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

魯琳琳，張曉青，賈豫東

（北京信息科技大學(xué)光電測(cè)試技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100192）

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

魯琳琳，張曉青，賈豫東

（北京信息科技大學(xué)光電測(cè)試技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100192）

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7 μs，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。

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)［1-3］。

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。

圖1　驅(qū)動(dòng)電源總體設(shè)計(jì)框圖Fig.1The overall block design diagram of driving power

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［4-6］。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)。

圖2　驅(qū)動(dòng)電源放大電路框圖Fig.2Amplifying circuit block diagram of driving power

圖3　核心放大電路Fig.3Core amplifying circuit

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)電源間通過(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。

圖4　加保護(hù)電路和相位補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的放大電路Fig.4Amplifying circuit including protection circuit and phase compensation network

集成運(yùn)放的應(yīng)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(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。

圖5　輸入峰峰值不同時(shí)輸出的波形Fig.5The output waveform when the input fengfeng values are different

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。

圖7　輸入輸出電壓關(guān)系曲線Fig.7Relationship curve of input and output voltage

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%。

表1　輸入輸出電壓值Tab.1Input and output voltage

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7 μs。

圖8　階躍響應(yīng)Fig.8Step response

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)7 μs）、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。

［1］黃春，汝長(zhǎng)海，葉秀芬，等.基于補(bǔ)償技術(shù)的寬頻帶壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源［J］.壓電與聲光，2009，31（3）：373-376. HUANG Chun，RU Chang-hai，YE Xiu-fen，et al.A broadband piezoelectric amplifier based on compensation technology［J］.Piezoelectric Sound and Light，2009，31（3）：373-376.

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［3］趙碧杉，尹達(dá)一，曾攀，等.高精度大功率壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)［J］.壓電與聲光，2013，35（6）：853-857. ZHAO Bi-shan，YIN Da-yi，ZENG Pan，et al.Key technology of high-precision and high-power piezoelectric ceramic drive［J］. Piezoelectric Sound and Light，2013，35（6）：853-857.

［4］陳杰.壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源及應(yīng)用研究［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2012.

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［6］王志亮.高頻響低紋波壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2011.

Design of piezoelectric ceramic power with high pressure and quick response

LU Lin-lin，ZHANG Xiao-qing，JIA Yu-dong
（Beijing Key Laboratory for Opto-electronic Measurement Technology，Beijing Information Science and Technology University，Beijing 100192，China）

Piezoelectric ceramic（PZT）power is key component in the applications of micro displacement device，based on the capacitive load characteristics of PZT，this paper adopts high voltage high bandwidth MOSFET power transistor and integrated circuit operational amplifier to design and achieve a design scheme of high voltage and quick response driving power，cooperate with the phase compensation network and protection circuit.And this design scheme improves the stability of PA78 driving capacitive load circuit.The experiments show，the bandwidth of PZT driving power is 60KHZ，output voltage range is-100V-100V，the dynamic performance is very good-the rise time is 7us from 0 to 50 v，the largest nonlinear relative error is 0.52%.And this PZT driving power can work stably for a long time，which solves the problem that the PZT driving circuit can't work long-term stability.

PZT；driving power；quick response；PA78

TN722

A

1674－6236（2015）09-0109-03

2014-07-29稿件編號(hào)：201407222

北京市教育委員會(huì)科技計(jì)劃面上項(xiàng)目（KM201411232005）；光電測(cè)試技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題（GDKF2013002）

魯琳琳（1990—），女，河南駐馬店人，碩士研究生。研究方向：光纖傳感技術(shù)。