高精度壓電陶瓷驅動電源的研制

佘玉成，張春熹，李慧鵬

（北京航空航天大學儀器科學與光學工程學院，北京100191)

高精度壓電陶瓷驅動電源的研制

佘玉成，張春熹，李慧鵬

（北京航空航天大學儀器科學與光學工程學院，北京100191)

為進一步提高壓電陶瓷微位移系統的定位精度，設計了一種以PA93高壓運放器為核心的高精度、穩定性好的大功率壓電陶瓷驅動電源。重點闡述了系統設計方案，并對其中的關鍵技術和特性功能進行了分析討論。實驗結果表明，該驅動電源具有精度高、輸出電流大、響應速度快、穩定性好的特點。當壓電陶瓷等效容性負載為3μF時，能在1KHz內實現0V～10V到0V～100V的動態放大，電壓輸出精度可達0.1mV。

壓電陶瓷；驅動電源；高壓運放；大功率

0 引言

隨著精密工程領域的迅速發展，納米級定位技術已經成為生物工程、精密機械制造、精密測量、精細加工、機器人等前沿科學的關鍵技術［1］。而壓電陶瓷致動器（PZT)能夠提供納米級的位移輸出，并具有分辨率高、體積小、輸出力大、頻響高、發熱小和響應速度快等優點，幾乎成為納米定位技術的首選儀器，目前已廣泛應用在光學工程、微電子工程、航空航天、精密機械制造等領域。然而壓電陶瓷致動器必須使用大功率的高壓直流驅動電源才能驅動，且其位移精度、響應速度和頻響特性直接受驅動電源性能的影響［2］。因此，設計出大功率高精度的優良壓電陶瓷驅動電源已成為目前壓電陶瓷應用的關鍵技術［3］。

1 驅動電源原理及技術要求

1．1 驅動電源原理

壓電陶瓷微位移驅動系統主要組成部分如圖1所示，主控制器控制信息轉換為有效的命令及數據信息，輸出有效的數字信號來驅動D／A轉換器，D／A轉換器把接收到的數字信號轉換為模擬信號，提供精密的電壓源來驅動線性放大電路，最后由線性放大電路對電壓源進行放大并驅動PZT［4］。而線性放大電路是驅動電源的主要組成部分，因此驅動電源研制的關鍵技術就是線性放大電路部分的設計與實現［5?6］。

圖1 壓電陶瓷微位移驅動系統Fig．1 Piezoelectric micro displacement drive system

1．2 驅動電源技術要求

壓電陶瓷驅動電源具有以下特點：

1)能夠輸出連續可調的高壓直流電壓（0V～100V)；

2)PZT類似于容性負載，相應速度取決于輸出電流大小，因此要求驅動電源能夠輸出足夠的瞬態驅動電流；

3)為了實現PZT納米級高分辨率，需要驅動電源具有良好的穩定性，且波紋應與定位精度呈現良好線性關系。

微位移驅動系統對驅動電源的指標要求：

1)輸入控制電壓為0V～10V；

2)驅動電壓為0V～100V（連續可調)；

3)頻率響應為0Hz～1000Hz；

4)壓電陶瓷等效電容為3μF；

5)驅動電源電壓分辨率＜0.1mV。

2 線性放大電路分析

線性放大電路是壓電陶瓷驅動電源設計的關鍵。放大電路引入直流負反饋能穩定靜態工作點，引入交流負反饋能改善放大電路的性能，使得電子放大電路中普遍應用負反饋。在該電源中采用電壓串聯復合負反饋結構［7］。

為了實現高精度線性放大和功率放大，采用兩級放大器。考慮電壓的高精度線性放大，需要盡量減少整個放大電路的輸入失調電壓［8］。本文采用的是由兩級放大器組成的復合式負反饋放大電路，與常規兩級放大電路相比，能夠充分減少放大電路的輸入失調電壓。

2．1 常規兩級運放電路

常規兩級運放電路原理圖及整體結構框圖如圖2所示。

圖2 常規兩級運放電路Fig．2 Conventional two?stage op?amp circuit

在圖2中，X1和X2分別為運放OP1和OP2的輸入失調電壓，A1和A2分別為OP1、OP2的閉環增益，則有輸出電壓：

2．2 復合負反饋放大電路

復合負反饋放大電路原理圖及整體結構框圖如圖3所示。

圖3 復合負反饋放大電路Fig．3 Composite negative feedback amplifier circuit

可知整個放大電路的閉環增益為：

因為前級低壓精密運放的閉環增益A1遠大于1，所以：

同時，復合負反饋放大電路輸出電壓為：

結合式（3)，且A1A2?1，最終可得：

通過式（1)與式（5)的比較可知，后者的輸入失調電壓僅為前者的1／A1。因此，復合負反饋放大電路的總輸入失調電壓主要由前級運放的輸入失調電壓決定，故采用負反饋放大電路設計方案能有效降低整個線性放大電路的輸入失調電壓。

前級采用低壓精密運放器，以獲得較小的輸入失調電壓和較高帶寬，后級采用PA93大功率運放，以獲得較高輸出電壓和持續輸出的高電流。PA93的輸入失調電壓為2mV，前級的低壓精密運放的輸入失調電壓必須遠小于2mV，才能降低整個放大電路的失調電壓。TI公司出產的ADA4638?1精密放大器是零漂移、軌至軌輸出的精密放大器，最大輸入失調電壓僅為4μV，供電電壓為±15V。選擇它作為前級放大器，可有效降低輸入失調電壓，提高控制精度。驅動電源電路圖如圖4所示，選用放大器ADA4638?1和PA93組成復合放大電路。

