破坏。

如果由于电离效应而产生的电子或空穴在到达半导体元件的预定区域之前，因再结合等而消失，则抑制该区域中的电荷的积累。由于电子或空穴以对应于电场强度的速度移动，所以如果在半导体元件的电极间施加高电压，则到达该区域的电荷变多，电荷容易被积累。

施加于半导体元件的电极间的电压依赖于恒定电压发生装置100的正侧电源节点14和负侧电源节点12之间的电压。因此，如果正侧电源节点14和负侧电源节点12之间的电压高，则半导体元件的特性变得容易变化。如果包含于控制部20的半导体元件的特性发生变化，则恒定电压发生装置100的输出电压会发生变动。

对于此，在恒定电压发生装置100中，通过将多个恒定电压电路10串联地连接，能够降低各个恒定电压电路10中的正侧电源节点14和负侧电源节点12之间的电压。因此，即使半导体元件受到辐射，也能够抑制半导体元件的特性的变化。因此，能够抑制恒定电压发生装置100所输出的电压的变动。

本例的恒定电压电路10具有串联地设置在正侧电源节点14和负侧电源节点12之间的两个以上的分压电阻。在图1A所示的例子中，各个恒定电压电路10具有分压电阻16和分压电阻18。分压电阻16和分压电阻18生成以电阻比将正侧电源节点14和负侧电源节点12之间的电压进行分压而得到的电压Vd。应予说明，前级的恒定电压电路10中的分压电阻(16、18)与后级的恒定电压电路10中的分压电阻(16、18)串联连接。

控制部20基于分压而得到的电压Vd，将正侧电源节点14和负侧电源节点12之间的电压控制为恒定电压。作为一例，控制部20通过根据电压Vd控制流通到设置在正侧电源节点14和负侧电源节点12之间的电流通路28的电流，来将正侧电源节点14和负侧电源节点12之间的电压控制为恒定电压。

本例的控制部20具有参考电压生成部26、电流量调整部22、电流通路28和晶体管24。参考电压生成部26生成参考电压Vref。参考电压Vref是根据恒定电压电路10所应该生成的输出电压而设定。本例的参考电压生成部26具有齐纳二极管。参考电压生成部26将齐纳二极管的正向电压用作参考电压Vref。

电流通路28在正侧电源节点14和负侧电源节点12之间与分压电阻(16、18)并联地设置。晶体管24设置于电流通路28，并根据施加于基极端子的电压来调整流通到电流通路28的电流量。在本例中，晶体管24为双极型晶体管，但也可以为FET等。

电流量调整部22基于分压电阻(16、18)分压而得到的电压Vd和参考电压Vref之间的比较结果，来控制流通到电流通路28的电流量。本例的电流量调整部22将与分压而得到的电压Vd和参考电压Vref的差对应的电压施加到晶体管24的基极端子。电流量调整部22可以是从正侧电源节点14和负侧电源节点12接收驱动电压，并输出与分压而得到的电压Vd和参考电压Vref的差对应的电压的差分放大器。电流量调整部22可以包括因受到辐射而特性可能发生变化的半导体元件。该半导体元件被施加与正侧电源节点14和负侧电源节点12之间的电压对应的电压。在本例中，由于将多个恒定电压电路10串联连接，所以能够降低施加于电流量调整部22所包括的半导体元件的电压。

通过这样的结构，控制部20将正侧电源节点14和负侧电源节点12之间的电压控制为恒定。本例的控制部20和分压电阻(16、18)作为并联稳压器而发挥功能，但是恒定电压电路10的结构并不限于此。

此外，各个恒定电压电路10还可以具备设置在正侧电源节点14和负侧电源节点12之间的滤波电容器30。在本例中，由于恒定电压电路10串联连接，所以如果在某一个恒定电压电路10的输出电压Vo产生振荡等，则也会给其他恒定电压电路10的输出电压Vo带来影响。通过在各个恒定电压电路10设置滤波电容器30，能够使各个恒定电压电路10的输出电压Vo稳定，能够容易地使恒定电压发生装置100整体的工作稳定。应予说明，在图1A中，虽然最前级的恒定电压电路10-1的滤波电容器30和电流通路28连接于接地电位，但与连接于负侧电源节点12是等价的。

