高壓快速響應(yīng)PZT驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)

摘要：壓電陶瓷(PZT)驅(qū)動(dòng)電源是微位移器應(yīng)用中的關(guān)鍵部件，針對(duì)PZT的容性負(fù)載特性，本文采用高壓高帶寬的MOSFET功放管和集成運(yùn)放設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種高壓快速驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)方案，配合相位補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和保護(hù)電路，改進(jìn)了PA78驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載電路的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)表明，該P(yáng)ZT驅(qū)動(dòng)電源帶寬可達(dá)60 kHz，輸出電壓范圍是-100～100 V，具有好的動(dòng)態(tài)性能-從0-50 V所用時(shí)間為7μs，最大非線性相對(duì)誤差為0.52%，且能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，解決了PZT驅(qū)動(dòng)電路中的不能長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：PZT;驅(qū)動(dòng)電源;快速響應(yīng);PA78

壓電陶瓷(PZT)技術(shù)屬于精密定位與測(cè)量領(lǐng)域中十分先進(jìn)的技術(shù)之一。PZT微位移器具有體積小，位移分辨率高，頻響高，無(wú)噪聲，不發(fā)熱等特點(diǎn)，是一種理想的微位移元件，廣泛應(yīng)用于各種精密儀器和機(jī)電一體化設(shè)備中。任何PZT微位移器件的使用都需要驅(qū)動(dòng)電源，而對(duì)于外加PZT驅(qū)動(dòng)電源而言，PZT相當(dāng)于容性負(fù)載，其能否正常、有效的工作，主要取決于其驅(qū)動(dòng)電源的性能，所以驅(qū)動(dòng)電源的性能直接關(guān)系著高精度微位移的實(shí)現(xiàn)。

1 驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)方案

1.1 驅(qū)動(dòng)電源總體設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)的總體框圖如圖1所示。整體包括驅(qū)動(dòng)電源供電、放大電路兩個(gè)重要部分。驅(qū)動(dòng)電源的供電用兩個(gè)穩(wěn)壓電源：±15 V穩(wěn)壓電源和±175 V穩(wěn)壓電源為放大電路中的芯片提供穩(wěn)定的直流電壓。放大電路實(shí)現(xiàn)電壓的放大，輸出具有一定的驅(qū)動(dòng)能力的穩(wěn)定電壓，該部分決定著驅(qū)動(dòng)電壓的輸出性能，是電源設(shè)計(jì)的核心部分。

1.2 驅(qū)動(dòng)電源核心電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電源主要是基于電壓驅(qū)動(dòng)型。以高壓運(yùn)放PA78為放大電路的核心，驅(qū)動(dòng)電源中放大電路的框圖如圖2所示。一般放大電路由輸入級(jí)，中間放大級(jí)和輸出級(jí)3

部分構(gòu)成，而高壓運(yùn)放PA78將3部分集成在一個(gè)芯片內(nèi)，使電路集成度大大提高，減小了體積，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。

由上面的分析設(shè)計(jì)放大電路的電路圖，如圖3所示。本設(shè)計(jì)的放大電路是一個(gè)兩級(jí)放大，其中放大倍數(shù)是可調(diào)的。電路的放大倍數(shù)等于前級(jí)放大倍數(shù)乘以高壓放大電路的放大倍數(shù)，因此調(diào)節(jié)電阻R9可改變整個(gè)放大電路的放大倍數(shù)。

1.3 保護(hù)電路及相位補(bǔ)償

對(duì)PA78驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷的放大電路，因?yàn)閴弘娞沾捎姓龎弘娦?yīng)和逆壓電效應(yīng)，在電路工作時(shí)壓電陶瓷會(huì)膨脹變形發(fā)生正壓電效應(yīng)，使變形產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，這些電

