(57)【要約】  タービンエンジンの高温環境で動作するよう適合された回路が提供される。比較的高利得の差動増幅器（１０２）は、タービンエンジンの構成要素（２０）の検知されたパラメータを示す電圧を受信するために接続された入力端子を有することができる。ハイブリッド負荷回路は、差動増幅器に接続されることができる。電圧調整回路（２４４）は、差動増幅器に電力供給するために接続されることができる。差動増幅器、ハイブリッド負荷回路、および電圧調整回路は各々、タービンエンジンの高温環境に配設されることができる。
2015524553.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンエンジンの高温環境で動作するよう適合された回路であって：
構成要素のパラメータを検知し、前記検知されたパラメータを示す電圧を提供するために、前記タービンエンジンの前記構成要素上に配設される検知要素と；
前記検知されたパラメータを示す前記電圧を受信するために、前記検知要素に接続された入力端子を有する差動増幅器であって、前記差動増幅器は、電圧源および半導体スイッチの各１つの各ゲート端子間に接続された抵抗の正の温度係数を有する第１の抵抗要素と、各ゲート端子および電気接地間に接続された抵抗のゼロ温度係数を有する第２の抵抗要素と、を含む各ゲートバイアスネットワークを各々有する第１のペアの半導体スイッチを含み、各々の各ゲートバイアスネットワークは、温度が増加する時、半導体スイッチの各ゲート端子における各バイアス電圧が減少するように配置される、差動増幅器と；
前記差動増幅器にＡＣ結合されたハイブリッド負荷回路であって、前記差動増幅器および前記ハイブリッド負荷回路は、前記タービンエンジンの前記高温環境で配設される、ハイブリッド負荷回路と；
を含むことを特徴とする回路。
【請求項２】
前記ハイブリッド負荷回路は、第２のペアの半導体スイッチを含み、前記ハイブリッド負荷回路はまた、前記検知されたパラメータを示す前記電圧を受信する、前記第１のペアの半導体スイッチのスイッチのドレイン端子に対してＡＣ信号成分への経路を提供するよう配置された抵抗容量回路を含むことを特徴とする請求項１に記載の回路。
【請求項３】
前記抵抗容量回路は、前記第２のペアの半導体スイッチの前記各ゲート端子に並行回路で接続されたノードに接続され、前記抵抗容量回路の抵抗は、前記ノードに接続された第１のリードと、電気接地された第２のリードとを有し、前記抵抗容量回路のキャパシタは、前記ノードに接続された第１のリードと、前記検知されたパラメータを示す前記電圧を受信する、前記第１のペアの半導体スイッチの前記スイッチの前記ドレイン端子に接続された第２のリードとを有することを特徴とする請求項２に記載の回路。
【請求項４】
前記ハイブリッド負荷回路はまた、前記第２のペアの半導体スイッチのうち１つのスイッチのソース端子から前記第１のペアの半導体スイッチのうち１つのスイッチのドレイン端子に接続された第１の抵抗と、前記第２のペアの半導体スイッチのうちもう１つのスイッチのソース端子から前記第１のペアの半導体スイッチのうちもう１つのスイッチのドレイン端子に接続された第２の抵抗とを含むことを特徴とする請求項２に記載の回路。
【請求項５】
前記各第１および第２の抵抗は各々、前記増幅器の利得が温度変化の発生にもかかわらず実質的に一定のままであるように、抵抗の正の温度係数を含むことを特徴とする請求項４に記載の回路。
【請求項６】
前記差動増幅器は、１段式差動増幅器を含むことを特徴とする請求項１に記載の回路。
【請求項７】
前記各第１および第２のペアの半導体スイッチは、補助ペアの半導体スイッチなしの回路を含むことを特徴とする請求項２に記載の回路。
【請求項８】
前記各第１および第２のペアの半導体スイッチは、ｎチャネル接合電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）スイッチを含むことを特徴とする請求項２に記載の回路。
【請求項９】
前記各第１および第２のペアの半導体スイッチは、各高温広バンドギャップ材料を含むことを特徴とする請求項２に記載の回路。
【請求項１０】
前記高温広バンドギャップ材料は、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ｌｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＰ、ＡｌｌｎＧａＰ、およびＧａＡｓＡｌＮからなるグループから選択されることを特徴とする請求項９に記載の回路。
【請求項１１】
前記検知回路は、前記構成要素の歪みを検知するために歪みゲージを含み、前記電圧は、前記構成要素の前記検知された歪みを示すことを特徴とする請求項１に記載の回路。
【請求項１２】
請求項１の前記回路を含むことを特徴とするテレメトリシステム。
【請求項１３】
高温環境で動作するよう適合された回路であって：
前記高温環境で構成要素の検知されたパラメータを示す電圧を受信するために接続された入力端子を有する差動増幅器と；
前記差動増幅器にＡＣ結合されたハイブリッド負荷回路と；
前記差動増幅器に電力供給するために接続された電圧調整回路であって、前記差動増幅器、前記ハイブリッド負荷回路、および前記電圧調整回路は、高温環境で配設される、電圧調整回路と；
を含むことを特徴とする回路。
【請求項１４】
前記電圧調整回路は、
第１の半導体スイッチと、前記第１の半導体スイッチのゲート端子およびソース端子間に接続された第１の抵抗とを少なくとも含む定電流源であって、前記定電流源はまた、前記電圧調整器によって調整されるべき入力電圧を受信するよう構成されたカスケード入力段を含む、定電流源と；
前記第１の半導体スイッチの前記ゲート端子に接続された第１のリードおよび前記調整器の出力ノードに接続された第２のリードを有する第２の抵抗であって、前記定電流源は、前記第２の抵抗にわたり参照電圧を提供するよう接続される、第２の抵抗と；
第２の半導体スイッチと、前記第２の半導体スイッチのソース端子および前記出力ノード間に接続された第３の抵抗とを含むソースフォロア出力段と；
を含むことを特徴とする請求項１３に記載の回路。
【請求項１５】
前記第２の半導体スイッチの前記ソース端子は、前記電圧調整器の第１の調整出力電圧を供給することを特徴とする請求項１４に記載の回路。
【請求項１６】
前記出力ノードは、前記電圧調整器の第２の調整出力電圧を供給し、前記第２の調整出力電圧は、前記第１の調整出力電圧の極性に対して異なる極性を含むことを特徴とする請求項１４に記載の回路。
【請求項１７】
前記電流源はまた、前記電圧調整器によって調整されるべき入力電圧を受信するために接続されたドレイン端子を有する第３の半導体スイッチを含む入力段を含むことを特徴とする請求項１４に記載の回路。
【請求項１８】
前記第３の半導体スイッチのゲート端子に接続された電圧分配ノードを有する電圧分配ネットワークをさらに含み、前記電圧分配ネットワークは、前記電圧分配ノードおよび前記第３の半導体スイッチの前記ドレイン間に接続された第１の抵抗と、前記電圧分配ノードおよび前記第２の半導体スイッチの前記ソース間に接続された第２の抵抗とを含むことを特徴とする請求項１７に記載の回路。
【請求項１９】
前記電流源の前記入力段はまた、前記第１および第３の半導体スイッチ間に直列回路で接続された第４の半導体スイッチを含み、前記第４の半導体スイッチは、前記第３の半導体スイッチのソース端子に接続されたドレイン端子と、前記第１の半導体スイッチのドレイン端子に接続されたソース端子と、前記第１の半導体スイッチの前記ソース端子に接続されたゲート端子とを有することを特徴とする請求項１７に記載の回路。
【請求項２０】
前記差動増幅器は、電圧源および前記半導体スイッチの各１つの各ゲート端子間に接続された抵抗の正の温度係数を有する第１の抵抗要素と、前記各ゲート端子および電気接地間に接続された抵抗のゼロ温度係数を有する第２の抵抗要素とを含む各ゲートバイアスネットワークを各々有する第１のペアの半導体スイッチを含み、各々の各ゲートバイアスネットワークは、温度が増加する時、半導体スイッチの各ゲート端子における各バイアス電圧が減少するように配置されることを特徴とする請求項１３に記載の回路。
【請求項２１】
前記ハイブリッド負荷回路は、第２のペアの半導体スイッチを含み、前記ハイブリッド負荷回路はまた、前記検知されたパラメータを示す前記電圧を受信する、前記第１のペアの半導体スイッチのスイッチの前記ドレイン端子に対してＡＣ信号成分への経路を提供するために配置された抵抗容量回路を含むことを特徴とする請求項１３に記載の回路。
【請求項２２】
前記抵抗容量回路は、前記第２のペアの半導体スイッチの前記各ゲート端子に並列回路で接続されたノードに接続され、前記抵抗容量回路の抵抗は、前記ノードに接続された第１のリードと、電気接地された第２のリードとを有し、前記抵抗容量回路のキャパシタは、前記ノードに接続された第１のリードと、前記検知されたパラメータを示す前記電圧を受信する、前記第１のペアの半導体スイッチのスイッチの前記ドレイン端子に接続された第２のリードとを有することを特徴とする請求項２１に記載の回路。
【請求項２３】
前記ハイブリッド負荷回路はまた、前記第２のペアの半導体スイッチのうち１つのスイッチのソース端子から前記第１のペアの半導体スイッチのうち１つのスイッチのドレイン端子に接続された第１の抵抗と、前記第２のペアの半導体スイッチのうちもう１つのスイッチのソース端子から前記第１のペアの半導体スイッチのうちもう１つのスイッチのドレイン端子に接続された第２の抵抗とを含むことを特徴とする請求項２１に記載の回路。
【請求項２４】
前記各第１および第２の抵抗は各々、前記増幅器の利得が温度変化の発生にもかかわらず実質的に一定のままであるように、抵抗の正の温度係数を含むことを特徴とする請求項２３に記載の回路。
【請求項２５】
前記差動増幅器および前記電圧調整器の前記半導体スイッチの各々は、ｎチャネル接合電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）スイッチを含むことを特徴とする請求項２０に記載の回路。
【請求項２６】
請求項１３の前記回路を含むことを特徴とするテレメトリシステム。
【請求項２７】
タービンエンジンの高温環境で動作するよう適合された回路であって：
前記タービンエンジンの構成要素に関する検知されたパラメータを示す電圧を受信するために接続された入力端子を有する差動増幅器と；
前記差動増幅器にＡＣ結合されたハイブリッド負荷回路であって、前記差動増幅器は、電圧源および前記半導体スイッチの各１つの各ゲート端子間に接続された抵抗の正の温度係数を有する第１の抵抗要素と、各ゲート端子および電気接地間に接続された抵抗のゼロ温度係数を有する第２の抵抗要素と、を含む各ゲートバイアスネットワークを各々有する第１のペアの半導体スイッチを含み、各々の各ゲートバイアスネットワークは、温度が増加する時、半導体スイッチの各ゲート端子における各バイアス電圧が減少するように配設される、ハイブリッド負荷回路と；
前記差動増幅器に電力供給するために接続された電圧調整回路であって、前記差動増幅器、前記ハイブリッド負荷回路、および前記電圧調整回路は、前記タービンエンジンの前記高温環境に配設される、電圧調整回路と；
を含み、
前記電圧調整回路は：
第１の半導体スイッチと、前記第１の半導体スイッチのゲート端子およびソース端子間に接続された第１の抵抗とを少なくとも含む定電流源であって、前記電圧調整器によって調整されるべき入力電圧を受信するために接続されたカスケード入力段をさらに含む、定電流源と；
前記第１の半導体スイッチの前記ゲート端子に接続された第１のリードと、前記調整器の出力ノードに接続された第２のリードとを有する第２の抵抗であって、前記定電流源は、前記第２の抵抗にわたり参照電圧を提供するために接続される、第２の抵抗と；