图1B是示出恒定电压发生装置100的其他例的图。本例的恒定电压发生装置100是在图1A所示的恒定电压发生装置100的结构中，代替限流电阻40而具备恒定电流电路50，除此之外的结构与图1A所示的恒定电压发生装置100相同。恒定电流电路50也可以设置在恒定电压发生装置100的外部。

恒定电流电路50设置在最后级的恒定电压电路10-3的正侧电源节点14和正电源端子Vcc之间。恒定电流电路50使从正电源端子Vcc流通到正侧电源节点14的电流量恒定，使流通到多个恒定电压电路10的电源电流恒定。

本例的恒定电流电路50具有结型FET 52和电阻54。结型FET 52的漏极端子连接于正电源端子Vcc，源极端子经由电阻54连接于最后级的恒定电压电路10-3的正侧电源节点14。此外，结型FET 52的栅极端子连接于最后级的恒定电压电路10-3的正侧电源节点14，在电阻54上的电压降部分作为栅极-源极间电压：Vgs而起作用。由此，能够使结型FET 52的漏极电流恒定。

如果结型FET 52的漏极电流增大，则在电阻54上的电压降增大。由此，结型FET 52的栅极-源极间电压变动，漏极电流减小。通过这样的工作，恒定电流电路50能够将漏极电流控制为恒定。

根据恒定电压发生装置100的用途，有时要求即使外部电源的电压变动，也将恒定电压发生装置100的消耗电流维持在恒定。通过设置恒定电流电路50，在外部的电源电压Vcc发生变动的情况下，也能够将从外部电源流通到恒定电压发生装置100的消耗电流维持在恒定。

图2是说明一个恒定电压电路10的工作例的图。图2示出了将恒定电压电路10以剂量率1kGy/h暴露在γ射线环境中时的输出电压Vo相对于剂量的变动。在本例中，说明恒定电压电路10的输出电压Vo(即，正侧电源节点14和负侧电源节点12之间的电压)的设定不同的两种恒定电压电路10的工作。输出电压Vo的设定可以通过分压电阻的电阻比或参考电压等来调整。在本例中，一个恒定电压电路10的输出电压Vo为6.4V，另一个恒定电压电路10的输出电压Vo为2.1V。

在输出电压Vo被设定为6.4V的恒定电压电路10中，在剂量超过1.7kGy左右，输出电压Vo大幅变动。与此相对，输出电压Vo被设定为2.1V的恒定电压电路10即使剂量增大输出电压也没有发生变动。应予说明，即使超过图2所示的范围而剂量为2kGy以上，输出电压Vo被设定为2.1V的恒定电压电路10的输出电压的变动也为1％以下，进一步地即使剂量增加到50kGy，变动也为1％以下。

如上所述，在输出电压Vo被设定为6.4V的恒定电压电路10中，恒定电压电路10所包含的半导体元件被施加高电场。因此，响应于受到辐射而生成的电子或空穴容易到达耗尽层或栅极绝缘膜等预定区域，电荷容易积累在该区域。因此，如果超过一定的剂量，半导体元件的特性会发生变动。

与此相对，在输出电压Vo被设定为2.1V的恒定电压电路10中，施加于半导体元件的电场低，响应于受到辐射而生成的电子或空穴难以到达耗尽层或栅极绝缘膜等预定区域。因此，抑制电荷在该区域积累，抑制半导体元件的特性的变动。

图3是说明串联连接的三个恒定电压电路10的工作例的图。图3也与图2相同，示出了将恒定电压电路10以剂量率1kGy/h暴露在γ射线环境中时的输出电压Vo相对于剂量的变动。在图3中，将第一级的恒定电压电路10的输出电压设为Vo1，将第二级的恒定电压电路10的输出电压设为Vo2，将第三级的恒定电压电路10的输出电压设为Vo3。应予说明，各个恒定电压电路10的负侧电源节点12被施加前级的恒定电压电路10的输出电压。因此，第二级的恒定电压电路10的正侧电源节点14和负侧电源节点12之间的电压为Vo2-Vo1，第三级的恒定电压电路10的正侧电源节点14和负侧电源节点12之间的电压为Vo3-Vo2。

本例中的各个控制部20以使各个恒定电压电路10的正侧电源节点14和负侧电源节点12之间的施加电压大致相等的方式控制各个恒定电压电路10。在本例中，“电压大致相等”是指在不是辐射环境的情况下的稳态下的电压之差为5％以下。由此，能够使一个恒定电压电路10的该施加电压最小。

