CN104242841B

CN104242841B - 一种高精度的压电陶瓷的驱动放大电路

Info

Publication number: CN104242841B
Application number: CN201410441036.3A
Authority: CN
Inventors: 徐立松; 李佩玥; 章明朝; 隋永新; 杨怀江
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Beijing Guowang Optical Technology Co Ltd
Priority date: 2014-09-01
Filing date: 2014-09-01
Publication date: 2017-07-14
Anticipated expiration: 2034-09-01
Also published as: CN104242841A

Abstract

一种高精度的压电陶瓷的驱动放大电路，涉及压电陶瓷控制领域，解决现有由于高压运算放大器的低频性能差，且在发热量比较大的情况下，导致温度变化引入的低频噪声恶化电路的性能等问题，本发明的电路在APEX公司的高压放大电路的基础上增加了差分输入电路及电流放大电路；电流放大电路对PA系列高压放大电路的电流进行放大，同时电流放大电路作为电路的输出级，使得电路的输出电流大，带负载能力强，拓展了电路系统的应用。经过改造后的高压运算放大器使用灵活，结构简单，电路对称性好，可以较为方便的组成压电陶瓷驱动电源，实验测试中，其输出电压的分辨率优于10mV。

Description

一种高精度的压电陶瓷的驱动放大电路

技术领域

本发明涉及压电陶瓷驱动控制领域，具体涉及一种基于高压运算放大器的压电陶瓷驱动放大电路，它可以灵活的组成压电陶瓷驱动控制电源。

背景技术

光学及精密机械的场合都需要较高的位移分辨率，它们对运动位置的精度要求能达到纳米级别。压电陶瓷依据压电效应的原理，使用特殊的压电材料烧结而成，具有体积小、位移分辨率高、动态性能好、发热小等特点，在高精度的纳米定位的场合中有着非常广泛的应用。要充分发挥压电陶瓷的性能，压电陶瓷需要配备高精度的压电陶瓷驱动电源，压电陶瓷电源最终决定了压电陶瓷的位移精度。当前的压电陶瓷驱动电源中，主要有两种设计方案：电压控制方案和电荷控制方案。其中电荷控制方案可以有效的补偿压电陶瓷的磁滞特性，成为当前研究的热点，但是电荷控制方案也有动态性能不高的缺点；电压控制方案有很好的动态性能，电路的软硬件补偿灵活，这种方法在压电陶瓷驱动中应用广泛。压电陶瓷驱动电源解决方案中，APEX公司研发出一系列的高压运算放大器，通过该高压运算放大器可以便捷的组成压电陶瓷驱动电源，组成的压电陶瓷电源具有体积小，散热设计方便等优点；但是高压运算放大器的低频性能比较差，尤其在发热量比较大的情况下，温度变化引入的低频噪声恶化了电路的性能，使其难以组成高精度的压电陶瓷驱动电源。

发明内容

本发明为解决现有由于高压运算放大器的低频性能差，且在发热量比较大的情况下，导致温度变化引入的低频噪声恶化电路的性能等问题，提供一种高精度压电陶瓷的驱动放大电路。

一种高精度压电陶瓷的驱动放大电路，包括由PA95芯片组成的高压放大电路，还包括与高压放大电路输入端连接的差分输入电路以及与高压放大电路输出端连接的电流放大电路，所述电流放大电路与电阻串联后实现对压电陶瓷的驱动；

所述的差分输入电路由差分对管Q1、晶体管Q2及晶体管Q3搭配电容电阻以及场效应管Q4和电阻R7组成；所述场效应管Q4和电阻R7作为差分输入电路的恒流源，场效应管Q4的栅极接负压电压源VS，场效应管Q4的源级串联电阻R7连接到负电压源VS上，场效应管Q4的漏极作为电流源输出端，差分对管Q1由分晶体管Q1_A和分晶体管Q1_B组成，所述分晶体管Q1_A和分晶体管Q1_B的发射极相连接并与恒流源的输出端相连，分晶体管Q1_A和分晶体管Q1_B的基极分别作为差分输入电路的同向输入端IN+和反向输入端IN-，分晶体管Q1_A和Q1_B的集电极分别连接晶体管Q2和晶体管Q3的发射极，所述晶体管Q2和晶体管Q3的基极相连接，晶体管Q2和晶体管Q3的集电极分别作为差分输入电路的反向和同向输出端。