第２の半導体スイッチと、前記出力ノードおよび前記第２の半導体スイッチのソース端子間に接続された第３の抵抗とを含むソースフォロア出力段であって、前記第２の抵抗の前記第１のリードは、前記第２の半導体スイッチのゲート端子に前記生成された参照電圧を印加するために接続され、前記第２の半導体スイッチの前記ソース端子は、前記電圧調整器の第１の調整出力電圧を供給し、前記出力ノードは、前記電圧調整器の第２の調整出力電圧を供給し、前記第２の調整出力電圧は、前記第１の調整出力電圧の極性に対して異なる極性を含む、ソースフォロア出力段と；
を含むことを特徴とする回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２００８年８月１５日に出願された米国特許出願番号１２／１９２３２４（代理人整理番号２００８Ｐ０６９７７ＵＳ）、２０１２年６月２９日に出願された１３／５３７５７２（代理人整理番号２０１１Ｐ１２８１８ＵＳ）、および２０１２年６月２９日に出願された１３／５３７２０８（代理人整理番号２０１２Ｐ０８４０９ＵＳ）の一部継続出願であり、各々は、その全体を参照して本明細書中に組込まれる。
【０００２】
本発明は、構成要素の歪みを測定するための無線テレメトリ電子回路に関し、特に３００℃を超過する高温環境で動作し、少なくとも１０００ｇ’ｓまでの耐圧力のある電子回路に関する。
【背景技術】
【０００３】
動作しているガスタービンエンジン内の温度は、極端に高く、しばしば４５０℃を超過するレベルである。タービン翼等のタービンの構成要素の内部温度を監視すること、または動作中にそのような構成要素上に加えられたストレス（stress）を監視することが望ましい時、特別な検知、増幅、および送信回路が要求される。高温に耐えることができる無線テレメトリ回路基板およびその上の構成要素は、内燃ガスタービンエンジンで受けるような高温環境で固定のおよび移動する構成要素からのデータの抽出が可能である。電子回路は、産業ガスタービン、航空エンジン、および石油およびガス産業で使用されるタービンなどのタービンエンジンの動作中に構成要素の状況のリアルタイム監視に対する可能性をもたらす。タービン内の構成要素の状況を知ることは、内部エンジンパラメータに基づくタービン動作の最適化および状況ベースのメンテナンス機能を含む、多くの利益をもたらす。新型のタービンエンジンの動作コストをかなり低減することは、監視装置の使用によって実現されうる。タービン構成要素を実装する現在の方式は、構成要素にセンサを搭載すること、中継器にリード線を走らせること、および監視位置へタービンの外に長い距離にわたり多くのリード線の束を持っていくことを含む。プロセッサは、遅く、労働集約的で、高価であって、全てのリード線の含有を可能にするために、タービンの多くの構成要素の修正を要求する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
そのようなセンサシステムからデータを抽出する利点を実現するために、熱い構成要素のうち最も低温な領域上にデータ送信器を設置することが要求されうる。これは、タービンエンジンの流路におけるブレードの付根等、３００℃を超過する温度で機能しうる無線テレメトリシステムに対する必要性をもたらす。シリコンまたはシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）能動構成要素を使用する現在の最新回路は、そのような高温で動作できない。そのような無線テレメトリ回路基板は、３００℃を超過する温度で動作可能な、パッケージ、基板、配線、受動デバイス、能動デバイス、および接続を要求しうる。
【０００５】
本発明は、図面を参照して以下の記載で説明される。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１は、テレメトリ回路基板を含む電子部品の取り付けを示す例示的なタービン翼の部分斜視図である。
【図２】図２は、図１の送信器部品の要素を示す分解斜視図である。
【図３】図３は、図２の送信器部品の筐体に含まれる高温電子部品パッケージ内の要素を示す分解図である。
【図４Ａ】図４Ａは、組立て中に回路基板を固定するための移動プレートの平面および側面図を示す。
【図４Ｂ】図４Ｂは、組立て中に構成要素を定位置に固定するために図４Ａの移動プレートで使用されるべき調整プレートの平面図である。
【図５Ａ】図５Ａは、図４Ａおよび４Ｂの移動プレートおよび調整プレートを使用する組立て過程の斜視図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図４Ａおよび４Ｂの移動プレートおよび調整プレートを使用する組立て過程の斜視図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、図４Ａおよび４Ｂの移動プレートおよび調整プレートを使用する組立て過程の斜視図である。
【図６Ａ】図６Ａは、半導体技術で一般に使用されるワイヤボンディング技術の図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、半導体技術で一般に使用されるワイヤボンディング技術の図である。
【図７】図７は、典型的なワイヤボンディングのｇ力分析を示す斜視図であす。
【図８】図８は、想定されるｇ力ストレス下でワイヤボンディングの各種状況を示す。
【図９Ａ】図９Ａは、本明細書で使用される増幅回路に対してバイアスする固有の回路を示す例示的な概略図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、各種温度下で図９Ａの増幅器のＡＣ出力電圧対バイアス電圧を示すチャートである。
【図１０】図１０は、歪みゲージ回路のブロック図である。
【図１１】図１１は、熱電対回路のブロック図である。
【図１２】図１２は、歪みゲージ出力信号を増幅するための回路の概略図である。
【図１３】図１３は、熱電対出力を増幅して、増幅された出力信号に送信器の局部温度を埋め込むための回路の概略図である。
【図１４】図１４は、電力調節回路の概略図である。
【図１５】図１５は、コルピッツ発振器を含むＦＭ送信器の概略図である。
【図１６】図１６は、代表的な熱電対の図である。
【図１７】図１７は、室温での熱電対回路に関する矩形波生成器の出力を示す波形図である。
【図１８】図１８は、上昇した温度での熱電対回路に関する矩形波生成器の出力を示す波形図である。
【図１９】図１９は、温度が上昇する時の熱電対の出力電圧を示す波形図である。
【図２０】図２０は、熱電対および矩形波生成器の結合された出力である、チョッパの出力を示す波形図である。
【図２１】図２１は、テレメトリシステムによって使用でき、本発明の実施形態を具体化する高利得差動増幅器および／または電圧調整器から利益を受けうる、歪みゲージ回路のもう１つの例のブロック図である。
【図２２】図２２は、ＡＣ結合ハイブリッド負荷差動増幅器等の高利得差動増幅器の１つの例示的な実施形態の概略図である。
【図２３】図２３は、電圧調整器の１つの例示的な実施形態の概略図である。
【図２４】図２４は、電圧調整器のもう１つの例示的な実施形態の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
本明細書で開示される実施形態は、温度が外気温から少なくとも４５０℃までの温度を含む３００℃より高い温度に及ぶガスタービンの領域からの電子回路の使用による無線テレメトリを介したデータの送信を可能にする。従って、回路およびパッケージの全ての要素は、３００℃より高い温度で動作できる材料から製造されるべきである。最新の技術では、高温電子システムは、制御論理回路がシリコンベースの電子部品、即ち最大３００℃まで高められた温度で動作可能な高温シリコンオンインシュレータ（ＨＴＳＯＩ）技術を使用するのに十分冷たい位置に設置されるように設計される。そのような最新技術のシステムでは、制御信号は、比較的低温の領域からワイヤを介して、３００℃より高い温度のホット領域に位置する電力増幅モジュールに送信される。電力増幅モジュールは、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ｌｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＰ、ＡｌｌｎＧａＰ、およびＧａＡｓＡｌＮを含む広バンドギャップの半導体材料、または約３００℃より高い温度で使用されうる高温で使用可能な他の半導体材料等、高温での使用のために設計された半導体を採用する回路である。このタイプの設計方法は、ガスタービンエンジンのような回転する高温域の構成要素上で機器を組込むために使用されない。なぜなら、送信器の電子回路全体が、タービン翼上に位置する必要があり、故に３００℃を超過する温度で動作する必要があるからである。新たな電子回路が本明細書で開示され、３００℃より高く少なくとも４５０℃までの温度を含む温度で、センサ信号の獲得および無線送信の両方を可能にする。
【０００８】
従って、開示された電子回路およびパッケージは例えば、アルミナ、ジルコニア、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム等のような、高温で使用可能なエポキシまたはセラミック材料で動作可能な材料から製造される。導体は、銀または金のような融解しないで高温に耐えられる材料から製造される。能動および受動電子構成要素は、基板が動作する温度環境および電気的要件に基づき選択される必要がある。パラジウム、ルテニウム、イリジウム、レニウム、ＮＰ０、ＣＯＧおよびＸ７Ｒ等の多層セラミックキャパシタのようなシステムに基づく厚膜抵抗等、高温能動構成要素が採用されうる。高温で使用可能なインダクタは、適切なインダクタが商業的に利用可能ではない場合、電子回路を支持するＰＣボード上に直接配置されることがある。能動構成要素、即ちトランジスタ、ダイオード等は、上記でリストされたような高温で動作できる半導体材料から製造されうる。構成要素および電子回路間の接続は同様に、ダイ接着、ワイヤボンディング、または任意の他の適切な方法の形式で、金またはプラチナ等の高温材料から作成されうる。一つの高温のボンディング材料という制限を超える場合、取り付けは、合金組成物を使用して実行されうる。デバイスが取り付けの間に曝露される温度を低減するために、共晶合金組成物が取り付けのために使用され、次いで比較的高い融解温度を備える組成物へ取り付け組成物を変更するための熱処理が続く。基板上の全ての材料は、要求される動作温度への曝露が、基板の性能を低下させる化学的相互作用または組成的／構造的変化をもたらさないように選択される必要がある。熱電対または歪みゲージセンサから信号を送信できる完全な回路は、現在利用可能であるかまたは開発中である高温の能動および受動タイプの電子材料を使用して本願に従って設計された。
【０００９】
図１を参照すると、本発明の実施形態により、３００℃を超過する温度を有する環境で動作する、ブレードの付根２２上に位置する特定の電子構成要素を有するタービンエンジン翼２０等の回転構成要素からセンサデータを送信することができる。本明細書の開示目的のために、追加的限定のない用語“高温”は、３００℃を超過する最大動作温度を有する燃焼タービンの部分内等、任意の動作環境に言及する。
【００１０】
本発明の実施形態は、１つまたは複数のセンサ、少なくとも１つのテレメトリ送信回路にセンサを接続するリード線、少なくとも１つの送信アンテナ、電源、および少なくとも１つの受信アンテナを含みうるテレメトリシステムで実装される燃焼タービンで使用するための構成要素を提供する。図１は、タービン翼２０、無線テレメトリ送信部２４、および回転アンテナ部２６を示す。リード線またはコネクタ２８は、ブレードの付根２２近傍に搭載される時、センサ３０等の１つまたは複数のセンサからテレメトリ送信部２４へ延びうる。リード線２８は、図２に示される電子パッケージ３４内に含まれる回路基板上に形成されたテレメトリ送信回路によって信号が処理されるテレメトリ送信部２４へ、センサ３０から電子データ信号を中継しうる。リード線または電気コネクタ３６は、テレメトリ送信回路から回転アンテナ部２６に電子データ信号を中継するために配置されうる。
