可在涡轮发动机的高温环境中运行的混合负载差分放大器的制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种适于在涡轮发动机的高温环境中运行的电路系统(120)。该电路系统包括差分放大器(122)，该差分放大器具有耦合至感测元件的输入端子(124)，用于接收指示所观测的参数的电压。混合负载电路(125)可以AC耦合至差分放大器。该混合负载电路可以包括电阻器-电容器电路(134)，其布置为，关于半导体开关126、128的差分对中的、对指示所感测的参数的电压进行接收的开关(例如128)的漏极端子，提供至AC信号分量的路径。
【专利说明】可在涡轮发动机的高温环境中运行的混合负载差分放大器
【技术领域】
[0001]本发明一般地涉及电子电路，并且更确切而言涉及可以适于在涡轮发动机的高温环境中运行的电路系统。
【背景技术】
[0002]涡轮发动机，诸如燃气涡轮发动机，可以用在多种应用中，诸如驱动发电厂中的发电机或者推进船只或飞行器。现代燃气涡轮发动机的点火温度持续增加，以应对更高燃烧效率的需要。
【发明内容】
[0003]可能希望使用电路系统，例如可以用于无线遥测系统中的电路系统，以监视引擎的运行参数。例如，用于监视涡轮机的部件的运行温度，诸如涡轮机叶片的运行温度，或者监视在引擎运行期间置于这种部件上的运行应力。本发明的各个方面提供了结合这种电路系统的改进。
【专利附图】
【附图说明】
[0004]在下面考虑到附图的描述中解释本发明，其中:
[0005]图1是示例性涡轮机叶片的部分等距图，其包括可以被无线遥测系统使用来监视叶片的运行参数的电子电路系统。
[0006]图2是示例应变仪电路系统的框图，其可以被遥测系统使用，并且其可以得益于本发明的高增益差分放大器的实施方面。
[0007]图3是本发明的AC耦合的混合负载差分放大器实施方面的一个实施例的示意图。
[0008]图4是本发明的如可以集成在一个示例性应变仪电路系统中那样的单级差分放大器实施方面的示意图。
【具体实施方式】
[0009]本发明的示例性实施例可以针对在一个示例性应用中能用在装配有遥测系统的内燃机、诸如涡轮发动机中的电子电路系统。该示例性应用可以允许传送来自可移动部件、诸如可旋转的涡轮发动机叶片的传感器数据，该部件具有特定的电子电路系统，其例如可以在具有超过大约300 °C的温度的环境中运行。
[0010]对于本公开在此的目的，术语“高温”环境在没有其它限制的情况下可以指任意运行环境，诸如在涡轮发动机的部分内，具有超过大约300°c的最大运行温度。将理解的是本发明的方面不必限于高温环境，因为本发明的电路系统实施方面在非高温环境下可以被同等有效地使用。
[0011]图1示出了涡轮机叶片20 (不完整地示出)，如可以装备有示例性的遥测系统，其可以包括无线遥测发射器组件24和天线组件26。导线或连接器28可以从一个或多个传感器、诸如传感器30起延伸至遥测发射器组件24，该遥测发射器组件可以安装在叶片根部22附近并且可以包括多种遥测发射器电路系统。导线28可以将电子数据信号从传感器30路由至遥测发射器组件24，其中这些信号被处理器处理。其它导线或电连接器36可以被用于将电子数据信号从遥测发射器组件路由至天线组件26。
[0012]图2示出了示例性应变仪电路的框图，其可以适用于装备有遥测系统的涡轮机部件(例如涡轮机叶片20(图1))中。指示可以在受测的涡轮机部件上形成的应变量的信号可以被应变仪101感测到，该信号可以被親合至差分放大器102。差分放大器102的输出可以被耦合至压控振荡器(VCO) 104，其可以生成振荡信号，该振荡信号具有指示在受测涡轮机部件上形成的应变量的频率。该振荡信号可以由缓冲器105缓冲并且耦合至天线26以传送到外部接收器(未示出)，该外部接收器可以被调谐至载波频率。
[0013]图3-4和下面的相关描述将提供本发明的电路系统实施方面的细节，其在一个示例应用中可以适用于应变仪电路系统，如在图2中示例性示出那样。将理解的是这样的示例性应用不应在限制意义下解释，而是本发明的电路系统的实施方面还可以适用于其它应用。
[0014]图3是本发明的电路系统120 (还在图4中示出)实施方面的一个示例性实施例的示意图。电路系统120包括差分放大器122，其具有输入端子124，该输入端子可以耦合至感测元件(例如图2的应变仪101)以接收指示所感测的参数的电压(例如指示应变的电压)。差分放大器122可以包括第一对半导体开关126、128 (半导体开关的差分对)。半导体开关126、128的差分对的偏置可以通过由电阻器R5、R6、R7和R8组成的桥式电路利用本领域技术人员熟悉的偏置技术来控制。电路系统120进一步包括混合负载电路125，其根据本发明的示例方面可以是AC耦合(替选地电流耦合)至差分放大器122的，如下面更详细描述的。
