CN110828265A - 电源电路及场致发射电子源 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种电源电路及场致发射电子源，该电源电路包括：经由漏极和源极依次串联连接的场效应晶体管S_i，1≤i≤n，i、n为自然数，n≥2，S₁的源极与电压源的负极连接，S_n的漏极作为电源电路的输出端，用于连接负载；串联连接的第一组二极管D_1i，1≤i≤n，i、n为自然数，n≥2；并联连接的第一组电阻R_1j，2≤j≤n，其中i、j为自然数；以及电流反馈模块，调整依次串联连接的场效应晶体管S_i，1≤i≤n的内阻，以使通过负载的电流恒定。其中场效应晶体管S_i，1≤i≤n工作在恒流区。

Description

电源电路及场致发射电子源

技术领域

本公开涉及电子源发射技术领域，更具体地，涉及一种电源电路及应用该电源电路的场致发射电子源。

背景技术

电源电路的性能对电子设备的性能至关重要。例如，在场致发射电子源产品中，当施加到场致发射电子源回路的电流发生变化时，将导致场致发射电子源性能下降。

在固体中含有大量的电子，这些电子由于受到原子核的吸引而被束缚在固体内部，在常态下这些电子所具有的能量都不足以逸出物体表面，只有在一定的外界能量作用下或通过消除电子束缚的方法，才能使电子从固体内部通过表面向真空逸出。我们称能在真空中定向产生大量电子的系统为电子源。一种方法是依靠外部电场压抑材料的表面势垒，使势垒降低、变窄，当势垒的宽度窄到可与电子波长相比拟时，电子的隧道效应开始起作用，自由电子就可以顺利穿透表面势垒进入真空中。这种利用外界强电场，把电子拉出固体表面的现象就是场致发射现象，这种类型的电子源称为场发射电子源。研究表明，当外电场场强达到10的6次方时，已经有很明显的电子发射现象了。场致电子发射不存在时间延迟性，响应速度达到微秒级，即场致发射电子源可以实现瞬时性启动和关闭。

因此，要求应用于对场致发射电子源的电路能够保持稳定的电流并且能够瞬时响应。

发明内容

为了至少部分地解决上述技术问题，本公开提出了一种电源电路及应用该电源电路的场致发射电子源。

根据本公开的一方面，一种电源电路，包括：经由漏极和源极依次串联连接的场效应晶体管S_i，1≤i≤n，i、n为自然数，n≥2，其中S₁的源极与电压源的负极连接，S_n的漏极作为电源电路的输出端，用于连接负载；串联连接的第一组二极管D_1i，1≤i≤n，i、n为自然数，n≥2，其中D₁₁并联连接在S₂的栅极与所述电压源的负极之间，D_1n并联连接在S_n的栅极与S_n的漏极之间，当n>2时，其余的D_1i并联连接在S_i的栅极与S_i+1的栅极之间；第一组电阻R_1j，2≤j≤n，其中R_1j并联连接S_i的栅极和源极，其中j与i的取值相对应；i、j为自然数；以及电流反馈模块，调整所述依次串联连接的场效应晶体管S_i，1≤i≤n的内阻，以使通过负载的电流恒定；其中，所述场效应晶体管S_i，1≤i≤n工作在恒流区。

在一些实施例中，场效应晶体管S₁为N沟道增强型场效应管，场效应晶体管S_i，2≤i≤n为N沟道耗尽型场效应管。

在一些实施例中，所述电流反馈模块包括：检测单元，与连接到所述电源电路的输出端的负载串联连接，以检测通过负载的电流；以及控制信号生成单元，根据通过负载的电流生成控制信号，并将所述控制信号施加在场效应晶体管S₁的栅极上。

在一些实施例中，所述控制信号生成单元被配置为：将通过负载的电流与电流设定值进行比较；当通过负载的电流小于所述电流设定值时，增加S₁的栅极电压；当通过负载的电流大于所述电流设定值时，减小S₁的栅极电压。

