CN112953422A - 一种功率放大器以及集成式压电陶瓷驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明适用于压电陶瓷驱动器领域，公开了一种功率放大器以及集成式压电陶瓷驱动器，集成式压电陶瓷驱动器包括功率放大器和高压电源模块，功率放大器采用电压并联负反馈的两级功率放大方式，通过信号放大器和功率三极管构成闭环反馈，采用闭环反馈的方式代替了常规的开环控制方式，使得压电陶瓷驱动器具有更快的电压响应能力和更高的电压跟随精度，并且该集成式压电陶瓷驱动器将功率放大器和高压电源模块集成于一体，创新性的将低纹波、大功率的高压电源模块嵌入到压电陶瓷驱动器中，简化了压电陶瓷驱动器的体积，使得压电陶瓷驱动器具有更高的集成度，同时极大的降低了硬件设计成本。

Description

一种功率放大器以及集成式压电陶瓷驱动器

技术领域

本发明涉及压电陶瓷驱动器技术领域，尤其涉及一种功率放大器以及集高压电源模块和高动态功率放大器于一体的集成式压电陶瓷驱动器。

背景技术

近年来，压电陶瓷执行机构在纳米级精密定位和高动态校正控制系统中得到了广泛的应用。目前，压电陶瓷执行机构的功率驱动部分通常采用高压、大功率MOSFET运算放大器，例如PA95和PA85等，这些功率放大器满足了一定场合功率放大的需求。但是，这些大功率MOSFET运算放大器的输出驱动电流有限，限制了压电陶瓷执行机构的响应带宽；并且，PA95和PA85在进行高速功率转换时需要较高的静态电流，从而产生较高的静态损耗，因此，必须使用散热器进行放大器的热量疏散；此外，为了实现放大器的高压功率放大，现有的压电陶瓷驱动器需要额外配备低纹波、高成本的高压电源模块。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种用于压电陶瓷驱动器的功率放大器，其能够输出较大的驱动电流。

为达到上述目的，本发明提供的方案是：

一种功率放大器，所述功率放大器用于压电陶瓷驱动器，所述功率放大器包括信号放大器、功率三极管放大电路和取样电路，所述功率三极管放大电路包括并联设置的第一三极管和第二三极管，所述功率放大器的输入端与所述信号放大器的反相输入端相连，所述信号放大器的输出端与所述第一三极管的基极相连，所述第一三极管的射极接地，且所述第一三极管的射极通过电阻R10与所述信号放大器的正相输入端相连，所述电阻R10与所述功率放大器的放大输出端之间设置有可变电阻R11，所述第一三极管的集电极分别与所述第二三极管的基极和所述第二三极管的集电极相连，所述第二三极管的射极与所述功率放大器的放大输出端相连，所述取样电路连接在所述信号放大器的反相输入端与所述信号放大器的输出端之间。

优选地，所述功率放大器的放大倍数为24倍。

优选地，所述电阻R10的阻值为230KΩ，所述可变电阻R11的阻值范围为0～20KΩ。

优选地，所述取样电路包括电容、可变电阻R6和电阻R7，所述电容和所述可变电阻R6串联后与所述电阻R7并联设置。

优选地，所述可变电阻R6的阻值范围为0～1KΩ，所述电阻R7的阻值为1KΩ，所述电容的容值为47nF。

优选地，所述功率放大器的输入端与所述信号放大器的反相输入端之间设置有电阻R5。

优选地，所述第一三极管的集电极与所述第二三极管的集电极之间设置有电阻R9。

优选地，所述第一三极管的基极与所述第一三极管的射极之间设置有第一二极管和/或所述第二三极管的基极与所述第二三极管的射极之间设置有第二二极管。

本发明的第二个目的在于提供一种集成式压电陶瓷驱动器，其特征在于，包括功率放大器和高压电源模块，所述功率放大器采用如上所述的功率放大器，所述高压电源模块用于输出电压信号给所述功率放大器，所述高压电源模块的输出电压为120V。

优选地，所述高压电源模块采用基于非同步LTC3862-2两相控制器的升压DC/DC斩波电路。

本发明提供的功率放大器的功率三极管放大电路包括并联设置的第一三极管和第二三极管，能够输出较大的驱动电流，使得压电陶瓷驱动器具有较大的电流驱动能力，而且功率放大器设置了电压并联负反馈的电路，采用闭环反馈的方式代替了常规的开环控制方式，使得压电陶瓷驱动器具有更快的电压响应能力和更高的电压跟随精度。