【００１１】
図２は、高温回路基板を含み、テレメトリ送信部２４の一部を形成しうる高温電子パッケージ３４を示す。電子パッケージ３４の本体は、Ｋｏｖａｒ（登録商標）ブランドの合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏの合金などの低熱膨張係数を備えた合金から製造されてもよい。Ｋｏｖａｒ（登録商標）の合金の熱膨張係数は、正確な組成に依存して約４．５〜６．５×１０−６／℃に及ぶ。タービン翼２０のような高温タービン構成要素に通常使用されるＮｉベースの合金は、約１５．９〜１６．４×１０−６／℃の範囲で熱膨張係数を有する。電子パッケージ３４は、図２を参照して以下説明する通り、電子パッケージ３４およびタービン翼２０間の相対移動を可能にする一方、定位置にしっかりと取り付けられうる。この相対移動は、それらの異なる熱膨張率からもたらされ、ブレードの付根２２近傍で通常受ける外気温と３００℃より高い動作温度との間で多数の熱サイクルの間に徐々に発生する。
【００１２】
図２に示す限りのテレメトリ送信部２４は、マウンティングブラケット３７および蓋またはカバープレート３８を含むことができ、電子パッケージ３４がその間に位置する。複数の接続ピン４０は、電子回路基板上に製造された無線テレメトリ回路を有するようなパッケージ３４内に含まれる電子回路基板と、センサからのリード線、誘導コイル部、またはデータ送信アンテナのような各種外部装置との間の接続を可能にする。共に接続するマウンティングブラケット３７、カバープレート３８、および留めねじ３９は、タービン翼２０と同じ材料から全て製造されてもよい。これは、タービン翼２０とマウンティングブラケット３７との間の熱膨張において違いが無いことを確実にする。結果として、熱過渡中にマウンティングブラケット３７またはタービン翼２０でストレスが発生しない。
【００１３】
電子パッケージ３４の熱膨張係数は、マウンティングブラケット３７の係数と異なることがある。これらの構成要素が内部に存在する動作システムが高温である時、Ｋｏｖａｒ（登録商標）合金である任意の回路基板を内部に含む電子パッケージ３４は、マウンティングブラケット３７ほど膨張せず、システムにおいて振動エネルギによって生ずる損傷をもたらすことがある。マウンティングブラケット３７内に電子パッケージ３４を固定してブラケット３７および電子パッケージ３４間の寸法変化の差を調節するために、セラミック繊維織物の層４１は、電子パッケージ３４とマウンティングブラケット３７の内面との間に設置されうる。織物４１は、炭化ケイ素、窒化ケイ素、または酸化アルミニウムのような繊維を含む適切なセラミック繊維から製造されてもよい。例えば、３Ｍによって製造されるＮｅｘｔｅｌ（登録商標）の酸化アルミニウムベースの織物の多くが織物４１に使用されてもよい。
【００１４】
テレメトリ送信部２４を形成するためにマウンティングブラケット３７およびカバープレート３８と共に組立てられる、電子パッケージ３４およびセラミック繊維織物４１を使用して、マウンティングブラケット３７は、ボルト締め、溶接、ろう着、または一時的な液相接合を介して等の適切な取り付け手段によってタービン翼２０に取り付けることができる。図１は、受信部２４のためにブレードの付根２２近傍でタービン翼２０内にフライス加工或いは形成されうるリセスまたは平面窪み４２を示す。
【００１５】
カバープレート３８は、カバープレートに構造的支持を追加するためにＧ力の方向に垂直に配向されたフランジ４４で形成されてもよく、回転タービン翼２０が全速で動作する時に発生するｇ負荷力を無効にする。これは、ｇ力を介してカバープレート３８に適用される負荷の伝達から留めねじ３９を軽減することで留めねじを十分小さく作成できるので、テレメトリ送信部２４は、任意の隣接する構成要素との干渉なしで比較的小さなリセス４２に収まる。留めねじ３９がＧ力によって適用された負荷の伝達を要求された場合、その要求された大きさが大きすぎるので利用可能な空間に収まらない。
【００１６】
図１は、回転アンテナ部２６が付根２２の端面またはネックに取り付けることができることを示す。部分２６は、タービン翼の付根２２を含むタービン翼２０等のタービンの高温ガス経路の構成要素に使用されるＮｉベースの合金とは異なる熱膨張係数を有する電子部品にすることができる。１つまたは複数の回転アンテナ部２６は、音速かまたはそれに近い速度でのタービン翼２０の回転中に風の影響（windage）から保護されうる。実施形態では、風の影響の保護材料は、材料を介して電力およびデータの送信を可能にするために、ＲＦ放射周波数に透過的である。回転可能なアンテナ部２６の実施形態は、図１に示される耐久性がある保護用のＲＦ透過カバー５０を含むことができ、基本的にデータアンテナおよび誘導電力構成要素が含まれる中空の固定物である。ＲＦ透過カバー５０は、燃焼タービンの動作中に風の影響の物理的影響からその中身を保護する。特定のセラミックは、上昇した温度における成分からＲＦ透過機器を保護するのに適切である。しかし、多くのセラミックおよびセラミックマトリクス複合材料は、回転タービン翼２０が燃焼タービンの動作中に受ける振動衝撃およびＧ負荷の下で、欠けおよび亀裂の傾向がある。本発明の発明者は、ＲＦ透過カバー５０がＲＦ透過的で、高靱性で、構造的なセラミック材料から製造できると判断した。セラミックマトリクス複合材料は、強化セラミックとして知られる材料の群から選択された材料と同様にカバー５０を製造するために使用されうる。炭化ケイ素、窒化ケイ素、ジルコニア、およびアルミナ等の材料は、追加要素の添加により増加した強靭性または特定の処理手法に起因する設計上の微細構造で利用可能である。
【００１７】
ＲＦ透過的で、形成が容易で、比較的安価であるそのような材料の１つは、ジルコニア強化アルミナ（ＺＴＡ）として一般に言及されるセラミック群から選択された材料である。アルミナ材料のこの群から選択されたセラミック材料は、従来の純アルミナ材料よりも強度および強靭性においてかなり高い。これは、アルミナ全体に均一に酸化ジルコニウム微粒子を組込むことによって達成される応力誘起変態に起因する。典型的な酸化ジルコニウムの含有量は、１０％および２０％間である。結果として、ＺＴＡは、従来の純アルミナ材料に対して増加した構成要素の寿命および性能を提供する。
【００１８】
ＺＴＡの設計された微細構造は、セラミックが圧迫状態で負荷がかけられている時に耐破壊性がある。しかし、張力でかなり負荷がかけられた場合、セラミックは、従来のセラミック材料と同様に破滅的に機能しなくなる。従って、ＲＦ透過カバー５０は、セラミック材料の引張応力が燃焼タービンの動作中に最小化されるように設計される。これは、（１）ＺＴＡ構成要素の全ての角、端、および屈曲が、鋭い角および端を除去するように機械加工されて、これらの位置での応力集中因子を低減し、（２）回転アンテナマウンティングブラケット５１のＺＴＡ構成要素の配向および嵌合が、動作中にＺＴＡボックスに適用されたＧ力が取り付けフランジで高い曲げ応力を生成しないものであるように、設計および製造することにより達成される。これは、Ｇ負荷方向に垂直ではなくＧ負荷方向に平行にフランジを配向することによって達成され、それによりＺＴＡフランジは、圧迫状態で負荷がかけられて、曲げにおいて負荷がかけられない。
【００１９】
マウンティングブラケット５１は、燃焼タービンの動作中に回転アンテナ部２６が受ける全てのＧ負荷がブラケット５１の上端に延びる方向で吸収されるように設計される。マウンティングブラケット５１において、マウンティングブラケット５１に含まれるアンテナからかなり離れて延びてＲＦ送信データ信号を減衰させる部分はない。ＲＦ透過カバー５０は、その内部応力場が主に圧迫され、そのフランジ上の半円ディボット（semicircular  divot）を介してねじピン（図示せず）を使用して保持されうるように、定位置に固定される。
【００２０】
マウンティングブラケット５１は、溶接、ろう着、接着、ボルト締め、またはねじ締め等の従来の手段を介してタービン翼２２の面に取り付けられうる。回転アンテナ部２６の実施形態は、セラミック製陶材料と共にアンテナを含むカバー５０の中空本体に所望のアンテナを設置することにより組み立てられてもよい。アンテナを含む製陶されたＲＦ透過カバー５０は次いで、タービン翼の付根２２に予め取り付けられていてもよいマウンティングブラケット５１に滑り込むことができる。カバー５０は、マウンティングブラケット５１に挿入されたピンおよびカバー５０のディボットを介してマウンティングブラケット５１に固定されうる。
【００２１】
ここで図３を参照すると、図２の筐体２４内に含まれる高温電子パッケージ３４内の要素を示す分解図が示される。パッケージの下空洞３４Ａは、その端から延びる電気接続ピン４０を含み、そのコネクタは、パッケージ３４内の電子部品と外部センサ、電源、およびアンテナとの間の通信を可能にする。少なくとも４５０℃までの高温で機能するために、パッケージは、電気回路およびその基板、以下ＰＣボード４２を含むように設計および製造される必要がある。パッケージは、温度および遠心力の負荷要件に耐え、基板上の回路を保護できなければならない。故に、パッケージ３４は、金めっきのＫｏｖａｒ（登録商標）合金から作成され、電気接続ピン４０は、金から作成される。パッケージ３４上にめっきされる金は、上昇した温度で生じ得る、Ｋｏｖａｒ（登録商標）合金の酸化を防止する。コネクタ４０は、個々の絶縁スリーブ（図示せず）を使用してパッケージから絶縁される。一対のピン４０は、電気コネクタ２８に接続され、センサ３０と通信する。第３のピンは、接地電位（電気接地）に接続され、またピン４、５、６、および７は、電源に（正および負のＡＣに対してそれぞれ２つ）接続される。最後のピンは、アンテナ２６に送信出力（データ）信号を接続するために使用される。
【００２２】
ＰＣボード
ＰＣボード４２または基板は、高温で動作可能な材料、例えばアルミナ、ジルコニア、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム等のようなセラミック材料から製造されるのが好ましい。回路配線（または“プリント回路”）は、銀、金、プラチナ、またはパラジウムなどの高温で動作する金属から製造されるのが好ましい。発明者は、ＰＣボード４２の１つの実施形態を製造するためにアルミナ基板を使用する圧膜処理を選択した。アルミナ基板は、圧膜金ペーストで金属化される。これら基板は、高温で良好な性能を発揮し、ダイ取り付け処理に対しかなり相性がよかった（以下で説明）。Ｄｕｐｏｎｔ  ＱＧ１５０ブランドの金ペーストは、金属化として選択された。このペーストは、酸化物ガラス結合剤と共に高濃度の金粉を含む。ＰＣボードは、１０〜１００ミル（mil）の厚さのアルミナから形成されうる。最終的な基板は、２０ミルの厚さがある９６％のアルミナ基板を含む。高濃度の金ペーストは、導電層として使用され、またそこへワイヤボンディングおよびはんだづけ可能な表面として機能した。プリント機能は、５ミルのライン解像度を可能にした。
【００２３】
ＰＣボード４２は、上記概説した過程によって組み立てられる。基板は、圧膜スクリーン印刷処理を利用して用意される。専門のスクリーンプリンタは、パターン化されたステンレス製の細目スクリーンに関連して使用される。金ペーストは、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）基板上に印刷される。印刷後、ペーストは、ペーストの溶剤を“ベークアウト（bake  out）”するために１００℃でオーブンにおいて乾燥させられる。次に、基板は、加熱炉に設置され、８５０℃で焼成される。この過程の間、ペーストのガラス／酸化物結合剤は、焼結されたペーストとアルミナ基板との間の強い結合を形成する。多数の印刷は、多数の焼成ステップを要する。１つの実施形態によると、２つの印刷／焼成サイクル（上および下側の金属化）が採用される。
【００２４】