本发明的有益效果：本发明针对高压运算放大器的缺点而设计，以PA95高压运放为例，PA95外围采用APEX公司推荐的电路形式，通过对推荐电路的扩展而组成高精度的压电陶瓷驱动放大电路。本发明使用高精度分立的元器件组成高精度的差分输入电路对高压运算放大器进行改造而组成了高精度的高压运算放大器，该高压运算放大器可以便捷的组成压电陶瓷驱动电源，以此方法组成的压电陶瓷电源具有体积小、精度高及使用灵活等优点。本发明设计的压电陶瓷驱动放大电路充分的考虑了系统的控制结构，依据热分析的原理而提出，具备结构简单，电路调整方便，组成电路灵活，同时具备动态性能好，输出电流大等优点，可以便捷的实现对压电陶瓷的高精度驱动控制。

附图说明

图1为本发明所述的一种高精度压电陶瓷的驱动放大电路的结构图；

图2为本发明所述的一种高精度压电陶瓷的驱动放大电路的电路原理示意图；

图3为本发明所述的一种高精度压电陶瓷的驱动放大电路的控制结构图；

图4为采用本发明所述的一种高精度压电陶瓷的驱动放大电路组成压电陶瓷电源时的电路框图；

图5是应用图4设计的压电陶瓷电源进行实验的原理框图；

图6是图5的测试结果曲线效果图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1和图2说明本实施方式，一种高精度压电陶瓷的驱动放大电路，电路的整个框图如图1所示，在PA系列高压放大电路的基础上增加了差分输入电路及电流放大电路，辅助以高压供电电源及低压供电电源可以很灵活的组成压电陶瓷驱动电源。

结合图2，本实施方式所述的差分输入电路主要由差分对管Q1、晶体管Q2、晶体管Q3及场效应管Q4并搭配电容电阻而构成；差分输入电路的恒流源由场效应管Q4和电阻R7实现，场效应管Q4的栅极接负压电压源VS，场效应管Q4的源级串联电阻R7连接到负电压源VS上，场效应管Q4的漏极作为电流源输出端。差分对管Q1作为电路的核心，由分晶体管Q1_A和分晶体管Q1_B组成，所述分晶体管Q1_A和分晶体管Q1_B的发射极连接在一起最终与恒流源的输出端相连，分晶体管Q1_A和Q1_B的基极分别作为差分输入电路的同向输入端IN+和反向输入端IN-，分晶体管Q1_A和Q1_B的集电极分别连接晶体管Q2和Q3的发射极，晶体管Q2和Q3的基极连接在一起，它们的集电极作为差分输入电路的同向及反向输出端，其中晶体管Q2的集电极作为反向输出端，晶体管Q3的集电极作为同向输出端，作为反向输出端的晶体管Q2集电极顺次串联电阻R4和R1最终连接于正电压源VC，同样作为同向输出端的晶体管Q3集电极顺次串联电阻R5和R2最终连接于正电压源VC，R1与R4的连接端接可变电阻R3，可变电阻R3的另一端与R2及R5的连接端相连；

本实施方式中为保证电路的静态工作点稳定使用R6、D1、C5和C6组成静态工作点稳定电路，电路中R6一端与正电压源VC相连，另一端串联D1后与Q4组成的恒流源的输出端连接，D1与R6连接的一端作为稳定电压输出端连接于Q2和Q3的基极，同时在D1的两端并联C5和C6以滤除D1两端的电压纹波；电容C1、C2、C3和C4为电源滤波电容，电容C1和电容C2的一端接在正低压电压源VC上，另外一端接地，电容C3和C4的一端接在负低压电压源VS上，另外一端接地。

本实施方式所述的电压放大电路使用APEX公司的PA95芯片组成高压放大器构成，差分输入电路的同向输出端和反向输出端分别连接在PA95的1脚及2脚上，同时在两端跨接一正一反两个二极管D2和D3；PA95的5脚和6脚分别连接于高压电压源VCC及VSS，7脚和8脚连接电容C7，3脚连接电容R8最终连接于芯片的4脚上，芯片的4脚作为电压放大电路的输出；上述连接方式是PA95运算放大器手册上推荐的连接方法。