能會(huì)進(jìn)入放大器的輸出端從而對(duì)運(yùn)放有破壞作用，很多壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)源不能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，這是很重要的一個(gè)原因。所以阻止這些電能進(jìn)入運(yùn)放是很有必要的。如圖4所示，在運(yùn)放輸出端到正負(fù)電源問(wèn)通過(guò)連接快速恢復(fù)性二極管D1、D2可以起到保護(hù)運(yùn)放的作用。

集成運(yùn)放的應(yīng)用電路開環(huán)增益為一定值時(shí)，若相移過(guò)大，電路將產(chǎn)生高端提升及振蕩現(xiàn)象。為了避免此類情況，需要對(duì)集成運(yùn)放電路進(jìn)行相位補(bǔ)償來(lái)提高放大電路的穩(wěn)定性。由于PA78內(nèi)部的設(shè)計(jì)，需要兩個(gè)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，并且補(bǔ)償元件的值是相同的以便提供對(duì)稱的轉(zhuǎn)換速率。如圖4所示，補(bǔ)償元件Rc+=Rc+=3 kΩ，Cc+=Cc-=6.8 pF，且Cc+、Cc-是NPO電容，耐壓值為500 V。這兩個(gè)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)可以避免運(yùn)放產(chǎn)生寄生振蕩。此外在PA78的Cc-和-Vs引腳還需要33 pF的電容C5，它可以阻止輸出端下降沿產(chǎn)生的振蕩。一般而言補(bǔ)償電容的容值選擇在1 pF到22 pF范圍內(nèi)比較好，隨著電容值的增加，穩(wěn)定性越好，但會(huì)損失帶寬，所以在設(shè)計(jì)中根據(jù)設(shè)計(jì)需求，選擇6.8 pF。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 輸出電壓的測(cè)試

放大倍數(shù)為20，頻率為1 kHz時(shí)，輸入峰峰值不同時(shí)輸出的波形如圖5所示。隨著輸入峰峰值的增加，輸出波形峰峰值跟著增加，當(dāng)輸出電壓的峰峰值為220 V時(shí)，波形出現(xiàn)失真，所以驅(qū)動(dòng)電源輸出電壓的范圍可達(dá)-100～100 V，能滿足絕大多數(shù)PZT位移量的驅(qū)動(dòng)需求。

2.2 輸出頻率測(cè)試

放大倍數(shù)為20，峰峰值為1 V時(shí)，輸入頻率不同時(shí)輸出的波形如圖6所示。隨著頻率的增大，輸出波形的跟著變化。當(dāng)輸入頻率為60 kHz時(shí)輸出波形有所變形，并且波形幅度也有所下降，但在誤差允許范圍內(nèi)。當(dāng)頻率為100 kHz時(shí)波形幅度已下降很多。

2.3 電源線性度測(cè)試

輸出電壓線性度反映電源的精度指標(biāo)是指電源的實(shí)際輸出特性與理想直線之間的最大誤差。調(diào)整放大倍數(shù)大約10倍，在直流0～10 V輸入時(shí)，實(shí)測(cè)輸出電壓如表1。用origin對(duì)該組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，用一次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合得到擬合直線為10.170 45*x-0.060 45，如圖7所示。由此式算出直線擬合后的電壓值從而算出誤差。當(dāng)輸入電壓為7 V時(shí)，誤差最大，且非線性相對(duì)誤差也為最大經(jīng)計(jì)算為0.52%。

2.4 階躍響應(yīng)測(cè)試

如圖8所示，驅(qū)動(dòng)電源輸出端電壓從0 V上升到50 V用時(shí)為7μs。

3 結(jié)論

本文采用PA78和UA741組成的放大電路設(shè)計(jì)了一種壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源。對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知驅(qū)動(dòng)電源輸出電壓為-100～100 V連續(xù)可調(diào)，帶寬可達(dá)60 kHz。并且響應(yīng)速度快(從0 V上升到50 V用時(shí)7μs)、線性度好(最大非線性相對(duì)誤差為0.52%)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。