本发明提供的集成式压电陶瓷驱动器具有以下优点，

(1)本发明的集成式压电陶瓷驱动器的功率三极管放大电路包括并联设置的第一三极管和第二三极管，使得压电陶瓷驱动器具有较大的电流驱动能力。

(2)本发明的集成式压电陶瓷驱动器设置了电压并联负反馈的电路，采用闭环反馈的方式代替了常规的开环控制方式，使得集成式压电陶瓷驱动器具有更快的电压响应能力和更高的电压跟随精度。

(3)本发明的集成式压电陶瓷驱动器设置成将功率放大器和高压电源模块集成于一体的压电陶瓷驱动器，创新性的将低纹波、大功率的高压电源模块嵌入到压电陶瓷驱动器中，简化了压电陶瓷驱动器的体积，使得压电陶瓷驱动器具有更高的集成度，同时极大的降低了硬件设计成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的集成式压电陶瓷驱动器的结构框图；

图2是本发明实施例提供的功率放大器的电路结构示意图；

图3是本发明实施例提供的高压电源模块的电路结构示意图；

图4是图3的局部示意图；

图5是图3的局部示意图；

图6是本发明实施例提供的集成式压电陶瓷驱动器的放大倍数基于输入电压的变化曲线；

图7是本发明实施例提供的集成式压电陶瓷驱动器的输出电压基于输入电压的变化曲线；

图8是本发明实施例提供的集成式压电陶瓷驱动器的跟踪7kHz正弦输入信号的响应曲线。

附图标号说明：

10、功率放大器；20、高压电源模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

还需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上时，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接另一个元件或者可能同时存在居中元件。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如图2所示，其为本发明的一种实施例的功率放大器10，其用于压电陶瓷驱动器，为压电陶瓷驱动器提供了大电流输出能力，保证了压电陶瓷执行机构的快速响应能力。

请参阅图2，本发明实施例的功率放大器10采用电压并联负反馈的两级功率放大方式，通过信号放大器U1和功率三极管构成闭环反馈，相比于开环电压功率放大方式，这种闭环反馈方式具有更快的电压跟踪速度和更高的电压放大精度。

功率放大器10包括信号放大器U1、功率三极管放大电路和取样电路，功率三极管放大电路包括并联设置的第一三极管Q1和第二三极管Q2，功率放大器10的输入端与信号放大器U1的反相输入端相连，信号放大器U1的输出端与第一三极管Q1的基极相连，第一三极管Q1的射极接地，且第一三极管Q1的射极通过电阻R10与信号放大器U1的正相输入端相连，电阻R10与功率放大器10的放大输出端之间设置有可变电阻R11，第一三极管Q1的集电极分别与第二三极管Q2的基极和第二三极管Q2的集电极相连，第二三极管Q2的射极与功率放大器10的放大输出端相连，取样电路连接在信号放大器U1的反相输入端与信号放大器U1的输出端之间，取样电路包括电容C1、可变电阻R6和电阻R7，电容C1和可变电阻R6串联后与电阻R7并联设置。

第二三极管Q2的射极输出为最终电压的放大输出端OUT，IN信号为需要被放大的模拟输入信号，信号范围为0～5V；Feedback信号为输出电压OUT的反馈信号，整个功率放大器10的放大倍数取决于电阻R10和电阻R11的阻值，通过调节R11的阻值使得功率放大器10的放大倍数为24倍。因为信号放大器最大输出为5V，电源电压为120V，为了满量程功率放大输出电压，因此功率放大器10的放大倍数为24。

具体地，电阻R10的阻值为230KΩ，可变电阻R11的阻值范围为0～20KΩ。

本发明实施例的功率放大器10具有以下优点：

(1)本发明实施例的功率放大器10的功率三极管放大电路包括并联设置的第一三极管Q1和第二三极管Q2，能够输出较大的驱动电流，使得压电陶瓷驱动器具有较大的电流驱动能力。

(2)本发明实施例的功率放大器10设置了电压并联负反馈的电路，采用闭环反馈的方式代替了常规的开环控制方式，使得压电陶瓷驱动器具有更快的电压响应能力和更高的电压跟随精度。

