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公開番号2025037717
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-03-18
出願番号2023144816
出願日2023-09-06
発明の名称増幅装置及び計測機器
出願人株式会社日立製作所
代理人弁理士法人信友国際特許事務所
主分類H03F 1/52 20060101AFI20250311BHJP(基本電子回路)
要約【課題】耐放射線性に優れ、煩雑な管理を必要とせずに入力電圧の過電圧印加による出力値のドリフトを低減する増幅装置がなかった。
【解決手段】一対の入力信号が入力される差動増幅部19をSiCをチャネルとするトランジスタのペアで構成し、一対の入力信号の電圧の差を増幅して出力する増幅回路10と、一対の入力信号が入力される各々の信号入力端子の電圧を、増幅回路10に供給される正電源及び負電源の電圧以下となるように制御する電圧制御部20と、を備える。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
一対の入力信号が入力される差動増幅部をＳｉＣをチャネルとするトランジスタのペアで構成し、前記一対の入力信号の電圧の差を増幅して出力する増幅回路と、
前記一対の入力信号が入力される各々の信号入力端子の電圧を、前記増幅回路に供給される正電源及び負電源の電圧以下となるように制御する電圧制御部と、を備える
増幅装置。
続きを表示（約 1,400 文字）【請求項２】
前記電圧制御部は、前記増幅回路の前記差動増幅部に入力される前記一対の入力信号の各々を、前記正電源及び前記負電源の各電圧の絶対値の９０％以下に制限する
請求項１に記載の増幅装置。
【請求項３】
前記電圧制御部は、前記増幅回路の前記差動増幅部に入力される前記一対の入力信号の各々を、前記正電源及び前記負電源の各電圧の絶対値の８０％以下に制限する
請求項２に記載の増幅装置。
【請求項４】
前記電圧制御部は、
前記一対の入力信号における一方の入力信号が入力される信号入力端子と、前記正電源の電圧が供給される電源入力端子及び前記負電源の電圧が供給される電源入力端子との間のそれぞれに設けられた電圧保護素子と、
前記一対の入力信号における他方の入力信号が入力される信号入力端子と、前記正電源の電圧が供給される電源入力端子及び前記負電源の電圧が供給される電源入力端子との間のそれぞれに設けられた電圧保護素子と、を有し、
設定電圧を超える電圧の入力信号が各信号入力端子に入力された場合に、各電圧保護素子により各信号入力端子の電圧を、前記増幅回路に供給される前記正電源及び前記負電源の電圧以下に制限する
請求項１に記載の増幅装置。
【請求項５】
前記電圧制御部は、設定電圧を超える電圧の入力信号が各信号入力端子に入力された場合に、各電圧保護素子により各信号入力端子の電圧を、前記正電源及び前記負電源の各電圧の絶対値の９０％以下に制限する
請求項４に記載の増幅装置。
【請求項６】
前記電圧制御部は、設定電圧を超える電圧の入力信号が各信号入力端子に入力された場合に、各電圧保護素子により各信号入力端子の電圧を、前記正電源及び前記負電源の各電圧の絶対値の８０％以下に制限する
請求項４に記載の増幅装置。
【請求項７】
前記電圧制御部は、
前記一対の入力信号における一方の入力信号が入力される信号入力端子とグラウンド間に設けられたコンデンサと、
前記一対の入力信号における他方の入力信号が入力される信号入力端子とグラウンド間に設けられたコンデンサと、を有し、
設定電圧を超える電圧の入力信号が各信号入力端子に入力された場合に、各コンデンサにより各信号入力端子の電圧を、前記増幅回路に供給される前記正電源及び前記負電源の電圧以下に制限する
請求項１に記載の増幅装置。
【請求項８】
前記増幅回路はオペアンプである
請求項１に記載の増幅装置。
【請求項９】
前記電圧制御部を構成する回路素子は、前記増幅回路と同じチップ内に集積される
請求項１に記載の増幅装置。
【請求項１０】
対象についての計測結果に応じた信号を出力する計測部と、前記計測部が出力する信号を増幅する増幅装置と、を含む計測機器であって、
前記増幅装置は、