本实施方式所述的电流放大电路使用R9、D4、D5和R12作为偏置电路，电压放大电路的输出端与D4的阳极及D5的阴极连接，D4的阴极串联可变电阻R9连接于正电压源VCC上，D5的阳极串联可变电阻R12连接于负电压源VSS上；电流放大电路以MOS管M1和M2作为核心，它们漏极分别接于正电压源VCC和负电压源VSS，栅极则作为两个输入端串接电阻R10和R11后接在分别接在D4的阴极及D5的阳极，M1和M2的源级直接连接作为电流放大电路的输出端，串联电阻R13后用以驱动压电陶瓷。

本实施方式所述的差分输入电路由以差分对管Q1及晶体管Q2、Q3为核心器件组成；Q1为SMM2212差分对管，晶体管Q2和Q3为三极管，Q4为结型场效应管，M1为IXTA10N60P高压MOS管，M2为IXTH10N60高压MOS管；电阻R1、R2、R4、R5、R6、R7、R8、R10和R11为贴片电阻；R8和R13为大功率电阻；R3、R9和R12为可变电阻其电阻，R3的变化范围为0-10k，R9和R12的变化范围为0-200k；D1、D4和D5为3.3V稳压二极管，D2和D3为1N4148二极管；电路中电容C2和C4为钽电容，其余电容为陶瓷电容。电路的IN+和IN-分别为放大电路的正端和负端输入；VOUT是放大电路的输出端；VCC为放大电路的正高电压供电，VSS为放大电路的负高电压供电，VC为放大器的正低电压供电，VS为放大器的负低电压供电。

本实施方式中的晶体管Q2和Q3与差分对管Q1组成沃尔曼电路，该电路可以有效的拓展带宽，改善电路的高频性能，同时有效的隔离电路的输入级和电源；电路中C5和C6为陶瓷电容，它们作为滤波电容，滤除稳压二极管D1两端的噪声；R1-R5为负载电阻，其中R3为输入偏置调整电阻；电路使用Q4及R7组成恒流源电路，恒流源的电流为2mA，电路的差分输入级使用±15V低压电源供电，电容C1-C4为去耦电容，滤除电源的噪声。电路的高压放大电路使用PA95构成，电路同时增加D2和D3二极管作为输入保护电路，C7和R8是PA95高压运算放大器组成的必备器件，分别用以进行频率补偿及输出电流限制；高压放大电路也可以使用其它有类型的PA系列高压运算放大器。电路的电流放大电路由D4、D5、R9、R10、R11、R12、M1及M2构成，R9、R12、D4及D5组成了MOS管的偏置电路，主要用以减小电流放大电路的交越失真，M1及M2是大功率的场效应管，主要完成电流放大任务。压电陶瓷在电路上可以等效为一个uF级别的电容和MΩ级别的电阻并联，放大器直接驱动大的电容往往会出现稳定性问题，因此串联一个大功率的电阻，可以有效的降低负载的惯性，增强系统的稳定性。

结合图3说明本实施方式，图3为电路设计的控制原理图，图中的控制器通过差分输入电路实现，系统的反馈回路通过反馈电阻予以实现，电压放大器使用PA系列的电压放大电路实现，电流放大器使用电流放大电路实现。高压放大电路的干扰等效为N(s)，干扰既包括由于温度失调引起的噪声，也包括电路本身的噪声。没有前一级控制器的情况下，该扰动直接会通过高压运放而影响输出，当使用前级高精度控制器时，即电路中有差分输入电路作为控制器时，该扰动对输出的影响可以用公式(1)来表示。通过选择控制器的参数K，可以有效的降低扰动对输出的影响。综合上述分析，通过本发明设计的方法可以有效的减小电路的扰动影响。

上述公式中，K用以表示输入差分电路的传递函数，输入差分电路也作为电路系统的控制器使用，G1及G2分别为电压放大电路和电流放大电路的传递函数，G3为充放电电路的传递函数，H为使用电阻网络而组成的反馈电路的传递函数。

依据功耗的角度进行分析，PA系列的高压运算放大器的功耗可以由公式(2)来表述，公式中I_s为电路的静态电流，V_o和I_o分别为电路的输出电压和输出电流。从公式中可以看到如果能降低输出电流，就可以降低输出功耗，从而减小芯片总的功耗，使芯片发热量减小而使芯片受温度影响而带来的温漂减小。发明中据此原理设计了电流放大电路，电流放大电路的输入电流小，可以有效的降低PA系列高压运算放大器的功耗，以此提高系统的热稳定性。