[0015]混合负载电路125可以包括第二对半导体开关130、132(例如半导体开关的有源负载对)。每个这样的半导体开关对都具有各自的漏极端子(D)、各自的源极端子(S)和各自的栅极端子(G)。在一个不例实施例中，第一对半导体开关126、128和第二对半导体开关130、132涉及没有互补的半导体开关对的电路。在一个示例实施例中第一对半导体开关126、128和第二对半导体开关130、132可以是η沟道结型场效应晶体管(JFET)开关并且可以包括相应的高温、宽能带隙材料，诸如SiC、A1N、GaN, AlGaN, GaAs, GaP、InP, AlGaAs,AlGaP、AllnGaP 和 GaAsAIN。
[0016]如本领域技术人员将理解的，p沟道SiC JFET如今被认为由于其相对低的沟道迀移率而是不实用的，并且因此，通常用于差分放大器的已知的有源负载拓扑还未被利用于高温应用，因为这种拓扑将涉及P沟道SiC JFETo本发明的混合负载电路系统实施方面有利地消除对于P沟道JFET的需要，并且因此这种电路系统可以达到高温、宽能带隙材料JFET的理论温度极限(例如高于500°C )，并且有效地提供高增益差分放大器，其在一个示例应用中可以用来恰当地在高温环境中放大相对低压(例如数毫伏)的电信号，该电信号可以由诸如热电偶和应变仪的传感器生成。
[0017]在一个示例实施例中，混合负载电路125可以进一步包括电阻器-电容器电路134(例如电阻器142和电容器140)，其布置为相对于半导体开关的差分对中接收指示了所感测的参数的电压的那个开关(例如开关126)的漏极端子来提供至AC信号分量的路径(例如较高阻抗的路径)。电路134连接至节点136，该节点在并联电路中耦合至第二对半导体开关130、132各自的栅极端子。将理解的是，通过电阻器142连接至电接地135的节点136有效地维持用于半导体开关130、132的合适偏置。
[0018]在一个示例实施例中，电阻器142的值可以选为相对于开关130、132各自的栅极端子处的输入阻抗值而言足够低，从而例如差分开关的漏极端子处的AC信号分量将通过电容器140被AC耦合至由电阻器142提供的路径，替代开关130、132的栅极端子。例如，相对于电阻器142的2M Ω量级中的电阻值来假设开关对130、132各自的栅极端子处的20M Ω量级中的输入阻抗，则将理解的是，电阻器-电容器电路124将实现至这种AC信号分量(例如在差分开关126的漏极处)的高阻抗路径，并且这有效地增加差分放大器的AC增益。
[0019]出于偏置目的，混合负载电路125可以包括第一电阻器144，其从第二对半导体开关的开关之一(例如开关130)的源极端子耦合至第一对半导体开关的开关之一(例如差分开关126)的漏极端子。混合负载电路125还可以包括第二电阻器146，其从第二对半导体开关的另一开关(例如开关132)的源极端子耦合至第一对半导体开关的另一开关(例如差分开关128)的漏极端子。连接至开关132的源极端子的节点148提供了放大后的差分放大器输出。初级的实验结果显示了分别在450°C、300°C、和25°C的温度时至少大约47.8dB、51.4dB和57.8dB的差分增益的可行性。
[0020]图4是本发明的混合负载单级差分放大器实施方面的示意图，如可以集成在无线遥测系统中那样。电路系统120可以布置为放大来自低水平输出传感器(例如应变仪)的AC输出信号，并且来自电路系统120的放大后的输出信号可以通过高通滤波器160被信号调节并且传递给压控振荡器162，其可以配置为调制射频(RF)载波。将理解的是，可以以本发明的差分放大器实施方面获得的较高的增益可以有利地避免对于多级放大(AC放大器)的需要，从而进一步降低成本以及提供很大程度上的信号完整性(例如改进信噪比)和增加系统可靠性(例如较少互联)。
[0021]虽然在此示出和描述了本发明的多个实施例，但是显然，这些实施例仅是示例性地提供的。在此，可以做出大量变化、修改和替换而不脱离本发明。从而，本发明旨在仅受所附权利要求的精神和范围限制。
【权利要求】
1.一种适于在涡轮发动机的高温环境中运行的电路系统，该电路系统包括: 布置在涡轮发动机的部件上的感测元件，用于感测该部件的参数并且提供指示所感测的参数的电压； 差分放大器，其具有耦合至所述感测元件的输入端子，以接收指示所感测的参数的电压；以及 混合负载电路，其AC耦合至所述差分放大器，其中，所述差分放大器和所述混合负载电路布置在所述涡轮发动机的高温环境中。