在一些实施例中，所述检测单元包括电阻元件、电感元件或霍尔传感器元件。

在一些实施例中，所述控制信号生成单元包括运算放大器、微控制器、FPGA或单片机。

在一些实施例中，所述电源电路被构造为利用串联连接的电阻和电容的并联结构替代所述串联连接的第一组二极管D_1i，1≤i≤n，i、n为自然数，n≥2。

在一些实施例中，并联连接的第二组二极管D_2k，2≤k≤n，其中D_2k的阳极与S_i的栅极连接，D_2k的阴极与S_i的源极连接，其中k与i的取值相对应，k、n为自然数。

在一些实施例中，还包括：第三组二极管，所述第三组二极管的阴极与场效应晶体管S_n的漏极连接，所述第三组二极管的阳极与第二电阻的一端连接；第二电阻，所述第二电阻的另一端与地连接。

根据本公开的另一方面，提供了一种多点场致发射电子源，包括：至少一个根据上述实施例所述的电源电路；以及栅极组件和至少一个阴极，所述栅极组件与所述电源电路中的电压源的正极连接，且所述电压源的正极与地连接，所述至少一个阴极与至少一个电源电路一一对应，且所述至少一个阴极与所述至少一个电源电路的输出端连接，所述多个阴极与所述栅极组件平行布置，在每个所述阴极与所述栅极组件之间形成场致发射电场。

根据公开实施例的技术方案，提供了一种电源电路，其中通过场效应管级联方式，解决了单个场效应管耐压不足的技术瓶颈，大大降低了对各级场效应管的耐压需求，提高了电路工作可靠性，也拓宽了场效应管选型范围，同时也降低了场致发射源控制电路成本。

附图说明

通过下面结合附图说明本公开实施例，将使本公开实施例的上述及其它目的、特征和优点更加清楚。应注意，贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在附图中：

图1示出了根据本公开实施例的电源电路的电路图；

图2示出了根据本公开实施例的单通道场致发射电子源的电路图；以及

图3示出了根据本公开实施例的多点场致发射电子源的电路图。

具体实施方式

为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部。基于所描述的本公开实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下获得的所有其他实施例都属于本公开保护的范围。在以下描述中，一些具体实施例仅用于描述目的，而不应该理解为对本公开有任何限制，而只是本公开实施例的示例。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。应注意，图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。

除非另外定义，本公开实施例使用的技术术语或科学术语应当是本领域技术人员所理解的通常意义。本公开实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似词语并不表示任何顺序、数量或重要性，而只是用于区分不同的组成部分。

此外，在本公开实施例的描述中，术语“连接至”或“相连”可以是指两个组件直接连接，也可以是指两个组件之间经由一个或多个其他组件相连。此外，这两个组件可以通过有线或无线方式相连或相耦合。

现有的已经开发的场致发射X射线源采用场致发射电子源，通过场致电子发射的方式产生电子束，包括产生电子束的部分(称为阴极)和产生控制电场的部分。固体发生场致发射需要很强的电场，这也是场发射阴极的必备要素，通过对阴极材料的改进，场致发射电压阈值大大降低，达到了每微米数伏(V/um)的水平，因此场致发射电子源的栅极控制电压与阴栅的间距直接相关，不同的工艺方法可能控制在几十微米(um)到毫米(mm)量级，因此场致发射电子源的工作电压在几千伏(kV)。

本公开的实施例首先提出了一种电源电路，可以作为上述场致发射电子源所需的电源使用。但应理解，本公开实施例中的电源电路也可以应用于其他场合，例如电真空领域。

图1示出了根据本公开实施例的电源电路的电路图，如图1所示，根据本公开实施例的电源电路主要包括经由漏极和源极依次串联连接的场效应晶体管S_i，1≤i≤n，n≥2，其中i、n为自然数。在图1中，S₁的源极与电压源的负极连接，电压源的正极作为电源电路的一个输出端，S₁的漏极与S₂的源极连接，S₂的漏极连接S₃的源极，依次类推，S_n-1的漏极连接S_n的源极，S_n的漏极作为电源电路的另一个输出端，可以在电源电路的两个输出端之间连接负载。

