基于A(yíng)RM 的高分辨率壓電陶瓷驅動(dòng)電源設計方案（一）

3.2 放大電路的改進(jìn)

這里將PA78視為被控對象G(S)，將失調電壓和溫漂視為擾動(dòng)N(S)，這樣就把提高放大器輸出電壓精度轉化成減小控制系統的穩態(tài)誤差的控制器設計的問(wèn)題。在控制器的設計中常用的校正方法有串聯(lián)校正和反饋校正兩種。一般來(lái)說(shuō)反饋校正所需的元件數少、電路簡(jiǎn)單。但是在高壓放大電路中，反饋信號是由PA78的輸出級提供。反饋信號的功率較高，為元件選型和電路設計帶來(lái)不便，故線(xiàn)性放大電路中不使用反饋校正法。而在串聯(lián)校正方法中，有源器件的輸入不包含高壓反饋信號，所以該設計采用串聯(lián)校正方法，采用模擬PI(比例-積分)控制器G1(S)進(jìn)行校正，如圖5 所示。

成比例的反應輸入信號e(t)及其積分，即：

由式(2)觀(guān)察可得，PI控制器相當于在控制系統中增加了一個(gè)位于原點(diǎn)的開(kāi)環(huán)極點(diǎn)，開(kāi)環(huán)極點(diǎn)的存在可以提高系統的型別，由于系統的型別的提高可以減小系統的階躍擾動(dòng)穩態(tài)誤差(對于線(xiàn)性放大電路，可視失調電壓和溫漂為階躍擾動(dòng))。同時(shí)PI控制器還增加了一個(gè)位于復平面中左半平面的開(kāi)環(huán)零點(diǎn)，復實(shí)零點(diǎn)的增加可以提高系統的阻尼程度，從而改善系統的動(dòng)態(tài)性能，緩解由犧牲的動(dòng)態(tài)性能換取穩態(tài)性能對系統產(chǎn)生的不利影響。

放大電路的設計中采用有源模擬PI控制器，改進(jìn)后的線(xiàn)性放大電路如圖6所示。其中PI控制器的放大器采用AD8676,AD8676的輸入失調電壓低于50 μV(滿(mǎn)溫度行程下)，電壓噪聲≤0.04 μV(P-P)@0.1~10 Hz,因此適合用于串聯(lián)校正環(huán)節，以提高系統穩態(tài)性能、減小輸出電壓漂移。

3.3 相位補償

從工程角度考慮，由于干擾源的存在，會(huì )使系統的穩定性發(fā)生變化，導致系統發(fā)生震蕩。因此保證控制系統具有一定的抗干擾性的方法是使系統具有一定的穩定裕度即相角裕度。

由于實(shí)際電路中存在雜散電容，其中放大器反向輸入端的對地電容對系統的穩定性有較大的影響。如圖6所示，采用C5和C6補償反向端的雜散電容。從系統函數的角度看，即構成超前校正，增加開(kāi)環(huán)系統的開(kāi)環(huán)截止頻率，從事增加系統帶寬提高響應速度。

PA78有兩對相位補償引腳，通過(guò)外部的RC網(wǎng)絡(luò )對放大器內部的零極點(diǎn)進(jìn)行補償。通過(guò)PA78的數據表可知，PA78內部的零極點(diǎn)位于高頻段。根據控制系統抗噪聲能力的需求，配置RC網(wǎng)絡(luò )使高頻段的幅值特性曲線(xiàn)迅速衰減，從而提高系統的抗干擾能力。圖6中，R4,C1與R5,C2構成RC補償網(wǎng)絡(luò )。

此外電路中C3的作用是防止輸出信號下降沿的振動(dòng)引起的干擾;R10起到偏置電阻的作用，將電源電流注入到放大器的輸出級，提高PA78的驅動(dòng)能力。

將PI控制器的參數分別設置為KP=10、KI=0.02;超前校正補償電容分別為12 pF和220 pF;RC補償網(wǎng)絡(luò )為R=10 kΩ、C=22 pF.利用線(xiàn)性放大電路的Spice模型進(jìn)行仿真得到幅頻特性和相頻特性曲線(xiàn)如圖7所示。從圖中觀(guān)察可得，放大系統的帶寬可達100 kHz,從而保證了系統良好的動(dòng)態(tài)特性，同時(shí)相角裕度γ>60°使系統具有較高的穩定性(由于PZT的負載電抗特性一般呈容性，所以留有較大的相角裕度十分必要)。