多單元壓電陶瓷類(lèi)變形鏡高壓驅動(dòng)電源

摘要：針對變形鏡壓電陶瓷類(lèi)驅動(dòng)器單元數多的特點(diǎn)，設計一種高帶寬適合擴展成多通道輸出的壓電陶瓷驅動(dòng)電源，它利用光耦分相隔離從源極驅動(dòng)功率NMOS管，簡(jiǎn)化了電路結構并保證了功率帶寬。該驅動(dòng)電源驅動(dòng)100 nF容性負載時(shí)，可實(shí)現單端到地-300～+300 V雙極性高壓輸出，電壓增益35．5 dB，信號不失真情況下，小信號響應頻率達10 kHz，大信號響應頻率2 kHz，瞬時(shí)充放電電流可達400 mA。實(shí)驗表明該驅動(dòng)電源的性能能夠滿(mǎn)足變形鏡驅動(dòng)的要求且電路結構簡(jiǎn)單。
關(guān)鍵詞：壓電陶瓷；驅動(dòng)電源；功率放大器；變形鏡

0 引言
自適應光學(xué)(AO)系統中，變形鏡(DM)作為一種波前校正器，通過(guò)改變鏡面形狀校正由大氣湍流等引起的波前畸變，從而改善成像質(zhì)量，提高圖像分辨率。壓電陶瓷類(lèi)變形鏡鏡面的變形是由多個(gè)一端固定于鏡面，另一端固定于底座的壓電陶瓷驅動(dòng)器(PZT)的伸縮來(lái)實(shí)現的。每一個(gè)驅動(dòng)器都需要一個(gè)獨立的驅動(dòng)電源給它提供驅動(dòng)電壓，PZT在外電場(chǎng)的作用下，由于逆壓電效應，將產(chǎn)生垂直和水平方向上的伸縮形變，從而帶動(dòng)鏡面產(chǎn)生形變。
為了產(chǎn)生所需的正負形變量需要給PZT施予雙極性的幾百甚至上千伏的高電壓，因此需要驅動(dòng)電源能、夠輸出雙極性高電壓信號。壓電陶瓷類(lèi)變形鏡驅動(dòng)器等效為容性負載，則當工作頻率升高或電壓升高時(shí)，所需的驅動(dòng)電流將增加。隨著(zhù)AO系統校正時(shí)間頻率提高，對變形鏡高壓驅動(dòng)電源的動(dòng)態(tài)性能要求越來(lái)越高，同時(shí)隨著(zhù)AO系統校正空間頻率增加，其單元數也在不斷增加，因此對驅動(dòng)電源的動(dòng)態(tài)性能、體積、功耗等提出了更高的要求。目前市場(chǎng)上雙極性高壓輸出的壓電陶瓷驅動(dòng)電源性能優(yōu)良，但是體積大、通道數少、不易擴展，不能滿(mǎn)足多單元(幾百上千)變形鏡驅動(dòng)的要求。本文研制了一種基于光耦和功率NMOS管的壓電陶瓷驅動(dòng)電源，具有較好的動(dòng)態(tài)性能，且電路結構簡(jiǎn)單便于擴展。

1 變形鏡高壓驅動(dòng)電源設計
1．1 變形鏡高壓驅動(dòng)電源工作原理
壓電陶瓷類(lèi)變形鏡對高壓驅動(dòng)電源的要求除了雙極性高壓輸出和高的動(dòng)態(tài)性能外，還要求驅動(dòng)電源具有穩定性高、線(xiàn)性度好、紋波小等特點(diǎn)。通常驅動(dòng)電源采用如圖1所示的直流放大式的原理結構，它主要由誤差放大級、高壓功率放大級、電壓負反饋網(wǎng)絡(luò )和高壓直流電源等組成。誤差放大級放大輸入低壓控制信號與電壓反饋信號的差值形成負反饋，穩定驅動(dòng)電源閉環(huán)時(shí)的電壓增益；高壓功率放大級實(shí)現電壓和電流的放大，滿(mǎn)足變形鏡驅動(dòng)對電壓和電流的要求；高壓直流電源為高壓功率放大級提供所需的高壓直流電壓。

基于以上的原理結構，本文設計的變形鏡高壓驅動(dòng)電源原理圖如圖2所示，低壓集成運放U1A構成誤差放大級；電阻R2與C1的用于降低該級高頻增益，避免振蕩。誤差放大級的輸出驅動(dòng)高壓功率放大級，使之產(chǎn)生高壓功率信號，驅動(dòng)變形鏡壓電陶瓷驅動(dòng)器。電阻Rf，R3和耐高壓電容Cf構成電壓負反饋，使驅動(dòng)電源帶寬范圍內的閉環(huán)電壓增益穩定為1+Rf／R3，微調R3可得到所需放大倍數的精確值。高壓直流電源采用±340 V輸出的開(kāi)關(guān)穩壓電源，經(jīng)穩壓、濾波后給高壓功率放大級提供高壓直流電壓。