信号放大器U1作为闭环控制器，它将输入信号IN和反馈信号Feedback进行误差比较，然后进行模拟PI控制器的运算，输出运算控制量给后端的功率三极管放大电路。模拟的PI控制器参数由电阻R6、电阻R7和电容C1决定，具体地，电阻R7的阻值为1KΩ，电容C1的容值为47nF，可变电阻R6的阻值范围为0～1KΩ，通过调节R6的阻值可以整定功率放大器10的闭环带宽。

信号放大器U1优选OP37芯片，它是低噪声、精密、高速运算放大器，对放大倍数大于5的电路具有更高的放大精度和更快的响应速度。

第一三极管Q1和第二三极管Q2选择具有高β值参数的三极管，即具有高电流放大系数的三极管。在本实施例中，第一三极管Q1和第二三极管Q2均优选C5200，该三极管是230V、150W、30MHz的NPN型功率放大管，具有15A的电流驱动能力，从而为压电陶瓷驱动器提供了大电流输出能力，保证了压电陶瓷执行机构的快速响应能力。本发明实施例的功率放大器10具有较大的电流驱动能力，输出的最大电流达到15A，远远超过PA95和PA85输出的最大电流200mA。

信号放大器U1采用±15V双极性电源供电。

功率放大器10的输入端与信号放大器U1的反相输入端之间设置有电阻R5，电阻R5起限流作用。

信号放大器U1的输出端与第一三极管Q1的基极之间设置有电阻R8，电阻R8起限流作用。

第一三极管Q1的集电极与第二三极管Q2的集电极之间设置有电阻R9，电阻R9起限流作用。

第一三极管Q1的基极与第一三极管Q1的射极之间设置有第一二极管D1，起到反压泄放保护作用。

所述第二三极管Q2的基极与所述第二三极管Q2的射极之间设置有第二二极管D2，起到反压泄放保护作用。

如图1至图5所示，本发明实施例还提供了一种集成式压电陶瓷驱动器，其主要由功率放大器10和高压电源模块20两部分组成。该压电陶瓷驱动器采用分立器件设计，增大了功率放大器10的输出电流，具有较高的功率转换效率和响应带宽。

请参阅图1-图5，本发明实施例的集成式压电陶瓷驱动器包括功率放大器10和高压电源模块20，功率放大器10采用如上所述的功率放大器10，高压电源模块20输出电压信号给功率放大器10，高压电源模块20的输出电压为120V。

本发明实施例的集成式压电陶瓷驱动器具有以下几点：

(1)相比于现有的压电陶瓷驱动器，本发明实施例的集成式压电陶瓷驱动器的功率三极管放大电路包括并联设置的第一三极管Q1和第二三极管Q2，使得集成式压电陶瓷驱动器具有较大的电流驱动能力，输出的最大电流达到15A，远远超过PA95和PA85输出的最大电流200mA。

(2)相比于现有的压电陶瓷驱动器，本发明实施例的集成式压电陶瓷驱动器设置了电压并联负反馈的电路，采用闭环反馈的方式代替了常规的开环控制方式，使得集成式压电陶瓷驱动器具有更快的电压响应能力和更高的电压跟随精度。

(3)相比于现有的压电陶瓷驱动器，本发明实施例的集成式压电陶瓷驱动器设置成将功率放大器10和高压电源模块20集成于一体的压电陶瓷驱动器，创新性的将低纹波、大功率的高压电源模块嵌入到压电陶瓷驱动器中，简化了压电陶瓷驱动器的体积，使得压电陶瓷驱动器具有更高的集成度，同时极大的降低了硬件设计成本。

优选地，高压电源模块20采用基于非同步LTC3862-2两相控制器的升压DC/DC斩波电路，高压电源模块20的输入电压为6V～36V，输出电压为120V，最大输出电流为2A，开关频率为200kHz，输出纹波为150mV，电源效率达到93％。如图3和图4所示，在两相斩波升压电路中，电源的输出电压由电阻R24和R25的阻值决定，输出电压计算公式为：Vout＝1.223V*(1+R25/R24)，本实施例中，通过调整电阻R24和R25的阻值，使得高压电源模块20的输出电压为120V。