焼成された基板は次いで、ダイスカットソーで適切な寸法に切り取られる。上側のプリントは、その上に形成された回路パターンを有し、また下側のプリントは、印刷適性の制限により“かみあった（meshed）”金属面である。後ろの金属面は、冶金学的ボンディング処理がその上で実行できるようにする。
【００２５】
一度ＰＣボード４２が完成して構成要素がそこに取り付けられる（以下で説明）と、ＰＣボードは次いで、空洞３４Ａに設置され、１２カラットの金ワイヤ４４Ａ、４４Ｂは、固定器具を形成するよう空洞にレーザ溶接され、圧迫を介して定位置にＰＣボードを固定する。パッケージに基板を機械的に保持することは、パッケージおよびその中身に与えられる高いｇ力により、かなり重要である。固定器具は、パッケージの熱膨張係数の２０％内で熱膨張係数を有する材料で形成されて、それらの間で異なる熱成長を最小化しうる。パッケージ３４に充填材を追加し、ＰＣボードおよび回路構成要素にわたって充填材を拡散して、動作中におけるそれら配置の安定化を助けることができる。しかし、使用される任意の充填材は、温度サイクルの間に構成要素およびそれら接続ワイヤの任意の膨張または収縮を許容しなければならない。最後に、蓋３４Ｂは、空洞３４Ａの上部に固定される。１つの実施形態によると、Ｋａｐｔｏｎ（登録商標）ブランドのポリイミド絶縁テープは、圧迫によって機械的に固定されるまで定位置に蓋３４Ｂを保持するために使用された。蓋３４Ｂを固定するための別の実施形態は、パッケージ空洞３４Ａにそれを溶接することである。
【００２６】
以下詳細に説明する通り、ＰＣボード４２に関する２つの異なる回路レイアウトパターンが使用されうる。第１のパターンは、タービンの選択された構成要素の温度変化を検知する回路に関して設計され、センサ３０が熱電対である。構成要素温度を示す信号は、回路によって増幅および処理され、次いでＦＭ送信器を介して送信され、アンテナ２６等のアンテナを介して送信される。このタイプの回路は、温度を測定するセンサ以外のセンサに関して使用できるが、静的歪み、導電トレース、化学センサ、または圧力センサ等の応答として直流（Ｄ／Ｃ）出力信号も生成しうる。第２のパターンは、タービンの選択された構成要素上で発生する動的歪みを検知する回路に関して設計され、センサ３０が歪みゲージである。選択された構成要素上で発生する動的歪みを示す信号は、回路によって増幅および処理され、次いで別個のＦＭ送信器を介して送信され、アンテナ２６等のアンテナを介して送信される。このタイプの回路は、動的歪みを測定するセンサ以外のセンサに関して使用されるが、加速度計または電磁波放射検出器等の応答として交流（Ａ／Ｃ）出力信号も生成しうる。代替の実施形態は、受信信号を２つの別個のデータ信号に復号化するよう構成された単一のＦＭ受信器に送信するための多重信号を多重化する単一のＦＭ送信器を使用する。ＰＣボード４２は図３に示す通り、部分的に完成して示され、一般に熱電対回路を示す。両方の回路は、空芯インダクタコイルＬ１を含み、ＦＭ送信器のコルピッツ発振器に関するタンク回路の一部であり、以下さらに詳述される。コイルＬ１の品質係数Ｑは、回路の動作温度および動作周波数で少なくとも５でありうる。スパッタされた金または銀材料は、コイルを形成するために使用されてもよいが、そのような蒸着処理は一般に、低いＱ値を有するインダクタをもたらす。本願の発明者は、インダクタコイルを形成するために金または銀ワイヤをうまく利用した。金属ワイヤの空芯導体は、高周波での電気ショートを防止するためにその長さに沿って埋め込まれてもよい。絶縁テープは、電気ショートを防止するためにそれ自体で交差する埋め込みワイヤ上に巻かれてもよい。代わりに金属ワイヤは、電気ショートを防止するためにその交差点でブリッジに形成されてもよい。そのようなコイルの機械的強度および安定性を高めるために、埋め込み材料がワイヤの周囲に設置されうるが、任意のそのような埋め込み材料は、コイルのＱ係数に必ず影響を与える。一つの実施形態では、セラミックアルミナペースト懸濁液（Ｃｅｒａｍａｂｏｎｄ（登録商標）ブランドのセラミック接着剤）が埋め込まれた金ワイヤは、ガスタービンの動作温度およびＧ力で所望の構造的安定度を提供し、５より大きいＱ値を提供した。そのようなアルミナベースの埋め込みはまた、コイルに関して電気絶縁体として機能するので、ワイヤの周囲に別個の電気絶縁体が不要になる。
【００２７】
ダイ／構成要素の取り付け
少なくとも４５０℃までの上昇した温度で機能し、１０００ｇ’ｓより高い遠心負荷に耐える電子パッケージのために、特別な要件がＰＣボード４２に構成要素を取り付けることに関して満たされる必要がある。全ての接着は、はんだの適切なリフローを確実にするために真空オーブンで実行される。発明者は、はんだづけされている構成要素が僅かな質量を有する時に直面しうる主な問題を理解していた。構成要素の質量がかなり小さい場合、ビードアップ（bead  up）するに従って液体合金の表面張力を破壊できないことがあり、構成要素部分は、はんだの外へ押されて別の位置に滑ることがあり、またはずれることがある（“ツームストーニング（tomb  stoning）”と呼ばれる）。
【００２８】
この問題を解決するために、本願の発明者は、真空オーブンの過熱設備に収まる移動プレートおよび構成要素調整プレートを利用する手法を開発した。移動プレート６０は、図４Ａに平面および正面図で示され、一対の構成要素調整プレート６１および６２はまた、平面図で図４Ｂに示される。図４Ａは、図３に示すＰＣボード４２の組立てで使用される移動プレート６０の平面および端面図を示す。プレートは、黒鉛で作成され、基板（ＰＣボード）と、組立て動作中にＰＣボードに構成要素を取り付けるよう調整する調整プレート６０、６１とを受けるよう形成および成形される。調整プレート６０、６１は、高温に耐えられる必要があり、はんだに対し不活性かつ耐性があり、構成要素に対し精密なカットアウトを定めることが必要である。従って、ステンレス製の合金３１６は、これらのプレートを製造するために使用されうる。小さいサイズのカットアウトおよび精密さの必要性により、レーザ切断が製造に使用されうる。
【００２９】
次の懸念は、ＰＣボード４２に構成要素を取り付けるためのはんだの形成である。材料は、ダイの金属化（Ａｕ薄膜）および基板の金属化（Ａｕ圧膜）に適合する必要がある。
【００３０】
２つのぬれ面の間における高温充填材の融解を含む比較的直接的な過程であるろう着は、（１）ほとんどのろう付けが７００℃を越える液体温度を有し、腐食性の高いフラックスを要求し、（２）多くのろう付け合金が共晶でなく、複雑な処理でありうるかなり広いプラスチック領域を有し、（３）ほとんどのろう付けが金表面に適合しない、という３つの主な要因により本願にとって最善ではないことが発見された。
【００３１】
発明者はまた、一時的な液相（ＴＬＰ）接合が最適ではないことを発見した。この過程では、低い融点の合金が２つの対応する表面間で液化される。合金が接合面の間の隙間を満たすに従い、対応する金属を“分解（dissolve）”または“浸出（leach）”するよう機能する。この作用は、合金の組成を変更するので、充填材の融点を変え、凝固およびかなり高品質の接着をもたらす。この過程の主な要件は、溶融金属層がかなり薄い一方で接着される表面が厚いことである。この過程が薄膜（２０ミクロンの厚さ）および厚膜（２５ミクロンの厚さ）基板に適用された時、発明者は、結果の多くが要件を許容できないという、かなり深刻な不一致を発見した。
【００３２】
発明者は、純金を利用する固体拡散過程が本願に使用可能であることを発見した。この過程では、利用される液体金属がない。代わりに、金の高速自己拡散特性が２つの純金表面の間でかなり高品質の接着を生成するために使用される。固体拡散は、充填材なしで実行されうる一方、共に接面を圧迫して適切な接触領域を得るためにかなり高い圧力を一般に必要とする。そのような圧力の代わりに、発明者は、接着表面の間の隙間を満たすために金の充填材を選択した。金箔および金粉が調査され、金粉は、隙間を満たすこと、および焼結による加熱下で固体の均質な層を形成することの両方が可能なので、よりよい選択であると証明された。焼結は、２つの小さい粒子を共に結合して固体マトリクスにするために、拡散を利用する過程である。これは一般に、拡散率を増加するために上昇した温度で実行される。固体拡散過程が金粉で実行されうる一方、金ペーストが本願で使用するのが容易であったことも発見した。ペーストは、ディスペンシング、スタンピング、およびスクリーン印刷を含む複数の方法によって適用されうる。金ペーストおよび金粉の間の主な違いは、金ペーストが、粉が容易に適用できるように移動媒体として機能する有機ビヒクル（ポリマー、テルピネオール、またはグリコールエーテル等）と、接着が望まれるまで粉を分離するよう機能する界面活性剤との両方を有することである。
【００３３】
複数の金の厚膜ペーストが使用のために選択された。純金層への粘着を提供しない他の添加物（酸化物ベースの結合剤およびガラスフリット）をペーストが有する一方、それらは、アルミナ基板および厚膜金メタライゼーションに適合する。また、これらペーストが直ちに利用可能であり、小さな高純度の金粉を含み、簡単に適用されるよう設計される。多くの金ペーストが適合可能であると証明された一方、最善の実行できる選択は、ＤｕＰｏｎｔ  ＱＧ１５０であることが発見され、それは、金の組成物の利用可能性が最も高いペーストである。これは、基板を金属化するために使用されたペーストと同じなので、システム全体にかなり適合性がある。この過程では、ダイおよび構成要素は、少量のＱＧ１５０金ペーストを備える金メタライズされた基板上に設置される。部品は次いで、１２時間かけて４００℃のオーブンに設置される。この期間、金−金拡散は、隣接する金粒子間と、粒子および接着面間とで発生する。結果としての接着は、かなり強力で、５００℃を越える温度に耐えることができる。また、過程は、直接的で、高速で、反復可能であり、かなり小さな構成要素上で実行されうる。
【００３４】
ここで図５Ａ、５Ｂおよび５Ｃを参照すると、回路基板上に構成要素を配列および組み立てるために使用される移動プレートの斜視図が示される。先ず、基板またはＰＣボード４２は、移動プレート６０の空洞に設置される。次に、調整プレート６１、６２は、基板上に設置される。構成要素の取り付けの金ペーストは次いで、調整プレートの開口部に設置され、構成要素は次いで、組立て動作のために調整プレート６０、６１の開口部に設置される。基板、調整プレート、金ペースト、および構成要素と共に移動プレート６０は、図５Ｃに示す通り加熱された黒鉛プレート６５の間に挟まれる。部品は次いで、１２時間４００℃のオーブンに置かれる。この期間、金−金拡散が発生し、ダイおよび構成要素は、５００℃より高い温度で高いせん断強度で取り付けられたままである。過程は、ダイおよび構成要素を適切に配列するピックアンドプレース機械によって反復可能に行われる。
【００３５】
ワイヤボンディング
ワイヤ接着は、多くの電気的用途で使用される標準的な方法であるが、高温環境の一方でそのような高いせん断力（sheer  force）（即ち、ｇ負荷）を受けさせる環境で採用されるべきことが発明者によって知られていない。ここで図６Ａおよび６Ｂを参照すると、半導体技術で一般に使用されるワイヤボンディング技術が示される。図６Ａは、ボンディングワイヤの各端のフットおよびヒールを示し、図６Ｂは、用語“ループ高さ（loop  height）”および“ボンド長さ（bond  length）”を示す。図７は、典型的なワイヤボンディングのｇ力分析を示す斜視図であり、ｇ力は、４つの異なる方向から適用される。先ず、Ｘおよび−Ｘ方向として表示されるワイヤ接着にわたる逆方向に（即ち、ワイヤに平行な方向に）２つの考えられる力があり、次いでＺおよび−Ｚ方向として表示されるワイヤ接着に対して逆方向に（即ち、ワイヤに垂直な方向に）２つの考えられる力がある。図８は、これら様々な方向で想定されるｇ力の応力の下で、ワイヤの変形を示すワイヤボンディングの図を示す。ＰＣボードへ集積回路を接続するために使用される相互接続技術は、任意の電子デバイスに必須の構成要素である。