2.根据权利要求1所述的电路系统，其中，所述差分放大器包括第一对半导体开关，并且所述混合负载电路包括第二对半导体开关，每对开关具有各自的漏极、源极和栅极端子，其中，所述混合负载电路还包括电阻器-电容器电路，该电阻器-电容器电路设置为，相对于所述第一对半导体开关中的、对指示所感测的参数的电压进行接收的开关的漏极端子，提供至AC信号分量的路径。
3.根据权利要求2所述的电路系统，其中，所述电阻器-电容器电路连接至如下节点，该节点在并联电路中耦合至所述第二对半导体开关的各个栅极端子。
4.根据权利要求3所述的电路系统，其中，所述电阻器-电容器电路的电阻器具有连接至所述节点的第一导线和电接地的第二导线。
5.根据权利要求4所述的电路系统，其中，所述电阻器-电容器电路的电容器具有连接至所述节点的第一导线，和第二导线，该第二导线连接至所述第一对半导体开关中的、接收指示所感测的参数的电压的开关的漏极端子。
6.根据权利要求2所述的电路系统，其中，所述混合负载电路还包括第一电阻器，其从所述第二对半导体开关的开关之一的源极端子耦合至所述第一对半导体开关的开关之一的漏极端子。
7.根据权利要求6所述的电路系统，其中，所述混合负载电路还包括第二电阻器，其从所述第二对半导体开关的另一开关的源极端子耦合至所述第一对半导体开关的另一开关的漏极端子。
8.根据权利要求2所述的电路系统，其中，所述差分放大器包括单级差分放大器。
9.根据权利要求2所述的电路系统，其中，第一和第二对半导体开关分别包括无互补的半导体开关对的电路。
10.根据权利要求2所述的电路系统，其中，第一和第二对半导体开关分别包括η沟道结型场效应晶体管(JFET)开关。
11.根据权利要求2所述的电路系统，其中，第一和第二对半导体开关分别包括各自的高温、宽能带隙材料。
12.根据权利要求11所述的电路系统，其中，所述高温、宽能带隙材料选自包括SiC、AlN、GaN、AlGaN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlGaP、AllnGaP 和 GaAsAlN 的组。
13.根据权利要求1所述的电路系统，其中，所述感测元件包括对部件的应变进行感测的应变仪，并且电压指示所感测的部件的应变。
14.一种包括根据权利要求1所述的电路系统的遥测系统。
15.—种电路系统，包括: 差分放大器；以及 AC親合至所述差分放大器的混合负载电路，其中，所述差分放大器和所述混合负载电路布置在涡轮发动机的高温环境中，其中所述差分放大器包括第一对半导体开关，并且所述混合负载电路包括第二对半导体开关，每对开关都具有各自的漏极、源极和栅极端子，其中，所述混合负载电路还包括电阻器-电容器电路，该电阻器-电容器电路布置为，相对于所述第一对半导体开关中的、对指示所感测的参数的电压进行接收的开关的漏极端子，提供至AC信号分量的路径。
16.根据权利要求15所述的电路系统，其中，所述电阻器-电容器电路连接至如下节点，该节点在并联电路中耦合至所述第二对半导体开关的各自的栅极端子。
17.根据权利要求16所述的电路系统，其中，所述电阻器-电容器电路的电阻器具有连接至所述节点的第一端子和电接地的第二端子。
18.根据权利要求17所述的电路系统，其中，所述电阻器-电容器电路的电容器具有连接至所述节点的第一导线，和第二导线，该第二导线连接至所述第一对半导体开关中的、对指示所感测的参数的电压进行接收的开关的漏极端子。
19.根据权利要求15所述的电路系统，其中，所述混合负载电路还包括第一电阻器，其从所述第二对半导体开关的开关之一的源极端子耦合至所述第一对半导体开关的开关之一的漏极端子。
20.根据权利要求19所述的电路系统，其中，所述有源负载电路还包括第二电阻器，其从所述第二对半导体开关的另一开关的源极端子耦合至所述第一对半导体开关的另一开关的漏极端子。
21.根据权利要求15所述的电路系统，其中，所述差分放大器包括单级差分放大器，其中，所述第一和第二对半导体开关分别包括η沟道结型场效应晶体管(JFET)开关。
22.根据权利要求15所述的电路系统，其中，所述第一和第二对半导体开关分别包括各自的高温、宽能带隙材料。
23.根据权利要求22所述的电路系统，其中，所述高温、宽能带隙材料选自包括SiC、AlN、GaN、AlGaN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlGaP、AllnGaP 和 GaAsAlN 的组。
【文档编号】F01D1/00GK104520684SQ201380037565
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2013年6月5日 优先权日:2012年6月29日
【发明者】D.J.米切尔, J.R.弗雷利, J.杨, C.席利格, R.M.舒普巴赫, B.韦斯顿 申请人:西门子能量股份有限公司, 阿肯色电力电子技术国际股份有限公司