在图3的例子中，输出电压Vo3为6.4V左右。即使将输出电压Vo3设定为6.4V左右，由于将三个恒定电压电路10串联连接，所以能够降低各个恒定电压电路10所负担的电压。在本例中，各个恒定电压电路10所负担的电压为2.1V左右。因此，即使对于恒定电压电路10的剂量增大，也能够抑制恒定电压电路10的输出电压的变动。

优选地，各个恒定电压电路10在以剂量成为2kGy以上的方式暴露在γ射线环境中的情况下，以使正侧电源节点14和负侧电源节点12之间的电压变动为1％以下的方式设定正侧电源节点14和负侧电源节点12之间的电压。正侧电源节点14和负侧电源节点12之间的电压变动也可以在剂量为2kGy以上且50kGy以下的范围为1％以下。

此外，各个恒定电压电路10也可以在以剂量率1kGy/h暴露在γ射线环境中2个小时以上的情况下，以使正侧电源节点14和负侧电源节点12之间的电压变动为1％以下的方式设定正侧电源节点14和负侧电源节点12之间的电压。正侧电源节点14和负侧电源节点12之间的电压变动也可以在暴露时间为2个小时以上且50个小时以下的范围为1％以下。

在恒定电压电路10所包含的半导体元件施加即使暴露在上述剂量的条件下特性也不发生变动的程度的电场。施加于半导体元件的电场由恒定电压电路10的正侧电源节点14和负侧电源节点12之间的施加电压来确定。各个恒定电压电路10的该施加电压可以通过恒定电压电路10的级数来调整。即，恒定电压发生装置100具备能够满足上述特性的级数的恒定电压电路10。

各个控制部20可以以使某一个恒定电压电路10的正侧电源节点14和负侧电源节点12之间的施加电压与其他的任一恒定电压电路10的该施加电压不同的方式，控制各个恒定电压电路10。例如，某一个恒定电压电路10的该施加电压可以是其他的任一恒定电压电路10的该施加电压的1.2倍以上，也可以是其他的任一恒定电压电路10的该施加电压的1.5倍以上。

其中，即使在上述条件下暴露在辐射中，也以使各个恒定电压电路10的输出电压的变动为1％以下的方式设定各个恒定电压电路10的该施加电压。由此，能够提高各个输出电压Vo的设定的自由度。在图1A和图1B的例子中，仅将最后级的恒定电压电路10的输出电压Vo3输出到外部，但是，在其他例子中，可以将两个以上的恒定电压电路10的输出电压输出到外部。

图4A是示出恒定电压发生装置100的其他例的图。本例的恒定电压发生装置100与图1A所示的恒定电压发生装置100的结构相比，还具备共用电容器60。共用电容器60设置在设置于最后级的恒定电压电路10的正侧电源节点14与设置于最前级的恒定电压电路10的负侧电源节点12之间。即，共用电容器60与负载200并联地设置。图4B是示出恒定电压发生装置100的其他例的图。本例的恒定电压发生装置100与图1B所示的恒定电压发生装置100的结构相比，还具备共用电容器60。

通过设置共用电容器60能够使施加到负载200的输出电压进一步平滑。共用电容器60的电容可以与滤波电容器30的电容相同。

图5是示出测定装置300的例子的图。测定装置300具备转换部310、接收电阻320和直流电源330。测定装置300测定处于辐射环境的设施的物理量。物理量可以是电压等电气物理量，也可以是压力等非电气物理量。

本例的测定装置300具有将转换部310、接收电阻320和直流电源330设置为环状而成的二线式电路。转换部310生成与测定对象的物理量对应的电流信号而在环路流通。在图1A～图4B中说明的负载200可以是测定该物理量的传感器。接收电阻320为接收该电流信号的接收设备的输入电阻。

在转换部310中设置有在图1A～图4B中说明的任一恒定电压发生装置100。转换部310基于恒定电压发生装置100生成的恒定电压进行工作。

在测定装置300中，在测定对象的物理量的值为0％时，流通的电流信号的电流值比0A大。例如，在测定对象的物理量的值在0％～100％变动的情况下，电流信号的电流值在4mA～20mA的范围变动。测定对象的物理量的值为0％时的4mA的电流成为用于驱动转换部310的驱动电流。由于是始终流通至少4mA以上的电流的构成，所以能够识别断线等设备异常。