【００３６】
高いｇ力の下で、ワイヤ接着は、その元の位置からある程度逸れることが通常予想される。本願の発明者は、本発明の高温および高いｇ環境において金のワイヤ接着の利用が可能であることを偶然発見した。Ｘ方向におけるワイヤ接着の負荷（図８の負荷状態２）が少なくともワイヤにおける全体の応力をもたらしたことが発見された。０．７および１．０ミルの直径の、金のワイヤ接着が使用された。ワイヤ接着の両方の直径は、遠心負荷に対し平行に配向された場合、構造的に安定し、最大ループ高さは、１７．４ミルより高くなく、（ボンディングパッドからボンディングパッドへの）最大ボンディング長さは、３５ミルより下に維持される。これらの結果は、１０００ｇ’ｓより高い負荷に適用可能であり、実際に１００００ｇ’ｓわたる負荷に適用可能であることが検査された。ワイヤの特性、ループ高さ、ボンディング長さ、および温度は全て、ワイヤ接着の最大持続可能なＧ負荷に影響を与える。
【００３７】
電子部品
ここで図９を参照すると、本明細書で使用される増幅回路に関する固有のバイアス回路を示す例示的な概略図が示される。バイアス回路の機能は、適当な動作領域にＪＦＥＴを設置することである。ＪＦＥＴに関して、動作の位置は、ＪＦＥＴが小さい抵抗として作用する抵抗領域内、またはＪＦＥＴが電圧制御電流源として作用する飽和領域内の様々な点にすることができる。異なるバイアス点は、たとえ同じ領域内の異なる点でも異なるＪＦＥＴの作用をもたらす。ＪＦＥＴが２５℃から５００℃の温度範囲にわたり動作する時、多くのＪＦＥＴの特性が変化する。ここで特に注目すべき事項は、デバイスが低温よりも高温で低い利得を示すという事実である。もう１つの重要な変化は、温度にわたるＪＦＥＴの特性であり、それは、上昇温度にわたるＪＦＥＴ閾電圧の下方（負への）シフトであって、図９Ｂで実証されている。
【００３８】
構造的に、図９Ａに示す増幅回路は、正電圧Ｖ（＋）のソースおよび負電圧Ｖ（−）のソース間に直列接続されたＲＢ＿１およびＲＢ＿２を含む電圧分配ネットワークを含む。ＲＢ＿２にＲＢ＿１を接続する回路ノード１０００は、入力キャパシタＣ＿１の一側、およびＪＦＥＴ  Ｑ１のゲート端子に接続される。Ｃ＿１の別の一側は、入力端子Ｖ（ｉｎ）に接続される。ＪＦＥＴ  Ｑ１のソース端子は、接地電位に接続され、そのドレイン端子は、負荷抵抗ＲＤの一側に接続される。抵抗ＲＤの別の一側は、正電圧Ｖ（＋）のソースに接続される。Ｑ１のドレイン端子はまた、別のキャパシタＣ２を介して出力端子Ｖ（ｏｕｔ）に接続される。
【００３９】
図９Ｂは、変化する温度下で図９Ａの増幅器のバイアス電圧に対するＡＣ出力電圧の変化レベルを示す。即ち、ノード１０００上の電圧レベルは、図９Ｂの横軸上にプロットされ、結果としての出力電圧Ｖ（ｏｕｔ）は、縦軸上にプロットされる。曲線１００１は、２５℃の温度での出力電圧を示し、曲線１００２は、１００℃での出力電圧を示し、曲線１００３は、２００℃の温度での出力電圧を示し、曲線１００４は、３００℃の温度での出力電圧を示し、曲線１００５は、４００℃の温度での出力電圧を示し、曲線１００６は、５００℃の温度での出力電圧を示す。
【００４０】
ＪＦＥＴの共通ソースＡＣ増幅器（例えば図９Ａ）では、最高ＡＣ電圧利得をもたらす狭い範囲のバイアス電圧がある。従って、この図から分かるように、比較的低い最大ＡＣ出力電圧をもたらす温度にわたり低減された利得がある。また、それは、最大ピークツーピーク出力電圧が発生するバイアス点が左にシフトすること（増加した温度でより負のＤＣゲートバイアス電圧）を示す。理想的なバイアス回路は、ピークを追跡し、それにより最適な性能を提供する。故に、温度変化にバイアスＤＣ電圧を適合することが望ましい。
【００４１】
抵抗ＲＢ＿１およびＲＢ＿２は、図９Ｂの横軸上に描かれた電圧と同じ電圧である共通ソース増幅器（図９Ａ）のソース電圧（Ｖｇｓ）にゲートのＤＣ動作点を設定する。例えば、２５℃のピークＡＣ電圧出力に関するバイアス点は、Ｖｇｓ＝−１．７ｖの場所である。抵抗ＲＤは、ＪＦＥＴドレイン抵抗であり、増幅器の電圧利得を決定するのを助ける。（２５℃から４５０℃の）温度変化（temperature  excursion）にわたり回路をバイアスする時に関して説明されなければならない２つの特性は、抵抗ＲＢ＿１およびＲＢ＿２によって設定されたバイアス点であって、ピーク出力電圧の電圧結果を追跡すべきであり、回路の利得は、増加する温度と共に増加されるべきである。上記２つの測定が行われる場合、デバイスの出力特性は、対象となる温度範囲にわたり基本的に一定のままである。これは、ＲＢ＿１が抵抗の正の温度係数（ＰＴＣ）を有する一方で抵抗ＲＢ＿２が抵抗のゼロ温度係数（ＺＴＣ）を有するよう設計することにより達成されうる。第２の手法は、温度が増加するにつれ増幅器利得を増加するように、同様にＰＴＣを抵抗ＲＤに与えることである（低温での利得に等しい高温での利得をもたらす）。
【００４２】
抵抗の温度係数は、いくつかの方法で実施されうる。それらは、表面実装サーミスタを使用して適用できると考えられ、または回路基板に取り付けられる異なる材料で製造されうる。抵抗の様々な温度係数（ＴＣＲ）を所有する多数の厚膜ペーストが利用可能である。１つの実施形態によると、抵抗ＲＢ＿１およびＲＤは、ＴａＮ厚膜で形成され、抵抗ＲＢ＿２は、プラチナ厚膜で形成される。
【００４３】
ここで図１０を参照すると、歪みゲージ回路のブロック図が示される。測定されるタービン構成要素上に置かれた歪み量を示す信号は、歪みゲージ１０１によって生成される。この信号は次いで、差動増幅器１０２によって検知され、さらに増幅のためにＡＣ増幅器１０３に接続される。増幅された歪みゲージ信号は次いで、電圧制御発振器１０４の入力に適用され、振動信号を生成し、その周波数は、測定されたタービン構成要素上に置かれた歪みを示す。この振動信号は次いで、バッファ１０５によってバッファされ、従来のチューナ（図示せず）に送信するためアンテナ２６に伝えられ、搬送周波数に同調される。
【００４４】
ここで図１１を参照すると、熱電対回路のブロック図が示される。測定されたタービン構成要素の温度を示す信号は、熱電対１１０によって検出され、信号は、差動増幅器１１１に伝えられる。差動増幅器１１１の出力は、ＤＣ増幅器１１２に伝えられる。増幅器１１２の出力および矩形波発振器１１３（または矩形波生成器）の出力は、“チョッパ”１１４の入力に接続される。チョッパ１１４の出力は、発振信号を生成する電圧制御発振器１１５の入力に接続され、発振信号の周波数および振幅は、測定されたタービン構成要素上で検知された温度を示す。この発振信号は次いで、バッファ１１６によってバッファされ、従来のチューナ（図示せず）への送信のためにアンテナ２６に伝えられ、搬送周波数に同調される。両方のタイプの回路は、同一タービン上で使用され、搬送周波数は、２つの信号間の衝突を回避するために異なりうる。
【００４５】
ここで図１２を参照すると、歪みゲージ出力信号を増幅するための回路１０１、１０２、および１０３の概略図が示される。従来の無線テレメトリ回路設計の修正は、４５０℃を超過する温度で使用可能な、利用可能な電子デバイスのより制限された選択で電気的に要求されたタスクを達成するために要求された。歪みゲージ信号調整（励起および増幅）回路は、一つのタイプのトランジスタ、高温メタライゼーションのＪＦＥＴのみ使用して設計された。金属接着パッド（即ち、金）の接続は、半導体材料に直接行われないが、タングステン等の粘着層を利用する必要があり、またおそらく拡散バリアを追加する必要がある。これら金属は、ダイの“金属スタック”、即ち高温メタライゼーションを含む。
【００４６】
構造的に、正電圧Ｖｄｃ（＋）のソースおよび接地電池間に接続される抵抗Ｒ７および歪みゲージを含む電圧分配ネットワークがある。回路ノード１１００は、抵抗Ｒ７および歪みゲージ間の接続点であり、またキャパシタＣ４を介してＪＦＥＴトランジスタＪ１のゲート端子に接続される。トランジスタＪ１は、図９Ａを参照して上述した方法と同様に、このトランジスタのゲート端子で連結される一対の抵抗ＲＢ＿１およびＲＢ＿２によってバイアスされる。トランジスタＪ１は、トランジスタＪ２を含む差動増幅器の半分である。トランジスタＪ１のドレイン端子は、抵抗Ｒ１を介して正電圧Ｖｄｃ（＋）に接続され、トランジスタＪ２のドレイン端子は、抵抗Ｒ２を介して同じＶｄｃ（＋）に接続される。トランジスタＪ１およびＪ２のソース端子は、共に接続され、別のトランジスタＪ３のドレイン端子に接続され、Ｊ３は、接地電位に接続されるゲート端子と、別の抵抗Ｒ３を介して接地電位にさらに接続されるソース端子とを含む。トランジスタＪ２のゲート端子はまた、接地電位に接続される。従って、トランジスタＪ１のゲート端子上の任意の変化は、そのドレイン端子で増幅され、さらにキャパシタＣ１を介して別のトランジスタＪ４のゲート端子へ接続され、Ｊ４は、トランジスタＪ５およびＪ６を含む増幅の３つのさらなる段階（ＡＣ増幅器１０３）の１つ目であり、増幅器の出力が端子Ｖｏｕｔで提供される。
【００４７】
歪みゲージを含む、測定されている構成要素上に置かれた歪みの変化は、歪みゲージ抵抗の抵抗値を変更し、それによりトランジスタＪ１のゲート端子における電圧を変更する。この変化は、トランジスタＪ４、Ｊ５、およびＪ６による増幅の後続段階に接続される、抵抗Ｒ１にわたるトランジスタＪ１の出力を変更する。図１３に示される全ての抵抗は、抵抗ＲＢ＿１（ＰＴＣを有する）を除いて、抵抗のかなり低い（僅かに正だがゼロに近い）温度係数を有する。また、全てのＪＦＥＴトランジスタは、上述の通り高温メタライゼーションで作成される。
【００４８】
ここで図１３を参照すると、熱電対出力を増幅し、熱電対回路の局部温度を増幅された出力信号に埋め込むための回路１１０、１１１、および１１２の概略図が示される。この方法では、単なる熱電対出力ではなく熱電対にわたる温度勾配が送信でき、故に正確な温度測定を与える。図１６は、図１１のブロック図で示す回路（即ち、熱電対回路２０１）に接続される熱電対１１０を示す。熱電対１１０の出力は、ΔＴ°の表示で示される。以下さらに図示および説明される通り、ΔＴ°および熱電対回路２０１の局部温度の合計は、タービンの実際に測定された温度を示す。
【００４９】
さらに図１３を参照すると、熱電対の負の脚が接地され、正の脚がトランジスタＪ７のゲート端子に接続され、Ｊ７はトランジスタＪ８と共に、差動増幅器１１１を形成する。この差動増幅器は、トランジスタＪ７のゲート端子およびトランジスタＪ９で形成される電流源で共に接続されるＲＢ＿１およびＲＢ＿２を含む電圧分配器によってバイアスされる。上述の通り、高温環境を補うために、抵抗ＲＢ＿１は、ＰＴＣを有し、抵抗ＲＢ＿２は、ＺＴＣを有する（図９Ａおよび対応する記載を参照）。
【００５０】
熱電対信号がＤＣまたはかなり低い周波数のＡＣなので、後続の増幅段階は、容量的に結合されることがない。代わりに、トランジスタＪ１０は、共通ソーストランジスタＪ１１がバイアスされなければならないレベルへ差動増幅器の出力をシフトダウンするために、ソースフォロア構成で使用される。ソースフォロアは、差動増幅器の出力インピーダンスを下げることが分かる。トランジスタＪ１１は、信号をさらに増幅する機能がある。トランジスタＪ１２およびＪ１４は、もう１つのレベルシフトおよび増幅段階（ＤＣ増幅器１１２）を形成する。この点、熱電対の出力は、適切なレベルに増幅された。ここで、熱電対回路の局部温度は、増幅信号に埋め込まれる必要がある。
【００５１】