圖4 驅動電源電路原理圖Fig．4 Schematic diagram of drive power supply circuit

3 驅動電源電路設計與分析

3．1 增益設置

復合負反饋放大電路總增益是10倍，增益大小由RJ1、RJ2、RJ3、RJ4共同決定，即1＋RJ4／RJ1＝10，得復合負反饋放大電路總增益為10倍。同時使1＋RJ3／RJ2＝10，使得后級PA93的閉環放大增益為10倍。同時，RJ1、RJ2、RJ3、RJ4應選用精度為0.01％的高精密薄膜電阻，耐壓值為300V。

3．2 電流限制

為保證放大器PA93工作在安全區內，必須對輸出電流加電阻限制，以防止輸出功率過大而燒壞芯片。如圖4中R3為限流電阻，可以通過調節該值把最大輸出電流控制在某一個特定值以下，最大輸出電流ILIM和限流電阻滿足以下近似關系：R3＝0.65／ILIM。本設計電路的最大輸出電流通過計算可得，并且限流電阻功率必須高達1W的高精度可靠電阻。

3．3 輸入輸出保護電路

壓電陶瓷為容性負載，在受控產生機械變形后，容性負載儲存的電荷會產生高壓，若直接作用于運放芯片，可能造成芯片損壞，因此必須考慮加入輸入輸出保護電路。如圖4所示，在運放器輸出端反向接兩個快速恢復二極管（DBF)，其方向耐壓值必須達到電源電壓的2倍，本文采用MUR160使瞬態高壓信號通過DBF從電源旁路流向大地，從而保護芯片的輸出端。同時在電源旁路正極接一個瞬態抑制二極管（TVS)，其方向電壓必須大于放大器正常工作峰值電壓，本文采用TVS管P6KE180，防止從DFB流經電源旁路的瞬態高壓信號對電源造成損壞。

3．4 相位補償

當集成運放電路的開環增益為一定值時，由于相移過大，電路會產生高端提升以及振蕩現象。為了克服這些現象，應對集成運放電路進行相位補償。集成運放的相位補償可通過補償引線端，輸入端和輸出引線端外接RC補償元件，構成相位補償網絡，實現相位補償。相位補償不僅提高放大電路的穩定性，而且還能使帶寬擴展。PA93芯片本身自帶外部相位補償功能，綜合增益匹配等設計要求，可選擇相位補償電阻電容值分別為Rc＝0，Cc＝47pF。同時，補償電容的耐壓值必須達到放大器的全部工作電壓。

4 實驗結果分析

為了測試本設計的準確性，在PZT容性負載為3μF、輸入信號為1KHz的情況下進行測試，先讓驅動電源預熱30min，再用計算機在1KHz的頻率下給出0V、1V、2V、…、10V的電壓輸出指令，最后利用高精度電壓表對0、1、…、10等離散點附近來回各取10個點，共測得100個數據，并對這100個數值與理論輸出電壓值進行誤差分析，對比誤差大小，如圖5所示。同時，利用數字存儲式示波器觀測輸入輸出波形，輸入為1KHz／5V的方波信號，輸出為1KHz／50V的方波信號，通過多次測試可得驅動電源的基本性能參數，如表1所示。

圖5 實驗誤差結果圖Fig．5 Results of the experimental error

表1 驅動電源基本性能參數Table 1 The basic performance parameters of the driving power

通過圖5可知，在1KHz的輸出電壓0V～100V內，幾乎所有誤差都控制在0.1mV以內，能夠滿足微位移系統0.1mV的輸出電壓精度；由前文可知驅動電源的響應速度取決于輸出電流的大小，而本設計的持續輸出電流高達1.88A，輸入輸出相位誤差在2°以內，具有輸出電流大、響應速度快的優點，達到了設計指標要求。

5 結論

壓電陶瓷驅動控制技術目前已經成為微位移應用技術的關鍵技術之一，本文針對壓電陶瓷微位移系統的驅動電壓進行了分析討論，通過采用精密運放ADA4638?1和大功率運放器PA93組成的復合負反饋放大電路，設計了一種基于PA93的高精度壓電陶瓷驅動電源，同時通過針對各種反饋網絡、補償環節和保護電路的優化設計，使其具有良好的動態特性和較高的輸出電壓和輸出電流，穩定性好，線性度好，輸出電壓紋波小，精度能滿足0.1mV要求，完全滿足了高精度和優良穩定性的設計要求，具有廣闊的應用前景。

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The Development of the High Precision Piezoelectric Ceramic Driving Power Supply

SHE Yu?cheng，ZHANG Chun?xi，LI Hui?peng
（Science and Optical Engineering College，Beijing university of aeronautics and astronautics，Beijing 100191)

To improve the location accuracy of piezoelectric micro displacement system，a high precision，good stability and high?power piezoelectric ceramic driving power supply is designed with a core of high?voltage operational amplifier PA93.The system design scheme is expounded，and the key technology and characteristics of the function is discussed.The experimental re?sults show that the driving power source has many advantages，such as high accuracy，high output current，quick response speed and good stability and so on.When the equivalent capacitive load of the piezoelectric ceramic is 3μF，it can achieve 0V～10V to dynamic amplification of 0V～100V within 1 KHz.Moreover，the voltage output accuracy can reach 0.1 mV.

piezoelectric ceramic;drive power;high pressure op?amp;high power

TN722.1

A

1674?5558（2017)03?01272

10.3969／j.issn.1674?5558.2017.01.013

佘玉成，男，碩士，儀器科學與光學工程專業，研究方向為精密科學儀器、高精度壓電陶瓷微位移閉環系統的驅動技術。

2016?04?27

國家重大儀器設備開發專項（編號：2013YQ040877)