本发明实施例所设计的120V高压电源模块的具有较低的输出噪声、较大的电流驱动能力以及较少的外部组件的优点。

可以理解地，高压电源模块20的输出电压根据实际需求设计，在其他实施例中，可以通过改变电阻R24和R25的阻值来改变高压电源模块20的输出电压。

作为本发明其中一个实施例，信号放大器U1为OP37芯片，且信号放大器U1采用±15V双极性电源供电，第一三极管Q1和第二三极管Q2均为C5200三极管，可变电阻R6的阻值范围为0～1KΩ，可变电阻R6的阻值根据负载的情况进行调整，它的数值决定了模拟PI控制器的参数，进而决定了闭环带宽，电阻R7的阻值为1KΩ，电容C1的容值为47nF，电阻R10的阻值为230KΩ，可变电阻R11的阻值范围为0～20KΩ，根据高压电源模块20的输出电压，微调可变电阻R11的阻值，保证放大器的电压放大倍数为24倍，高压电源模块20的输出电压为120V。

在此基础上，对本发明实施例的集成式压电陶瓷驱动器进行了模拟测试，测试项目包括压电陶瓷驱动器的放大倍数的线性稳定性测试、压电陶瓷驱动器的电压放大精度测试和压电陶瓷驱动器的闭环带宽测试，具体测试结果如下：

图6为集成式压电陶瓷驱动器的放大倍数基于输入电压的变化曲线，由图可以看出：输入信号在0～5V范围内变化时，压电陶瓷驱动器的放大倍数波动幅度小于5‰，测试结果说明压电陶瓷驱动器的放大倍数具有较高的线性稳定性。

图7为集成式压电陶瓷驱动器的输出电压基于输入电压的变化曲线，由图可以看出：输入信号在0～5V范围内变化时，压电陶瓷驱动器输出电压的线性残差为0.234V，测试结果说明压电陶瓷驱动器具有较高的电压放大精度。

图8为集成式压电陶瓷驱动器的跟踪7kHz正弦输入信号的响应曲线，由曲线可以看出：在跟踪输出7kHz正弦输入信号时，输出信号的峰峰值衰减了0.707倍(84.84V)，即幅值衰减-3dB，这说明压电陶瓷驱动器的闭环带宽可以达到7kHz。

由上述测试数据可以得知，本发明实施例的一种集成式压电陶瓷驱动器在全电压范围内具有较好的放大线性度、较高的电压放大精度和较高的闭环响应带宽。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种功率放大器，所述功率放大器用于压电陶瓷驱动器，其特征在于，所述功率放大器包括信号放大器、功率三极管放大电路和取样电路，所述功率三极管放大电路包括并联设置的第一三极管和第二三极管，所述功率放大器的输入端与所述信号放大器的反相输入端相连，所述信号放大器的输出端与所述第一三极管的基极相连，所述第一三极管的射极接地，且所述第一三极管的射极通过电阻R10与所述信号放大器的正相输入端相连，所述电阻R10与所述功率放大器的放大输出端之间设置有可变电阻R11，所述第一三极管的集电极分别与所述第二三极管的基极和所述第二三极管的集电极相连，所述第二三极管的射极与所述功率放大器的放大输出端相连，所述取样电路连接在所述信号放大器的反相输入端与所述信号放大器的输出端之间。

2.如权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述功率放大器的放大倍数为24倍。

3.如权利要求2所述的功率放大器，其特征在于，所述电阻R10的阻值为230KΩ，所述可变电阻R11的阻值范围为0～20KΩ。

4.如权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述取样电路包括电容、可变电阻R6和电阻R7，所述电容和所述可变电阻R6串联后与所述电阻R7并联设置。

5.如权利要求4所述的功率放大器，其特征在于，所述可变电阻R6的阻值范围为0～1KΩ，所述电阻R7的阻值为1KΩ，所述电容的容值为47nF。

6.如权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述功率放大器的输入端与所述信号放大器的反相输入端之间设置有电阻R5。

7.如权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述第一三极管的集电极与所述第二三极管的集电极之间设置有电阻R9。

8.如权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述第一三极管的基极与所述第一三极管的射极之间设置有第一二极管和/或所述第二三极管的基极与所述第二三极管的射极之间设置有第二二极管。

9.一种集成式压电陶瓷驱动器，其特征在于，包括功率放大器和高压电源模块，所述功率放大器采用权利要求1-8任一项所述的功率放大器，所述高压电源模块用于输出电压信号给所述功率放大器，所述高压电源模块的输出电压为120V。

10.如权利要求9所述的集成式压电陶瓷驱动器，其特征在于，所述高压电源模块采用基于非同步LTC3862-2两相控制器的升压DC/DC斩波电路。

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