高壓快速響應PZT驅動(dòng)電源設計

摘要：壓電陶瓷(PZT)驅動(dòng)電源是微位移器應用中的關(guān)鍵部件，針對PZT的容性負載特性，本文采用高壓高帶寬的MOSFET功放管和集成運放設計并實(shí)現了一種高壓快速驅動(dòng)電源的設計方案，配合相位補償網(wǎng)絡(luò )和保護電路，改進(jìn)了PA78驅動(dòng)容性負載電路的穩定性。實(shí)驗表明，該PZT驅動(dòng)電源帶寬可達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(xiàn)性相對誤差為0.52%，且能長(cháng)時(shí)間穩定工作，解決了PZT驅動(dòng)電路中的不能長(cháng)期穩定工作的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：PZT;驅動(dòng)電源;快速響應;PA78

壓電陶瓷(PZT)技術(shù)屬于精密定位與測量領(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，廣泛應用于各種精密儀器和機電一體化設備中。任何PZT微位移器件的使用都需要驅動(dòng)電源，而對于外加PZT驅動(dòng)電源而言，PZT相當于容性負載，其能否正常、有效的工作，主要取決于其驅動(dòng)電源的性能，所以驅動(dòng)電源的性能直接關(guān)系著(zhù)高精度微位移的實(shí)現。

1 驅動(dòng)電源的設計方案

1.1 驅動(dòng)電源總體設計

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

1.2 驅動(dòng)電源核心電路設計

本文設計的驅動(dòng)電源主要是基于電壓驅動(dòng)型。以高壓運放PA78為放大電路的核心，驅動(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，中間放大級和輸出級3

部分構成，而高壓運放PA78將3部分集成在一個(gè)芯片內，使電路集成度大大提高，減小了體積，簡(jiǎn)化了設計。

由上面的分析設計放大電路的電路圖，如圖3所示。本設計的放大電路是一個(gè)兩級放大，其中放大倍數是可調的。電路的放大倍數等于前級放大倍數乘以高壓放大電路的放大倍數，因此調節電阻R9可改變整個(gè)放大電路的放大倍數。

1.3 保護電路及相位補償

對PA78驅動(dòng)壓電陶瓷的放大電路，因為壓電陶瓷有正壓電效應和逆壓電效應，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，使變形產(chǎn)生的機械能轉換為電能，這些電

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

集成運放的應用電路開(kāi)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象。為了避免此類(lèi)情況，需要對集成運放電路進(jìn)行相位補償來(lái)提高放大電路的穩定性。由于PA78內部的設計，需要兩個(gè)補償網(wǎng)絡(luò )，并且補償元件的值是相同的以便提供對稱(chēng)的轉換速率。如圖4所示，補償元件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)補償網(wǎng)絡(luò )可以避免運放產(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。一般而言補償電容的容值選擇在1 pF到22 pF范圍內比較好，隨著(zhù)電容值的增加，穩定性越好，但會(huì )損失帶寬，所以在設計中根據設計需求，選擇6.8 pF。

2 實(shí)驗結果分析

2.1 輸出電壓的測試

放大倍數為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(zhù)輸入峰峰值的增加，輸出波形峰峰值跟著(zhù)增加，當輸出電壓的峰峰值為220 V時(shí)，波形出現失真，所以驅動(dòng)電源輸出電壓的范圍可達-100～100 V，能滿(mǎn)足絕大多數PZT位移量的驅動(dòng)需求。

2.2 輸出頻率測試

放大倍數為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(zhù)頻率的增大，輸出波形的跟著(zhù)變化。當輸入頻率為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。當頻率為100 kHz時(shí)波形幅度已下降很多。

2.3 電源線(xiàn)性度測試

輸出電壓線(xiàn)性度反映電源的精度指標是指電源的實(shí)際輸出特性與理想直線(xiàn)之間的最大誤差。調整放大倍數大約10倍，在直流0～10 V輸入時(shí)，實(shí)測輸出電壓如表1。用origin對該組數據進(jìn)行分析，用一次多項式進(jìn)行擬合得到擬合直線(xiàn)為10.170 45*x-0.060 45，如圖7所示。由此式算出直線(xiàn)擬合后的電壓值從而算出誤差。當輸入電壓為7 V時(shí)，誤差最大，且非線(xiàn)性相對誤差也為最大經(jīng)計算為0.52%。

2.4 階躍響應測試

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