如图1所示，电源电路还包括串联连接的二极管(第一组二极管)D_1i，1≤i≤n，n≥2，其中i、n为自然数。在图1中可以看出，二极管D₁₁并联连接在S₂的栅极与电压源的负极之间，D_1n并联连接在S_n的栅极与S_n的漏极之间，当n>2时，其余的D_1i并联连接在S_i的栅极与S_i+1的栅极之间。例如，二极管D₁₂并联连接在S₂的栅极与S₃的栅极之间，二极管D₁₃并联连接在S₃的栅极与S₄的栅极之间，依次类推。

如图1所示，电源电路还包括电流反馈模块，电流反馈模块的一端与S₁的源极连接，其另一端与电压源的负极连接，从而对负载所在回路的电流进行检测，电流反馈模块输出的控制信号施加在S₁的栅极。电流反馈模块可以调整依次串联连接的场效应晶体管S_i，1≤i≤n的内阻，以使通过负载的电流恒定。

根据本公开的实施例，电源电路还可以包括并联连接的二极管(第二组二极管)D_2k和电阻(第一组电阻)R_1j，2≤k≤n，2≤j≤n，其中k、j和n均为大于等于2的自然数。二极管(第二组二极管)D_2k包括在虚线框中，表示该是可选元件。

在图1中可以看出，k与j的取值相对应，对应的二极管D_2k与电阻R_1j并联连接，再整体并联连接在场效应管S_i的栅极和源极之间，其中二极管D_2k的阳极与场效应管S_i的栅极连接，二极管D_2k的阴极与场效应管S_i的源极连接。例如，二极管D₂₂和电阻R₁₂并联连接在S₂的栅极和源极之间，且D₂₂的阳极与S₂的栅极连接，D₂₂的阴极与S₂的源极连接，依次类推。

根据本公开的实施例，电流反馈模块可以进一步包括检测单元和控制信号生成单元，其中检测单元与连接到电源电路的输出端的负载串联连接，以检测通过负载的电流。控制信号生成单元根据通过负载的电流生成控制信号，并将控制信号施加在场效应晶体管S₁的栅极上，经由串联连接的场效应管S_i，2≤i≤n来调节通过负载的电流，后面将结合具体的示例详细说明。

检测单元可以是电阻元件、电感元件或霍尔传感器元件，本公开的实施例不限于此。控制信号生成单元可以是运算放大器、微控制器、FPGA或单片机，本公开的实施例不限于此。

根据本公开的实施例，控制信号生成单元被配置为将通过负载的电流与电流设定值进行比较，并且当通过负载的电流小于电流设定值时，增加S₁的栅极电压，当通过负载的电流大于电流设定值时，减小S₁的栅极电压。

根据本公开的实施例，场效应晶体管S₁为N沟道增强型场效应管，场效应晶体管S_i，2≤i≤n为N沟道耗尽型场效应管。并且，所有场效应晶体管S_i，1≤i≤n均主要工作在恒流区。

在本公开的实施例中，通过利用工作在恒流区的串联连接的场效应管对电流的反馈调节，实现了电源电路输出电流的恒定，并同时提供高压与快速响应。

下面结合具体的示例更详细地对该电源电路进行说明。

图2示出了根据本公开实施例的单通道场致发射电子源的电路图。如图2所示，电路包括依次串联的n个场效应管S₁，S₂，…，S_n。其中S₁为N沟道增强型场效应管，S₂至S_n为N沟道耗尽型场效应管。D₁₁，D₁₂，…，D_1n是瞬态抑制二极管(TVS管)或稳压管。D₂₂，…，D_2n是齐纳二极管(或稳压管)。D₃是高压二极管。R₂的泄放电阻(第二电阻)，R₃是电流检测电阻，R₁₂，…，R_1n是常规电阻。U₁是运算放大器。电压源是负高压源-HV，其负极输出负高压，其正极与地连接。