一対の入力信号が入力される差動増幅部をＳｉＣをチャネルとするトランジスタのペアで構成し、前記一対の入力信号の電圧の差を増幅して出力する増幅回路と、
前記一対の入力信号が入力される各々の信号入力端子の電圧を、前記増幅回路に供給される正電源及び負電源の電圧以下に制御する電圧制御部と、を備える
計測機器。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、放射線環境で用いられる増幅装置及び計測機器に関する。
続きを表示（約 1,600 文字）【背景技術】
【０００２】
原子力プラントなどの放射線にさらされる環境では、温度、水位、放射線などさまざまな計測が求められている。一方で、計測器の電子回路に含まれる半導体素子が放射線の電離作用により劣化するため、特に高放射線環境においては電子回路を用いることが難しい。
【０００３】
これら計測器の放射線による故障要因の一つとして、半導体素子を有する増幅装置の故障がある。増幅装置に一般的に用いられるオペアンプ（オペレーショナル・アンプリファイアの略）の放射線による劣化により、出力が低下することで計測器の性能が不良となる。オペアンプは、少なくとも２つのトランジスタで構成された差動増幅回路により入力端子間の電位差に応じて増幅動作するため、個々のトランジスタが劣化するとオペアンプとしての性能が低下（故障）しやすい。
【０００４】
放射線環境で半導体素子を有する電子回路を正常動作させる方法としては、オペアンプの半導体材料を従来のＳｉ（ケイ素）素子から放射線耐性に優れるＳｉＣ（炭化ケイ素）素子に変更する手法が有効である。
【０００５】
ＳｉＣを用いたオペアンプ（以下、「ＳｉＣ製オペアンプ」とも称す）は外部からのノイズや放射線の影響で出力値のドリフトが発生することが、発明者らの実験により試験的に分かってきている。特許文献１では、ＳｉＣを用いた半導体素子に放射線を事前照射し、劣化が収束したところで実機に組み込むことにより、使用中における出力値のドリフトを低減する手法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
特開２０２０－０４３１８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したような手法によるＳｉＣ製オペアンプの出力値のドリフト低減は有効であるが、放射線の線源を用いる手法であることから管理が煩雑となりコストがかかる。さらに、電気ストレスによるドリフトについても考慮する必要があることが新たに分かった。具体的には、ＳｉＣ製オペアンプへの入力電圧がＳｉＣ製オペアンプの電源電圧Ｖｄｄ又は電源電圧Ｖｓｓの８０％を超える場合に、酸化膜（絶縁層）と半導体層との界面に存在する欠陥に正の電荷がトラップされ、オフセット電圧がドリフトすることが試験的に明らかになった。放射線により界面で電子－正孔対が発生するが、電子は移動速度が速く界面を抜けやすい。一方の正孔は移動速度が遅いため界面に留まりやすい。
【０００８】
ＳｉＣ製オペアンプは従来のＳｉを用いたオペアンプ（以下、「Ｓｉ製オペアンプ」と称す）と異なり、界面に欠陥が多く存在する。そのため、ＳｉＣ製オペアンプの出力を安定させるためには、電気ストレスすなわち大きな入力電圧による出力値（オフセット電圧）のドリフトを十分考慮する必要があることが新たに分かった。
【０００９】
本発明は、上記の状況に鑑みてなされたものであり、耐放射線性に優れ、煩雑な管理を必要とせずに出力値のドリフトを低減することができる増幅装置及び計測機器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の一態様の増幅装置は、一対の入力信号が入力される差動増幅部をＳｉＣをチャネルとするトランジスタのペアで構成し、一対の入力信号の電圧の差を増幅して出力する増幅回路と、一対の入力信号が入力される各々の信号入力端子の電圧を、増幅回路に供給される正電源及び負電源の電圧以下となるように制御する電圧制御部と、を備える。
また、本発明の一態様の計測装置は、対象についての計測結果に応じた信号を出力する計測部と、計測部が出力する信号を増幅する上記構成の増幅装置と、を含む。
【発明の効果】
（【００１１】以降は省略されています）

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