トランジスタＪ１４およびＪ１５は、トランジスタＪ１６によって形成された電流源によってバイアスされる差動対増幅器を形成する。抵抗Ｒ１８、Ｒ１９、およびＲ２０と共にキャパシタＣ６およびＣ７は、−９０°から９０°への位相シフトネットワークを形成する。この位相シフトネットワークは、トランジスタＪ１５の増幅器入力の一端に接続され、もう一端は、増幅器の出力（トランジスタＪ１４のドレイン端子）に接続され、それは、ＲＣフィードバックネットワークを含む。この構成は、緩和タイプのＲＣ発振器（矩形波発振器１１３）を形成する。キャパシタＣ６およびＣ７は、ＮＰ０タイプのキャパシタであり、その容量は、２５℃から４５０℃の温度変化にわたりほとんど変化しない。ＮＰ０キャパシタ誘導体は、容量の負正ゼロ温度係数（negative-positive-zero  coefficients）を有し、正および負温度係数は、互いに相殺する。キャパシタＣ８は、ＲＣフィードバックネットワークと、トランジスタＪ１４のドレイン端子の差動増幅器出力との間に直列接続される。このキャパシタは、Ｘ７Ｒ誘導体で作成されるので、その容量は、温度変化により予想通り変化する。Ｘ７Ｒは、ＮＰ０誘導体より高い誘電率を有するキャパシタ誘導体であるが、温度に対する大きな容量の依存性を有する（予想通り）。この発振器の出力は、温度依存性キャパシタＣ８によって決定された周波数の矩形波であり、故に熱電対回路の局部温度は、矩形波信号に符号化されうる。（室温での図１７に示される発振器１１３の出力波形２１０、および図１８に示す上昇した温度での同一発振器の出力波形２１２を参照）トランジスタＪ２７は、チョッパトランジスタ（即ち、チョッパ１１４）として機能する。トランジスタＪ１３からの増幅された熱電対出力（図１９の波形２１４）は、トランジスタＪ２７のドレイン端子に接続され、一方矩形波発振器の出力は、同一トランジスタＪ２７のゲート端子に接続される。トランジスタＪ２７のソースは、矩形波出力を提供し、その振幅は、熱電対１１０の温度に比例し、その周波数は、熱電対回路の温度に比例する（図２０に示す波形２１６を参照）。故に、信号は、熱電対出力および熱電対回路の温度を含み、その信号は、電圧制御発振器１１５に適用される。
【００５２】
熱電対１１０およびその回路１１３の動作の一例として、回路１１３の温度が２５℃であり発振器１１３の対応する出力が１．６２ｋＨｚの周波数であると仮定する（図１７の波形２１０）。また、１２ｍｖの出力電圧（図１９の波形２１４）が３２０℃のΔＴに対応する特定の熱電対１１０が使用されていると仮定する。ここで、回路１１３の温度が３２５℃であり発振器１１３の出力が５．４４ｋＨｚであると仮定する（図１８の波形２１２）。トランジスタＪ２７で波形２１２および２１４を結合することにより、トランジスタＪ２７の結果としての出力（即ち、回路の出力）は、波形２１６によって示される。故に、結果として測定された温度は、熱電対の高温端で６４５℃である。波形２１６の周波数は、局所回路１１３の温度を示し、振幅は、ΔＴを示す。従って、当業者であれば、信号の復号化および追加の動作を実行するためにＦＭ受信器（図示せず）に関連付けられた回路を構成できる。
【００５３】
ここで図１４を参照すると、電力調節回路の概略図が示される。ＲＦ入力電圧を整流し、整流された電圧をフィルタ処理し、その電圧を調整することが可能な電力調節回路は、一つのタイプのトランジスタおよび利用可能なダイオードだけ使用して設計される必要がある。回路は、回転タービンによって提供されたＲＦ誘導電力を整流し、正および負の調整されたＤＣ電圧を送出する。構造的に、ダイオードＤ５からＤ８だけでなくダイオードＤ９からＤ１１は、ブリッジ整流器として機能する。端子上のＡＣ電圧Ｖａｃ１およびＶａｃ２またはＶａｃ３またはＶａｃ４は、大きなリップルでＤＣ電圧に全波整流される。キャパシタＣ９からＣ１２は、十分低いレベルへリップルを低減するためにフィルタキャパシタとして機能する。トランジスタＪ１７およびＪ２１は、定電流源として機能し、各々抵抗Ｒ２６およびＲ３０に定電流を送出する。定抵抗を通過するこの定電流は、定電圧を生成し、トランジスタＪ１９およびＪ２３に接続される。この定電圧は、トランジスタＪ１９およびＪ２３をバイアスするので、Ｒ２５／Ｒ２６抵抗対またはＲ２９／Ｒ３０抵抗対によって閾値が決定された後、トランジスタへの入力における任意の増加電圧は、トランジスタ出力における増加電圧に寄与しない。増加する電圧出力は、トランジスタＪ１９およびＪ２３で熱として消散される。故に、トランジスタＪ１７およびＪ１９だけでなくトランジスタＪ２１およびＪ２３は、低ドロップアウト（ＬＤＯ）電圧調整器を含む。これら調整器は、正味の電圧調整を改善するために、トランジスタＪ１８およびＪ２０だけでなくトランジスタＪ２２およびＪ２４で反復される。電圧は次いで、各々正または負の調整電圧Ｖｄｃ（＋）またはＶｄｃ（−）として供給される。
【００５４】
１つの実施形態によると、抵抗Ｒ２６、Ｒ２８、Ｒ３０、およびＲ３２は、ＰＴＣを有する一方、抵抗Ｒ２５、Ｒ２７、Ｒ２９、およびＲ３１は、ＺＴＣを有する。上記検討の通り、この抵抗配置は、上昇する温度でバイアス電圧の変化を補う。このように、回路自身は、温度変化を補い、トランジスタＪ１９、Ｊ２０、Ｊ２３、およびＪ２４にわたる電圧降下を一定に保つ。上記検討の通り、ＰＴＣ抵抗は、プラチナで作成され、ＺＴＣ抵抗は、窒化タンタルで作成されうる。回路は、抵抗Ｒ２６、Ｒ２８、Ｒ３０、およびＲ３２がＺＴＣで作成され、抵抗Ｒ２５、Ｒ２７、Ｒ２９、およびＲ３１が炭化ケイ素等のシリコン抵抗を使用して負の温度係数（ＮＴＣ）で作成されたものと同じ機能をすることが重要である。
【００５５】
ここで図１５を参照すると、ＦＭ送信器（即ち、ＶＣＯ１０４およびバッファ１０５）の概略図が示される。周波数変調（ＦＭ）信号を生成するために、可変インピーダンスデバイスは、ＲＦ搬送波上に情報を符号化（即ち、変調）するために一般に使用される。低温回路でこのタスクを行う一般的方法は、印加された電圧に対する依存性を有する容量のデバイスを使用することである。ほとんどのｐｎ接合ダイオードは、逆バイアスの時にこの特性を示し、即ち逆バイアスされたダイオードに印加される各種電圧は、ダイオードにわたる容量における変化に影響する。低温の無線用途に関して、バラクタと呼ばれる専用のダイオードがこの目的のために使用される。バラクタは、“かなり急峻な（hyper-abrupt）”接合（即ち、大きな角度同調を促進するよう大量にドープされる接合）を備えたｐｎ接合ダイオードであり、シリコンまたはガリウムヒ素から製造される。
【００５６】
図１５に示す回路は、インダクタＬ１と、インダクタＬ１に両方とも並列接続される、直列接続されたキャパシタＣ１３およびＣ１４とを含むコルピッツ発振器を含む。トランジスタＪ２５は、コルピッツ発振器の能動デバイスとして機能する。発振器の搬送周波数は、インダクタＬ１とキャパシタＣ１３およびＣ１４との値によって決定される。キャパシタＣ１４に並列接続されるダイオードＤ１３は、電圧可変キャパシタまたはバラクタとして機能し、ＡＣ電圧を搬送周波数に変調（即ち、符号化）する。搬送波は次いで、トランジスタＪ２６に容量結合され、それは、電力増幅器だけでなくバッファトランジスタの両方として機能する。ダイオードＤ１３のカソードは、回路ノード１４００に接続され、そのアノードは、接地電位に接続される。キャパシタＣ１３およびＣ１４間の回路接合は、回路への入力端子Ｖ（ｉｎ）も含むノード１４００に接続される。回路の出力は次いで、送信アンテナ（図示せず）に容量結合される。
【００５７】
高温用途において、典型的なバラクタは、そのようなバラクタの容量が、上昇する温度での印加されたバイアス電圧の範囲にわたるヒステリシス効果の非線形性により一貫して反復可能または予測可能ではないので、使用できず、本明細書の対象となるＦＭ送信器で役立たない。故に、正しい情報は、送信信号から回復できない（同一の周波数偏差が個々の同調電圧に対応しない）。問題は、ＳｉＣ自体に固有であり、故にＳｉＣデバイスは、所望の結果を達成しないことが発見された。高温で機能しうる（即ち、同一の上昇する温度において印加されたバイアス電圧の同一範囲にわたり線形容量を有する）ＧａＮデバイスは、バラクタダイオードＤ１３として使用するために調査された。窒化ガリウム（即ち、ＧａＮ）はまた、３．４ｅＶ＠３００Ｋ（一方でＳｉＣは２．８６ｅＶ）の広バンドギャップエネルギを備えた広バンドギャップ半導体であり、高温（６００℃を超過する）で機能できることを意味する。唯一の商業的に利用可能なＧａＮダイオードは、青または紫外ＬＥＤの形式で現在利用可能であり、本明細書の対象となる温度変化にわたり十分な結果をもたらした。
【００５８】
以下の説明は、本発明の実施形態を具体化する回路の詳細を提供し、１つの例示的な用途では、図２１に例示される通り、歪みゲージ回路で使用されうる。そのような例示的な用途は、限定的な意味で解釈されるべきでなく、本発明の実施形態を具体化する回路が他の用途で使用されうる。
【００５９】
図２２は、本発明の実施形態を具体化する回路１２０の１つの例示的な実施形態の概略図である。回路１２０は、入力端子１２４を有する差動増幅器１２２を含み、それは、検知要素（例えば、図２１の歪みゲージ１０１）に接続されて検知されたパラメータを示す電圧（例えば、歪みを示す電圧）を受信しうる。差動増幅器１２２は、第１のペアの半導体スイッチ１２６、１２８（例えば、差動対の半導体スイッチ）を含みうる。差動対の半導体スイッチ１２６、１２８のバイアシングは、抵抗Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７およびＲ８からなる各ブリッジ回路（ゲートバイアスネットワーク）によって制御されてもよく、図９Ａおよび９Ｂに関して上記説明した温度補償バイアス技術を任意に使用してもよい。例えば、温度が増加すると、半導体スイッチ１２６、１２８の各ゲート端子での各バイアス電圧が減少する。回路１２０はまた、ハイブリッド負荷回路１２５を含み、本発明の例示的な実施形態によると、以下でより詳述される通り、差動増幅器１２２にＡＣ結合（交流電流結合）されうる。
【００６０】
ハイブリッド負荷回路１２５は、第２のペアの半導体スイッチ１３０、１３２（例えば、能動負荷ペアの半導体スイッチ）を含みうる。そのような一対の半導体スイッチの各々は、各ドレイン端子（Ｄ）、各ソース端子（Ｓ）、および各ゲート端子（Ｇ）を有する。１つの例示的な実施形態では、第１のペアの半導体スイッチ１２６、１２８および第２のペアの半導体スイッチ１３０、１３２は、補助ペアの半導体スイッチなしの回路を含む。１つの例示的な実施形態では、第１のペアの半導体スイッチ１２６、１２８および第２のペアの半導体スイッチ１３０、１３２は、ｎチャネル接合ゲート電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）スイッチでもよく、各々高温広バンドギャップ材料、例えばＳｉＣ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ｌｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＰ、ＡｌｌｎＧａＰ、およびＧａＡｓＡｌＮを含みうる。
【００６１】
当業者であれば分かる通り、ｐチャネルＳｉＣ  ＪＦＥＴは、その比較的低チャネル移動度により実用的ではないと現在考えられていて、結果として、差動増幅器に関する既知の能動負荷トポロジは、そのようなトポロジがｐチャネルＳｉＣ  ＪＦＥＴを含むので、高温用途で利用されていなかった。本発明の実施形態を具体化するハイブリッド負荷回路は、ｐチャネルＪＦＥＴの必要性を有利に省略し、故にそのような回路は、高温広バンドギャップ材料のＪＦＥＴの理論的温度制限（例えば、５００℃より上）に達し、高利得差動増幅器を有利に提供し、１つの例示的な用途では、熱電対および歪みゲージ等のセンサによって生成されうる比較的低電圧（例えば、数ミリボルト）の電気信号を高温環境で適切に増幅するために利用される。
【００６２】
１つの例示的な実施形態では、ハイブリッド負荷回路１２５はまた、差動対の半導体スイッチのスイッチのドレイン端子に対してＡＣ信号成分への経路（例えば、比較的高インピーダンスの経路）を提供するように配置された抵抗容量回路１３４（例えば、抵抗１４２およびキャパシタ１４０）を含み、検知されたパラメータを示す電圧を受信することができる（例えば、スイッチ１２６）。回路１３４は、第２のペアの半導体スイッチ１３０、１３２の各ゲート端子へ並列回路で接続されたノード１３６に接続される。抵抗１４２を使用して電気接地１３５に接続されるノード１３６は、半導体スイッチ１３０、１３２に対する適切なバイアシングを維持するのに有効であることが分かる。