电流检测电阻R₃一端与负高压源-HV负端相连，场效应管S₁的源极与电流检测电阻R₃另一端相连，S₁的漏极与S₂的源极相连，S₂的漏极与S₃的源极相连，…，Sn的漏极作为电源电路的输出，与场致发射电子源的阴极相连。稳压管D₂₂阳极连接S₂栅极，D₂₂阴极连接S₂源极，R₁₂并联在D₂₂两端，构成的并联网络保护S₂的栅源电压Ugs不超过场效应管栅源极电压限制。D₂₃和R₁₃的并联网络连接在S₃的栅极源极之间，以此类推，D_2n和R_1n的并联网络连接在S_n的栅极源极之间。

D₁₁阳极与负高压源-HV的负极相连，D₁₁阴极与S₂的栅极相连。D_1n阳极与S_n的栅极连接，D_1n阴极与场致发射电子源阴极连接。当n≥2时，D₁₂的阳极与S₂的栅极相连，D₁₂的阴极与S₃的栅极相连，D₁₃，…，D_1n-1采用类似上述D₁₂与S₂和S₃连接的方式分别与场效应管S₂，…，S_n一一对应连接。

电阻R₂一端连接地GND，另一端连接二极管D₃的阳极，D₃的阴极与场致发射电子源阴极连接。其作用是当场致发射电子源不工作时，如果场致发射电子源阴极积累了电荷，通过D₃和R₂构建的回路泄放场致发射电子源阴极积累的电荷。

将增强型场效应管S₁的源极与漏极之间等效内阻记为R_s1，耗尽型场效应管S₂～S_n的源极与漏极之间等效内阻记为R_s2～R_sn，场致发射电子源的等效电阻记为R_x，-HV的电位为Vh，GND的电位为0V。(-HV和GND在实际应用过程中不局限于某个特定电位)利用与场致发射电子源串联连接的电流检测电阻R₃反馈流经场致发射电子源的电流，该检测电流流经检测电阻R₃，将反馈的电压Vtest施加到运算放大器的反相输入端，在运算放大器的同相输入端施加有根据电流设定值预置的电压Vset。可以将预置的电压Vset设置为0，可以使各场效应管处于夹断区，电路处于不工作状态。

在电路处于初始状态时，Vset设置电压为0V，因运算放大器作用，S₁栅源极电位差趋近0V，S₁为N沟道增强型场效管，其夹断电压为正值，故S₁处于夹断区；S₂至S_n为N沟道耗尽型场效应，其夹断电压为负值，在R₂、D₃、S_n的漏极、S_n的源极、……、S₂的漏极、S₂的源极，R₁₂、D₂₂和D₁₁构建的回路中，因R₁₂和D₂₂的作用S₂的源极电位略高于S₂的栅极电位，S₂的源极与漏极之间等效内阻R_s2阻值非常大，以此类推，在R₂、D₃、S_n的漏极、S_n的源极、……、S_i的漏极、S_i的源极，R_1i、D_2i和D_1i-1～D₁₁构建的回路中，因R_1i和D_2i的作用S_i的源极电位略高于S_i的栅极电位，S_i的源极与漏极之间等效内阻R_si阻值非常大，2≤i≤n，i为自然数且n为大于等于2的自然数。在R₂、D₃和S_n～S₁构建的回路中，此时R_s1～R_sn的电阻值之和远大于R₂(R₂达到MΩ级，且与场致发射电子源并联)，则S₁～S_n分得的电压差约等于Vh。D₁₁，D₁₂，…，D_1n的累计击穿电压接近Vh值，此种情况下，在R₂、D₃、D_1n～D₁₁构建的回路中，D_1n～D₁₁按照各自电压特性分摊了Vh的电压，此时Sn的漏极和源极之间电压差也近似等于D_1n阴极和阳极之间的电压差(因R_1n和D_2n的存在，S_n的源极电位比栅极电位略高几伏特)。故每个场效应管漏极与源极之间承受的最大电压值由其对应TVS管电气特性决定。均衡每个场效应管漏源极电压的电路有很多并不局限于采用TVS管，可以采用稳压管实现，也可以采用电阻和电容并联的方式实现。

