高壓快速響應PZT驅動電源設計

魯琳琳，張曉青，賈豫東

（北京信息科技大學光電測試技術北京市重點實驗室，北京100192）

高壓快速響應PZT驅動電源設計

魯琳琳，張曉青，賈豫東

（北京信息科技大學光電測試技術北京市重點實驗室，北京100192）

壓電陶瓷（PZT）驅動電源是微位移器應用中的關鍵部件，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現了一種高壓快速驅動電源的設計方案，配合相位補償網絡和保護電路，改進了PA78驅動容性負載電路的穩定性。實驗表明，該PZT驅動電源帶寬可達60 kHz，輸出電壓范圍是-100～100 V，具有好的動態性能-從0-50 V所用時間為7 μs，最大非線性相對誤差為0.52%，且能長時間穩定工作，解決了PZT驅動電路中的不能長期穩定工作的問題。

PZT；驅動電源；快速響應；PA78

壓電陶瓷（PZT）技術屬于精密定位與測量領域中十分先進的技術之一。PZT微位移器具有體積小，位移分辨率高，頻響高，無噪聲，不發熱等特點，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電源，而對于外加PZT驅動電源而言，PZT相當于容性負載，其能否正常、有效的工作，主要取決于其驅動電源的性能，所以驅動電源的性能直接關系著高精度微位移的實現［1-3］。

1　驅動電源的設計方案

1.1驅動電源總體設計

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

圖1　驅動電源總體設計框圖Fig.1The overall block design diagram of driving power

1.2驅動電源核心電路設計

本文設計的驅動電源主要是基于電壓驅動型［4-6］。以高壓運放PA78為放大電路的核心，驅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部分構成，而高壓運放PA78將3部分集成在一個芯片內，使電路集成度大大提高，減小了體積，簡化了設計。

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可改變整個放大電路的放大倍數。

圖2　驅動電源放大電路框圖Fig.2Amplifying circuit block diagram of driving power

圖3　核心放大電路Fig.3Core amplifying circuit

1.3保護電路及相位補償

對PA78驅動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，在電路工作時壓電陶瓷會膨脹變形發生正壓電效應，使變形產生的機械能轉換為電能，這些電能會進入放大器的輸出端從而對運放有破壞作用，很多壓電陶瓷驅動源不能長時間穩定工作，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間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。

圖4　加保護電路和相位補償網絡的放大電路Fig.4Amplifying circuit including protection circuit and phase compensation network

集成運放的應用電路開環增益為一定值時，若相移過大，電路將產生高端提升及振蕩現象。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定性。由于PA78內部的設計，需要兩個補償網絡，并且補償元件的值是相同的以便提供對稱的轉換速率。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。這兩個補償網絡可以避免運放產生寄生振蕩。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，隨著電容值的增加，穩定性越好，但會損失帶寬，所以在設計中根據設計需求，選擇6.8 pF。

2　實驗結果分析

2.1輸出電壓的測試

放大倍數為20，頻率為1 kHz時，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，波形出現失真，所以驅動電源輸出電壓的范圍可達-100~100 V，能滿足絕大多數PZT位移量的驅動需求。

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

2.2輸出頻率測試

放大倍數為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。當頻率為100 kHz時波形幅度已下降很多。

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

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。調整放大倍數大約10倍，在直流0～10 V輸入時，實測輸出電壓如表1。用origin對該組數據進行分析，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計算為0.52%。

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

2.4階躍響應測試

如圖8所示，驅動電源輸出端電壓從0 V上升到50 V用時為7 μs。

圖8　階躍響應Fig.8Step response

3　結論

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

［1］黃春，汝長海，葉秀芬，等.基于補償技術的寬頻帶壓電陶瓷驅動電源［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.

［2］王瑜瑜，劉少軍.壓電陶瓷驅動電源的設計與實現［J］.電子設計工程，2013，21（18）：19-21. WANG Yu-yu，LIU Shao-jun.Design and realization of driving power for piezoelectric actuators［J］.Electronic Design Engineering，2013，21（18）：19-21.

［3］趙碧杉，尹達一，曾攀，等.高精度大功率壓電陶瓷驅動關鍵技術［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.壓電陶瓷驅動電源及應用研究［D］.南京：南京航空航天大學，2012.

［5］劉巖，鄒文棟.一種高速壓電陶瓷驅動器驅動電源設計［J］.壓電與聲光，2008，30（1）：48-49，52. LIU Yan，ZOU Wen-dong.A high-speed driving power design for piezoelectric ceramic actuator［J］.Piezoelectric Sound and Light，2008，30（1）：48-49，52.

［6］王志亮.高頻響低紋波壓電陶瓷驅動電源研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，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：201407222

北京市教育委員會科技計劃面上項目（KM201411232005）；光電測試技術北京市重點實驗室開放課題（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。