【００６３】
１つの例示的な実施形態では、抵抗１４２の値は、スイッチ１３０、１３２の各ゲート端子で入力インピーダンスの値に対してかなり低く選択されてよく、それにより例えば、差動スイッチ１２６のドレイン端子におけるＡＣ信号成分は、スイッチ１３０、１３２のゲート端子の代わりに抵抗１４２によって提供された経路へキャパシタ１４０を使用してＡＣ結合されうる。例えば、抵抗１４２に関して２ＭΩ程度の抵抗値に対してスイッチペア１３０、１３２の各ゲート端子で２０ＭΩ程度の入力インピーダンスを推定すると、抵抗容量回路１３４は、（例えば、差動スイッチ１２６のドレインで）そのようなＡＣ信号成分への高インピーダンス経路をもたらし、これは、差動増幅器のＡＣ利得を有利に増加することが分かる。
【００６４】
バイアス目的のために、ハイブリッド負荷回路１２５は、第２のペアの半導体スイッチのうち１つのスイッチ（例えば、スイッチ１３０）のソース端子から第１のペアの半導体スイッチのうち１つのスイッチ（例えば、差動スイッチ１２６）のドレイン端子に接続された第１の抵抗１４４を含みうる。ハイブリッド負荷回路１２５はまた、第２のペアの半導体スイッチのうちもう１つのスイッチ（例えば、スイッチ１３２）のソース端子から第１のペアの半導体スイッチのうちもう１つのスイッチ（例えば、差動スイッチ１２８）のドレイン端子に接続された第２の抵抗１４６を含みうる。第１および第２の抵抗１４４および１４６は各々、温度が変化する時に増幅器の利得が実質的に一定のままであるように、抵抗の正の温度係数を含みうる。即ち、許容可能な耐性および偏差ではなく一定であることが、実際の現場のデバイスに関連して当業者によって理解されうる。スイッチ１３２のソース端子に接続されたノード１４８は、増幅された差動増幅器出力を提供する。予備実験の結果は、各々４５０℃、３００℃、および２５℃の温度において少なくとも略４７．８ｄＢ、５１．４ｄＢおよび５７．８ｄＢの差動利得の実現可能性を実証した。
【００６５】
図２１は、例示的な電源回路２３９のブロック図であり、テレメトリシステムに実装されるタービン構成要素（例えば、タービン翼２０（図１））で使用されうる。１つの例示的な実施形態では、１つまたは複数の負荷は、電源回路２３９によって電力供給されうる。例として、負荷は、検知回路（例えば、歪みゲージ１０１）、信号調節回路（例えば、差動増幅器１０２）、および／またはテレメトリ回路（例えば、電圧制御発振器１０４、バッファ１０５）等の電気回路でもよく、テレメトリシステムの一部であってよい。
【００６６】
電源回路２３９は、誘導ＲＦ（無線周波）エネルギ、および／またはタービンエンジン内の熱または振動出力を獲得すること等、１つまたは複数の環境発電様式を使用して電力を得ることができる。例えば、熱電対列は、熱エネルギから電気を生成するために使用でき、圧電材料は、タービンエンジンの振動から電気を生成できる。環境発電様式の例示的な形式に関する一般的な背景技術を望む読者に対して、 “Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ  Ｆｏｒ  Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ  Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ  Ｉｎ  Ａ  Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ  Ｔｕｒｂｉｎｅ  Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ  Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ”という名称のＵＳ特許７３６８８２７の参照がなされ、その開示全体が参照により本明細書に組込まれる。
【００６７】
特定の環境発電様式にかかわらず、１つの例示的な実施形態では、ＡＣ（交流電流）電力２４１は、整流器２４２に供給され、ＡＣ入力をＤＣ（直流電流）出力に変換し、整流器２４２は、電圧調整器２４４に接続され、それは、得られたＡＣ入力電圧の変化が存在しても、比較的一定のＤＣ電圧出力２４５を維持するように構成される。一定の電圧出力は、測定されている任意の所定のエンジンパラメータに関して要求された測定精度および／または安定性を達成するために望まれうることが分かる。
【００６８】
図２３から２４および以下の関連する記載は、本発明の実施形態を具体化する電圧調整器２５０の詳細を提供し、１つの例示的な実施形態では、図２１に示す例として電源回路で使用されうる。そのような例示的な用途は、限定的な意味で解釈すべきでなく、本発明の実施形態を具体化する回路が他の用途で使用できることが分かる。
【００６９】
１つの例示的な実施形態では、電圧調整器２５０は、タービンエンジンの高温環境で動作するよう適合されうる。電圧調整器２５０は、定電流源２５２を含むことができ、定電流源２５２は例えば、第１の半導体スイッチ２５４と、第１の半導体スイッチ２５４のゲート端子（Ｇ）およびソース端子（Ｓ）間に接続された第１の抵抗２５６とを含みうる。
【００７０】
１つの例示的な実施形態では、第２の抵抗２５８は、第１の半導体スイッチ２５４のゲート端子（Ｇ）に接続された第１のリード２６０と、ノード２６３を介して電気接地６４に接続された第２のリード２６２とを有することができる。定電流源２５２は、第２の抵抗２５８にわたり参照電圧（Ｖｒ）を生成するよう接続されうる。ソースフォロア出力段２６６は、第２の半導体スイッチ２６８と、電気接地２６４および第２の半導体スイッチ２６８のソース端子（Ｓ）間に接続された第３の抵抗２７０とを含みうる。図２３から分かる通り、第２の抵抗２５８の第１のリード２６０は、第２の半導体スイッチ２６８のゲート端子（Ｇ）に、生成された参照電圧（Ｖｒ）を印加するよう接続される。また、第２の半導体スイッチ２６８のソース端子（Ｓ）が電圧調整器２５０の調整された出力電圧（例えば、図２２の電圧Ｖ１）を供給することが分かる。ノード２６３が電気接地される必要がなく、１つの例示的な実施形態では、ノード２６３は、第２の調整電圧源（例えば、図２２の電圧Ｖ２であり、電圧Ｖ１の極性と反対の極性を有しうる）を提供するように配置された出力ノードを構成しうることが分かる。
【００７１】
１つの例示的な実施形態では、電流源２５２はまた、入力段２７２を含み、それは、電圧調整器２５０によって調整されるべき入力電圧（Ｖｉｎ）（例えば、図２１の整流器２４２からの出力）を受信するよう構成されたドレイン端子（Ｄ）を有する第３の半導体スイッチ２７４を含みうる。電圧分配ネットワーク２７６は、第３の半導体スイッチ２７４のゲート端子（Ｇ）に接続された電圧分配ノード２７８を提供しうる。電圧分配ネットワーク２７６は、電圧分配ノード２７８と第３の半導体スイッチ２７４のドレイン（Ｄ）との間に接続された第１の抵抗２８０を含み、また電圧分配ノード２７８と第２の半導体スイッチ２６８のソース（Ｓ）との間に接続された第２の抵抗２８２を含みうる。
【００７２】
図２４に示す代替の実施形態では、電圧調整器２５０’において、電流源２５２の入力段２７２はまた、第１の半導体スイッチ２５４および第３の半導体スイッチ２７４間に直列回路で接続された第４の半導体スイッチ２８４を含みうる。この代替の実施形態では、第４の半導体スイッチ２８４は、第３の半導体スイッチ２７４のソース端子（Ｓ）に接続されたドレイン端子（Ｄ）と、第１の半導体スイッチ２５４のドレイン端子（Ｄ）に接続されたソース端子（Ｓ）と、第１の半導体スイッチ２５４のソース端子に接続されたゲート端子（Ｇ）とを有することができる。半導体スイッチ２７４および２８４のカスケード配置は、電流源２５２による比較的安定した電流調整に貢献し、また比較的安定した参照電圧Ｖｒに貢献し、それは、第３の半導体スイッチ２６８に対するＤＣバイアスを構成し、比較的安定した調整出力電圧Ｖｏｕｔになることが分かる。
【００７３】
１つの例示的な実施形態では、半導体スイッチ２５４、２６８、２７４、および２８４は、ｎチャネル接合ゲート電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）スイッチでもよく、各々高温の広バンドギャップ材料、例えばＳｉＣ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ｌｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＰ、ＡｌｌｎＧａＰ、およびＧａＡｓＡｌＮを含みうる。
【００７４】
当業者であれば分かるように、高温材料を含むツェナーダイオードが商業的に利用可能なほど分配されていないと考えられるので、高温の広バンドギャップ材料からなるツェナーダイオードを含みうる高温の電圧調整は、現在可能ではない。また、ｐチャネルＳｉＣ  ＪＦＥＴは、その比較的低いチャネル移動度により高温用途で実用的ではないと現在考えられる。従って、本発明の実施形態を具体化する回路は、ｎチャネルＪＦＥＴで高温広バンドギャップ材料から作成されるツェナーダイオードの現在の非利用性を有利に解消し、故にそのような回路は、高温広バンドギャップ材料のＪＦＥＴの理論的温度制限（例えば、５００℃より上）内での動作を可能にし、実質的に安定した電圧調整器を効果的に提供しうる。１つの例示的な実施形態では、本発明の実施形態による電圧調整器は、比較的低電圧の情報信号を含む負荷回路に電力供給するための高温環境における電源を適切に調整するよう利用されうる。例えば、本発明の前では、そのような負荷回路は、熱電対および歪みゲージ等のセンサにより生成されうる比較的小さい規模（例えば、数ミリボルト）の情報信号を考慮すると電源の不安定性に起因する測定上の不確定性に影響されやすかった。
【００７５】
１つの例示的な実施形態では、調整された出力電圧Ｖｏｕｔの大きさは、第１および第２の抵抗２５６および２５８の各抵抗値の割合を調整することによって調整可能にしうる。通常、既知の電圧調整器の出力電圧は、調整可能ではなく、調整が望まれる場合、既知の電圧調整器に関して演算増幅器が含まれる。しかし、高温用途に対して、高温広バンドギャップ材料からなる演算増幅器は、利用可能であると考えられていない。従って、単純な方法（例えば、比較的少ない能動構成要素）において、本発明の実施形態を具体化する電圧調整器は、高温環境での動作を含みうるので、調整された出力電圧Ｖｏｕｔの大きさを調整するよう有利に構成されうる。必要に応じて、抵抗温度検出器（ＲＴＤ）または類似物は、温度変化に従って調整出力電圧Ｖｏｕｔを制御するために第１および第２の抵抗２５６および２５８に結合されうる。本発明の実施形態を具体化する電圧調整器で達成されうる改善された安定性および反復性により、温度変化の下で電圧調整器が受けることのある任意の電圧調整変化は、連続して反復可能であり、温度変化に起因する任意のそのような電圧調整変化は、当業者によってよく知られた技術を使用して適切に補償されうることを意味する。
【００７６】
本発明の各種実施形態が本明細書で示され説明されたが、そのような実施形態は、単なる例により提供されることが明らかである。多数の変形、変更、および代替は、本明細書の発明から逸脱することなく行うことができる。従って、本発明は添付の請求の範囲および精神によってのみ限定されることが意図される。
【符号の説明】
【００７７】
１０１  歪みゲージ
１０２  差動増幅器
１０３  ＡＣ増幅器
１０４  電圧制御発振器
１０５  バッファ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【手続補正書】