当Vset大于Vtest时，因运算放大器作用，S₁的栅极电压逐渐上升，电路开始工作，S₁工作在恒流区，R_s1变小。串联的耗尽型场效应管电路S₂至S_n承担的电压能够根据S₁漏极和源极之间电压的变化自动调节，不需要额外控制。

将S₂源极电位记为Vs，S₂漏极电位记为Vd。当R_s1变小时，Vs变小，此时在D₂₂、R₁₂、S₁漏极、S₁源极、R₃和D₁₁构成的电路网络中，R₁₂和D₂₂两端的电位差变小(即S₂的源极电位与栅极电位的差值变小)，随之S₂的源极与漏极等效电阻R_s2变小，Vd跟随变小。同理，串联的N沟道耗尽型场效应管S₃、……、S_n逐级进行类似调节，S_n漏极电位变小(R_s3～R_sn的阻值也随之变小)，即场致发射电子源阴极电位变小，场致发射电子源阴极与栅极之间的电压差变大。当场致发射电子源阴极与栅极的电位差大于场致发射临界值时，阴极发射电子，电路中产生电流。

记I为通过R₃的电流，当R_s1、R_s2～R_sn的阻值累加之和与Rx阻值处在相近的数量级时，则有：

I≈Vh/(Rx+R_s1+R_s2+…+R_sn+R₃)。

当场致发射电子源等效电阻Rx变化时，场效应管S_n漏极源极电压Vds发生变化，通过R_1n和D_2n组成的反馈网络，S_n栅极与源极的电压差发生变化，从而场效应管S_n的内阻R_sn也随之变化。这个自适应过程保证了当Rx发生变化时，(Rx+R_s1+R_s2+…+R_sn+R₃)总值不变，从而实现电路的恒流功能。

在本公开的实施例中，场效应管S₂至S_n优选采用N沟道耗尽型场效应管，因此不需要额外的控制电路对S₂至S_n进行控制，串联结构能够联动S₁的变化而改变自身内阻，有自适应能力。这种自适应改变内阻的方式使得电路在极短的时间内(几百纳秒级)达到恒流状态。

在本公开的实施例中，场效应管S₁采用N沟道增强型场效应管，其相比于P沟道增强型场效应管，可以显著地简化电路结构。

另外，如图2所示，在本公开实施例的电源电路中还设置有泄放回路，其主要由高压二极管(第三组二极管)D₃和电阻R₂。二极管D₃的阴极与场致发射电子源的阴极连接，当在阴极处累积电子时，可以经由泄放回路进行泄放。同时，在电路初始状态，可以经由泄放回路给阴极提供初始电位，否则阴极电位是悬空的，电路无法正常工作。

本公开实施例提供的电源电路易于扩展，可以结合场致发射电子源构成多点场致发射电子源。

图3示出了根据本公开实施例的多点场致发射电子源的电路图。如图3所示，该多点场致发射电子源包括至少一个参考图1或图2所述实施例的电源电路，每个电源电路构成一个通道，各电源电路之间并联。通过将设定值1、设定值2、……、设定值n中的至少一个设定值设置为0来关闭至少一个通道，从而使通道相互之间可以相对独立地工作。

如图3所示，该多点场致发射电子源还包括栅极组件和至少一个阴极，栅极组件与地连接，至少一个阴极与至少一个电源电路一一对应，且至少一个阴极与至少一个电源电路的输出端连接，多个阴极与栅极组件平行布置，在每个阴极与栅极组件之间形成场致发射电场。

根据本公开的实施例，通过电流闭环检测调节N沟道增强型场效应管S₁的内阻，使得其余N沟道耗尽型场效应管S₂至S_n随之自动调节内阻，这种方式使场致发射电子源可以在纳秒级的时间内达到电流恒定状态。

