摘要：壓電陶瓷(PZT)驅(qū)動電源是微位移器應(yīng)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(shè)計并實現(xiàn)了一種高壓快速驅(qū)動電源的設(shè)計方案，配合相位補償網(wǎng)絡(luò)和保護電路，改進了PA78驅(qū)動容性負載電路的穩(wěn)定性。實驗表明，該PZT驅(qū)動電源帶寬可達60 kHz，輸出電壓范圍是-100～100 V，具有好的動態(tài)性能-從0-50 V所用時間為7μs，最大非線性相對誤差為0.52%，且能長時間穩(wěn)定工作，解決了PZT驅(qū)動電路中的不能長期穩(wěn)定工作的問題。

關(guān)鍵詞：PZT;驅(qū)動電源;快速響應(yīng);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，無噪聲，不發(fā)熱等特點，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)動電源，而對于外加PZT驅(qū)動電源而言，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(qū)動電源的性能，所以驅(qū)動電源的性能直接關(guān)系著高精度微位移的實現(xiàn)。

1 驅(qū)動電源的設(shè)計方案

1.1 驅(qū)動電源總體設(shè)計

驅(qū)動電源設(shè)計的總體框圖如圖1所示。整體包括驅(qū)動電源供電、放大電路兩個重要部分。驅(qū)動電源的供電用兩個穩(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。放大電路實現(xiàn)電壓的放大，輸出具有一定的驅(qū)動能力的穩(wěn)定電壓，該部分決定著驅(qū)動電壓的輸出性能，是電源設(shè)計的核心部分。

1.2 驅(qū)動電源核心電路設(shè)計

本文設(shè)計的驅(qū)動電源主要是基于電壓驅(qū)動型。以高壓運放PA78為放大電路的核心，驅(qū)動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(gòu)成，而高壓運放PA78將3部分集成在一個芯片內(nèi)，使電路集成度大大提高，減小了體積，簡化了設(shè)計。

由上面的分析設(shè)計放大電路的電路圖，如圖3所示。本設(shè)計的放大電路是一個兩級放大，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可改變整個放大電路的放大倍數(shù)。

1.3 保護電路及相位補償

對PA78驅(qū)動壓電陶瓷的放大電路，因為壓電陶瓷有正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)，在電路工作時壓電陶瓷會膨脹變形發(fā)生正壓電效應(yīng)，使變形產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)換為電能，這些電

能會進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(qū)動源不能長時間穩(wěn)定工作，這是很重要的一個原因。所以阻止這些電能進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通過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(yīng)用電路開環(huán)增益為一定值時，若相移過大，電路將產(chǎn)生高端提升及振蕩現(xiàn)象。為了避免此類情況，需要對集成運放電路進行相位補償來提高放大電路的穩(wěn)定性。由于PA78內(nèi)部的設(shè)計，需要兩個補償網(wǎng)絡(luò)，并且補償元件的值是相同的以便提供對稱的轉(zhuǎn)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(nèi)比較好，隨著電容值的增加，穩(wěn)定性越好，但會損失帶寬，所以在設(shè)計中根據(jù)設(shè)計需求，選擇6.8 pF。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 輸出電壓的測試

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

2.2 輸出頻率測試

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

2.3 電源線性度測試

輸出電壓線性度反映電源的精度指標是指電源的實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，實測輸出電壓如表1。用origin對該組數(shù)據(jù)進行分析，用一次多項式進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。當輸入電壓為7 V時，誤差最大，且非線性相對誤差也為最大經(jīng)計算為0.52%。

2.4 階躍響應(yīng)測試

如圖8所示，驅(qū)動電源輸出端電壓從0 V上升到50 V用時為7μs。

3 結(jié)論

本文采用PA78和UA741組成的放大電路設(shè)計了一種壓電陶瓷驅(qū)動電源。對實驗測得數(shù)據(jù)進行分析可知驅(qū)動電源輸出電壓為-100～100 V連續(xù)可調(diào)，帶寬可達60 kHz。并且響應(yīng)速度快(從0 V上升到50 V用時7μs)、線性度好(最大非線性相對誤差為0.52%)，達到了設(shè)計要求。