P＝(VCC-VSS)I_s+V_oI_o (2)

具体实施方式二、结合图2、图4至图6说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式一所述的一种高精度压电陶瓷的驱动放大电路的实施例：

首先焊接电路的差分输入极，将同向和反向输入端接地；电阻R1、R2、R4和R5接入1k的电阻，R3不焊接，R7接入1k的电阻，测量得到电阻R7两端的电压为2.0V，输出端有电压输出；在上一步骤的基础上，焊接电路的电流放大级，将滑动电阻R9和R12调整到最大值，接入±150的电压，调整滑动变阻器的电阻，使电压输入点的电压为尽可能的接近0V；焊接电路的电压放大级。电路焊接完毕后，焊接R3，并将滑动电阻调整到最大值，电路的高压和低压电源全部作用于电路上，电路的同向输入端和方向输入端接地，调整R3的电阻值，使得电路的输入电压尽可能接近0V。

结合图4和图6说明电路的使用方式及测试方法。图4中：R16为平衡电阻，其值等于R14与R15的并联值相等；R14和R15调整系统的放大倍数；电容C8为反馈补偿电容，电容值在1pF～100pF之间；高压电源需要具备正负双电源供电的能力。

压电陶瓷驱动中，比较重点关注的是电路的输入电压分辨率。按照图4的电路图组成电路，电路中的反馈电阻R14＝10k、R15＝150k和R16＝10k，C8取5pF，低压和高压的电压源分别为±15V和±150V，这样就组成了放大倍数为16倍的压电陶瓷驱动电源。将图4所示的电路接入到图5中，通过DA系统发生微小的方波，使用示波器检测电压输出端的电压波形，得到波形图示如图6所示。通过观察图6说明，发明设计的电路系统的电压分辨率优于10mV。

Claims

1.一种高精度压电陶瓷的驱动放大电路，包括由PA95芯片组成的高压放大电路，其特征是，还包括与高压放大电路输入端连接的差分输入电路以及与高压放大电路输出端连接的电流放大电路，所述电流放大电路与电阻串联后实现对压电陶瓷的驱动；

2.根据权利要求1所述的一种高精度压电陶瓷的驱动放大电路，其特征在于，所述差分对管Q1、晶体管Q2及晶体管Q3搭配电容电阻的具体连接方式为：作为反向输出端的晶体管Q2的集电极依次串联电阻R4和电阻R1最终连接于正电压源VC，作为同向输出端的晶体管Q3的集电极依次串联电阻R5和电阻R2最终连接于正电压源VC，所述电阻R1与电阻R4的连接端与可变电阻R3的一端连接，可变电阻R3的另一端与电阻R2及电阻R5的连接端相连。

3.根据权利要求1所述的一种高精度压电陶瓷的驱动放大电路，其特征在于，所述差分输入电路中还包括静态工作点稳定电路，所述静态工作点稳定电路由电阻R6、稳压二极管D1、电容C1至电容C6组成，所述电阻R6一端与正电压源VC相连，另一端串联稳压二极管D1后与场效应管Q4的输出端连接，稳压二极管D1与电阻R6连接的一端作为稳定电压输出端并连接于三极管Q2和三极管Q3的基极，同时在D1的两端并联电容C5和电容C6，电容C1和C2的一端接在正低压电压源VC上，另外一端接地，电容C3和电容C4的一端接在负低压电压源VS上，另外一端接地。

4.根据权利要求1所述的一种高精度压电陶瓷的驱动放大电路，其特征在于，所述的电流放大电路采用电阻R9、稳压二极管D4、稳压二极管D5和电阻R12作为偏置电路，高压放大电路的输出端与稳压二极管D4的阳极及稳压二极管D5的阴极连接，稳压二极管D4的阴极串联可变电阻R9连接于正电压源VCC上，稳压二极管D5的阳极串联可变电阻R12连接于负电压源VSS上；电流放大电路以MOS管M1和MOS管M2作为核心，所述MOS管M1和MOS管M2的漏极分别接于正电压源VCC和负电压源VSS，栅极作为两个输入端串联电阻R10和电阻R11后接在分别接在稳压二极管D4的阴极及稳压二极管D5的阳极，MOS管M1和MOS管M2的源级相连并作为电流放大电路的输出端，所述电流放大电路的输出端串联电阻R13后用于驱动压电陶瓷。