常用场效应管有效工作电压大多在1kV以下，1kV以上有效工作电压的场效应管极少且价格极贵，通过N沟道增强型场效应管与N沟道耗尽型场效应管的串联方式，大大降低了各级场效应管的耐压需求，拓宽了场效应管选型范围，降低了场致发射源控制电路实现成本。本公开实施例中的单个场效应管的耐压可控，很容易通过保留足够的耐压设计余量，增加电路工作可靠性。

至此已经结合优选实施例对本公开进行了描述。应该理解，本领域技术人员在不脱离本公开实施例的精神和范围的情况下，可以进行各种其它的改变、替换和添加。因此，本公开实施例的范围不局限于上述特定实施例，而应由所附权利要求所限定。

Claims (10)

1.一种电源电路，包括：

经由漏极和源极依次串联连接的场效应晶体管S_i，1≤i≤n，i、n为自然数，n≥2，其中S₁的源极与电压源的负极连接，S_n的漏极作为电源电路的输出端，用于连接负载；

串联连接的第一组二极管D_1i，1≤i≤n，i、n为自然数，n≥2，其中D₁₁并联连接在S₂的栅极与所述电压源的负极之间，D_1n并联连接在S_n的栅极与S_n的漏极之间，当n>2时，其余的D_1i并联连接在S_i的栅极与S_i+1的栅极之间；

第一组电阻R_1j，2≤j≤n，其中R_1j并联连接S_i的栅极和源极，其中j与i的取值相对应；i、j为自然数；以及

电流反馈模块，调整所述依次串联连接的场效应晶体管S_i，1≤i≤n的内阻，以使通过负载的电流恒定；

其中，所述场效应晶体管S_i，1≤i≤n工作在恒流区。

2.根据权利要求1所述的电源电路，其中，场效应晶体管S₁为N沟道增强型场效应管，场效应晶体管S_i，2≤i≤n为N沟道耗尽型场效应管。

3.根据权利要求1所述的电源电路，其中，所述电流反馈模块包括：

检测单元，与连接到所述电源电路的输出端的负载串联连接，以检测通过负载的电流；以及

控制信号生成单元，根据通过负载的电流生成控制信号，并将所述控制信号施加在场效应晶体管S₁的栅极上。

4.根据权利要求3所述的电源电路，其中，所述控制信号生成单元被配置为：

将通过负载的电流与电流设定值进行比较；

当通过负载的电流小于所述电流设定值时，增加S₁的栅极电压；

当通过负载的电流大于所述电流设定值时，减小S₁的栅极电压。

5.根据权利要求3或4所述的电源电路，其中，所述检测单元包括电阻元件、电感元件或霍尔传感器元件。

6.根据权利要求3或4所述的电源电路，其中，所述控制信号生成单元包括运算放大器、微控制器、FPGA或单片机。

7.根据权利要求1所述的电源电路，其中，所述电源电路被构造为利用串联连接的电阻和电容的并联结构替代所述串联连接的第一组二极管D_1i，1≤i≤n，i、n为自然数，n≥2。

8.根据权利要求1至7任一项所述的电源电路，还包括：并联连接的第二组二极管D_2k，2≤k≤n，其中D_2k的阳极与S_i的栅极连接，D_2k的阴极与S_i的源极连接，其中k与i的取值相对应，k、n为自然数。

9.根据权利要求1至8任一项所述的电源电路，还包括：

第三组二极管，所述第三组二极管的阴极与场效应晶体管S_n的漏极连接，所述第三组二极管的阳极与第二电阻的一端连接；

第二电阻，所述第二电阻的另一端与地连接。

10.一种多点场致发射电子源，包括：

至少一个如权利要求1至9中任一项所述的电源电路；以及

栅极组件和至少一个阴极，所述栅极组件与所述电源电路中的电压源的正极连接，且所述电压源的正极与地连接，所述至少一个阴极与至少一个电源电路一一对应，且所述至少一个阴极与所述至少一个电源电路的输出端连接，所述多个阴极与所述栅极组件平行布置，在每个所述阴极与所述栅极组件之间形成场致发射电场。

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