因此，转换部310所使用的恒定电压发生装置100被要求在例如4mA以下的恒定电流下工作。这在直流电源330的电压值变动的情况下也同样。

恒定电压发生装置100通过设置恒定电流电路50，即使在从直流电源330施加的电源电压Vcc发生变动的情况下，也能够使恒定电压发生装置100消耗的消耗电流恒定。

根据以上说明的恒定电压发生装置100，通过将恒定电压电路10串联地连接多个，能够降低各个恒定电压电路10所生成的电压。由此，在恒定电压电路10所包含的半导体元件中，能够抑制由受到辐射而引起的特性的变动。因此，在恒定电压发生装置100中，即使不使用辐射衰减材料等，也能够容易地兼顾高输出电压的生成和抗辐射性。此外，通过设置恒定电流电路50，即使在电源电压发生变动的情况下，也能够以恒定的消耗电流工作。

以上，利用实施方式对本发明进行了说明，但是本发明的技术范围并不限于上述实施方式所记载的范围。可以对上述实施方式进行各种变更或改进对本领域技术人员来说是显而易见的。根据权利要求书的记载，进行了那样的变更或改进的方式显然也可以包括在本发明的技术范围内。

Claims (11)

1.一种恒定电压发生装置，其特征在于，具备串联连接的多个恒定电压电路，各个恒定电压电路具有：

正侧电源节点；

负侧电源节点；以及

控制部，将所述正侧电源节点与所述负侧电源节点间的电压控制为恒定电压，

其中，前级的所述恒定电压电路的所述正侧电源节点与后级的所述恒定电压电路的所述负侧电源节点连接。

2.根据权利要求1所述的恒定电压发生装置，其特征在于，所述恒定电压发生装置还具备：

恒定电流电路，使流通到所述多个恒定电压电路的电源电流恒定。

3.根据权利要求1或2所述的恒定电压发生装置，其特征在于，

各个所述恒定电压电路还具有设置在所述正侧电源节点与所述负侧电源节点之间的滤波电容器。

4.根据权利要求3所述的恒定电压发生装置，其特征在于，所述恒定电压发生装置还具备：

共用电容器，设置在设置于最后级的所述恒定电压电路的所述正侧电源节点与设置于最前级的所述恒定电压电路的所述负侧电源节点之间。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的恒定电压发生装置，其特征在于，

各个所述恒定电压电路具有在所述正侧电源节点与所述负侧电源节点之间串联地设置的两个以上的分压电阻，

前级的所述恒定电压电路中的所述分压电阻与后级的所述恒定电压电路中的所述分压电阻串联地连接。

6.根据权利要求5所述的恒定电压发生装置，其特征在于，

所述控制部具有：

参考电压生成部，生成参考电压；

电流通路，在所述正侧电源节点和所述负侧电源节点之间与所述分压电阻并联地设置；以及

电流量调整部，基于所述分压电阻分压而得到的电压与所述参考电压的比较结果控制流通到所述电流通路的电流量。

7.根据权利要求1～6中任一项所述的恒定电压发生装置，其特征在于，

各个所述控制部以使各个所述恒定电压电路的所述正侧电源节点与所述负侧电源节点之间的电压大致相等的方式控制各个所述恒定电压电路。

8.根据权利要求1～6中任一项所述的恒定电压发生装置，其特征在于，

各个所述控制部以使某一个所述恒定电压电路的所述正侧电源节点与所述负侧电源节点之间的电压与其他的任一所述恒定电压电路的所述正侧电源节点与所述负侧电源节点之间的电压不同的方式控制各个所述恒定电压电路。

9.根据权利要求1～8中任一项所述的恒定电压发生装置，其特征在于，

各个所述恒定电压电路在以剂量成为2kGy以上的方式暴露在γ射线环境中的情况下，所述正侧电源节点与所述负侧电源节点之间的电压的变动为1％以下。

10.一种测定装置，其特征在于，具备权利要求1～9中任一项所述的恒定电压发生装置，所述测定装置测定处于辐射环境的设施的物理量。

11.根据权利要求10所述的测定装置，其特征在于，

所述测定装置具有将转换部、直流电源和接收电阻连接为环状而成的二线式电路。