【提出日】平成27年3月11日(2015.3.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンエンジンの高温環境で動作するよう適合された回路であって：
構成要素のパラメータを検知し、前記検知されたパラメータを示す電圧を提供するために、前記タービンエンジンの前記構成要素上に配設される検知要素と；
前記検知されたパラメータを示す前記電圧を受信するために、前記検知要素に接続された入力端子を有する差動増幅器であって、前記差動増幅器は、電圧源および半導体スイッチの各１つの各ゲート端子間に接続された抵抗の正の温度係数を有する第１の抵抗要素と、各ゲート端子および電気接地間に接続された抵抗のゼロ温度係数を有する第２の抵抗要素と、を含む各ゲートバイアスネットワークを各々有する第１のペアの半導体スイッチを含み、各々の各ゲートバイアスネットワークは、温度が増加する時、半導体スイッチの各ゲート端子における各バイアス電圧が減少するように配置される、差動増幅器と；
前記差動増幅器にＡＣ結合されたハイブリッド負荷回路であって、前記差動増幅器および前記ハイブリッド負荷回路は、前記タービンエンジンの前記高温環境で配設される、ハイブリッド負荷回路と；
を含むことを特徴とする回路。
【請求項２】
前記ハイブリッド負荷回路は、第２のペアの半導体スイッチを含み、前記ハイブリッド負荷回路はまた、前記検知されたパラメータを示す前記電圧を受信する、前記第１のペアの半導体スイッチのスイッチのドレイン端子に対してＡＣ信号成分への経路を提供するよう配置された抵抗容量回路を含むことを特徴とする請求項１に記載の回路。
【請求項３】
前記抵抗容量回路は、前記第２のペアの半導体スイッチの前記各ゲート端子に並行回路で接続されたノードに接続され、前記抵抗容量回路の抵抗は、前記ノードに接続された第１のリードと、電気接地された第２のリードとを有し、前記抵抗容量回路のキャパシタは、前記ノードに接続された第１のリードと、前記検知されたパラメータを示す前記電圧を受信する、前記第１のペアの半導体スイッチの前記スイッチの前記ドレイン端子に接続された第２のリードとを有することを特徴とする請求項２に記載の回路。
【請求項４】
前記ハイブリッド負荷回路はまた、前記第２のペアの半導体スイッチのうち１つのスイッチのソース端子から前記第１のペアの半導体スイッチのうち１つのスイッチのドレイン端子に接続された第１の抵抗と、前記第２のペアの半導体スイッチのうちもう１つのスイッチのソース端子から前記第１のペアの半導体スイッチのうちもう１つのスイッチのドレイン端子に接続された第２の抵抗とを含むことを特徴とする請求項２に記載の回路。
【請求項５】
前記各第１および第２の抵抗は各々、前記増幅器の利得が温度変化の発生にもかかわらず一定のままであるように、抵抗の正の温度係数を含むことを特徴とする請求項４に記載の回路。
【請求項６】
前記差動増幅器は、１段式差動増幅器を含むことを特徴とする請求項１に記載の回路。
【請求項７】
前記各第１および第２のペアの半導体スイッチは、補助ペアの半導体スイッチなしの回路を含むことを特徴とする請求項２に記載の回路。
【請求項８】
前記各第１および第２のペアの半導体スイッチは、ｎチャネル接合電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）スイッチを含むことを特徴とする請求項２に記載の回路。
【請求項９】
前記各第１および第２のペアの半導体スイッチは、各高温広バンドギャップ材料を含むことを特徴とする請求項２に記載の回路。
【請求項１０】
前記高温広バンドギャップ材料は、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ｌｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＰ、ＡｌｌｎＧａＰ、およびＧａＡｓＡｌＮからなるグループから選択されることを特徴とする請求項９に記載の回路。
【請求項１１】
前記検知回路は、前記構成要素の歪みを検知するために歪みゲージを含み、前記電圧は、前記構成要素の前記検知された歪みを示すことを特徴とする請求項１に記載の回路。
【請求項１２】
請求項１の前記回路を含むことを特徴とするテレメトリシステム。
【請求項１３】
高温環境で動作するよう適合された回路であって：
前記高温環境で構成要素の検知されたパラメータを示す電圧を受信するために接続された入力端子を有する差動増幅器と；
前記差動増幅器にＡＣ結合されたハイブリッド負荷回路と；
前記差動増幅器に電力供給するために接続された電圧調整回路であって、前記差動増幅器、前記ハイブリッド負荷回路、および前記電圧調整回路は、高温環境で配設される、電圧調整回路と；
を含むことを特徴とする回路。
【請求項１４】
前記電圧調整回路は、
第１の半導体スイッチと、前記第１の半導体スイッチのゲート端子およびソース端子間に接続された第１の抵抗とを少なくとも含む定電流源であって、前記定電流源はまた、前記電圧調整器によって調整されるべき入力電圧を受信するよう構成されたカスケード入力段を含む、定電流源と；
前記第１の半導体スイッチの前記ゲート端子に接続された第１のリードおよび前記調整器の出力ノードに接続された第２のリードを有する第２の抵抗であって、前記定電流源は、前記第２の抵抗にわたり参照電圧を提供するよう接続される、第２の抵抗と；
第２の半導体スイッチと、前記第２の半導体スイッチのソース端子および前記出力ノード間に接続された第３の抵抗とを含むソースフォロア出力段と；
を含むことを特徴とする請求項１３に記載の回路。
【請求項１５】
前記第２の半導体スイッチの前記ソース端子は、前記電圧調整器の第１の調整出力電圧を供給することを特徴とする請求項１４に記載の回路。
【請求項１６】
前記出力ノードは、前記電圧調整器の第２の調整出力電圧を供給し、前記第２の調整出力電圧は、前記第１の調整出力電圧の極性に対して異なる極性を含むことを特徴とする請求項１４に記載の回路。
【請求項１７】
前記電流源はまた、前記電圧調整器によって調整されるべき入力電圧を受信するために接続されたドレイン端子を有する第３の半導体スイッチを含む入力段を含むことを特徴とする請求項１４に記載の回路。
【請求項１８】
前記第３の半導体スイッチのゲート端子に接続された電圧分配ノードを有する電圧分配ネットワークをさらに含み、前記電圧分配ネットワークは、前記電圧分配ノードおよび前記第３の半導体スイッチの前記ドレイン間に接続された第１の抵抗と、前記電圧分配ノードおよび前記第２の半導体スイッチの前記ソース間に接続された第２の抵抗とを含むことを特徴とする請求項１７に記載の回路。
【請求項１９】
前記電流源の前記入力段はまた、前記第１および第３の半導体スイッチ間に直列回路で接続された第４の半導体スイッチを含み、前記第４の半導体スイッチは、前記第３の半導体スイッチのソース端子に接続されたドレイン端子と、前記第１の半導体スイッチのドレイン端子に接続されたソース端子と、前記第１の半導体スイッチの前記ソース端子に接続されたゲート端子とを有することを特徴とする請求項１７に記載の回路。
【請求項２０】
前記差動増幅器は、電圧源および前記半導体スイッチの各１つの各ゲート端子間に接続された抵抗の正の温度係数を有する第１の抵抗要素と、前記各ゲート端子および電気接地間に接続された抵抗のゼロ温度係数を有する第２の抵抗要素とを含む各ゲートバイアスネットワークを各々有する第１のペアの半導体スイッチを含み、各々の各ゲートバイアスネットワークは、温度が増加する時、半導体スイッチの各ゲート端子における各バイアス電圧が減少するように配置されることを特徴とする請求項１３に記載の回路。
【請求項２１】
前記ハイブリッド負荷回路は、第２のペアの半導体スイッチを含み、前記ハイブリッド負荷回路はまた、前記検知されたパラメータを示す前記電圧を受信する、前記第１のペアの半導体スイッチのスイッチの前記ドレイン端子に対してＡＣ信号成分への経路を提供するために配置された抵抗容量回路を含むことを特徴とする請求項１３に記載の回路。
【請求項２２】
前記抵抗容量回路は、前記第２のペアの半導体スイッチの前記各ゲート端子に並列回路で接続されたノードに接続され、前記抵抗容量回路の抵抗は、前記ノードに接続された第１のリードと、電気接地された第２のリードとを有し、前記抵抗容量回路のキャパシタは、前記ノードに接続された第１のリードと、前記検知されたパラメータを示す前記電圧を受信する、前記第１のペアの半導体スイッチのスイッチの前記ドレイン端子に接続された第２のリードとを有することを特徴とする請求項２１に記載の回路。
【請求項２３】
前記ハイブリッド負荷回路はまた、前記第２のペアの半導体スイッチのうち１つのスイッチのソース端子から前記第１のペアの半導体スイッチのうち１つのスイッチのドレイン端子に接続された第１の抵抗と、前記第２のペアの半導体スイッチのうちもう１つのスイッチのソース端子から前記第１のペアの半導体スイッチのうちもう１つのスイッチのドレイン端子に接続された第２の抵抗とを含むことを特徴とする請求項２１に記載の回路。
【請求項２４】
前記各第１および第２の抵抗は各々、前記増幅器の利得が温度変化の発生にもかかわらず一定のままであるように、抵抗の正の温度係数を含むことを特徴とする請求項２３に記載の回路。
【請求項２５】
前記差動増幅器および前記電圧調整器の前記半導体スイッチの各々は、ｎチャネル接合電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）スイッチを含むことを特徴とする請求項２０に記載の回路。
【請求項２６】
請求項１３の前記回路を含むことを特徴とするテレメトリシステム。
【請求項２７】
タービンエンジンの高温環境で動作するよう適合された回路であって：
前記タービンエンジンの構成要素に関する検知されたパラメータを示す電圧を受信するために接続された入力端子を有する差動増幅器と；
前記差動増幅器にＡＣ結合されたハイブリッド負荷回路であって、前記差動増幅器は、電圧源および前記半導体スイッチの各１つの各ゲート端子間に接続された抵抗の正の温度係数を有する第１の抵抗要素と、各ゲート端子および電気接地間に接続された抵抗のゼロ温度係数を有する第２の抵抗要素と、を含む各ゲートバイアスネットワークを各々有する第１のペアの半導体スイッチを含み、各々の各ゲートバイアスネットワークは、温度が増加する時、半導体スイッチの各ゲート端子における各バイアス電圧が減少するように配設される、ハイブリッド負荷回路と；
前記差動増幅器に電力供給するために接続された電圧調整回路であって、前記差動増幅器、前記ハイブリッド負荷回路、および前記電圧調整回路は、前記タービンエンジンの前記高温環境に配設される、電圧調整回路と；
を含み、
前記電圧調整回路は：
第１の半導体スイッチと、前記第１の半導体スイッチのゲート端子およびソース端子間に接続された第１の抵抗とを少なくとも含む定電流源であって、前記電圧調整器によって調整されるべき入力電圧を受信するために接続されたカスケード入力段をさらに含む、定電流源と；
前記第１の半導体スイッチの前記ゲート端子に接続された第１のリードと、前記調整器の出力ノードに接続された第２のリードとを有する第２の抵抗であって、前記定電流源は、前記第２の抵抗にわたり参照電圧を提供するために接続される、第２の抵抗と；
第２の半導体スイッチと、前記出力ノードおよび前記第２の半導体スイッチのソース端子間に接続された第３の抵抗とを含むソースフォロア出力段であって、前記第２の抵抗の前記第１のリードは、前記第２の半導体スイッチのゲート端子に前記生成された参照電圧を印加するために接続され、前記第２の半導体スイッチの前記ソース端子は、前記電圧調整器の第１の調整出力電圧を供給し、前記出力ノードは、前記電圧調整器の第２の調整出力電圧を供給し、前記第２の調整出力電圧は、前記第１の調整出力電圧の極性に対して異なる極性を含む、ソースフォロア出力段と；
を含むことを特徴とする回路。
【国際調査報告】
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