高精度压电陶瓷驱动电源的研制

佘玉成，张春熹，李慧鹏

（北京航空航天大学仪器科学与光学工程学院，北京100191)

高精度压电陶瓷驱动电源的研制

佘玉成，张春熹，李慧鹏

（北京航空航天大学仪器科学与光学工程学院，北京100191)

为进一步提高压电陶瓷微位移系统的定位精度，设计了一种以PA93高压运放器为核心的高精度、稳定性好的大功率压电陶瓷驱动电源。重点阐述了系统设计方案，并对其中的关键技术和特性功能进行了分析讨论。实验结果表明，该驱动电源具有精度高、输出电流大、响应速度快、稳定性好的特点。当压电陶瓷等效容性负载为3μF时，能在1KHz内实现0V～10V到0V～100V的动态放大，电压输出精度可达0.1mV。

压电陶瓷；驱动电源；高压运放；大功率

0 引言

随着精密工程领域的迅速发展，纳米级定位技术已经成为生物工程、精密机械制造、精密测量、精细加工、机器人等前沿科学的关键技术［1］。而压电陶瓷致动器（PZT)能够提供纳米级的位移输出，并具有分辨率高、体积小、输出力大、频响高、发热小和响应速度快等优点，几乎成为纳米定位技术的首选仪器，目前已广泛应用在光学工程、微电子工程、航空航天、精密机械制造等领域。然而压电陶瓷致动器必须使用大功率的高压直流驱动电源才能驱动，且其位移精度、响应速度和频响特性直接受驱动电源性能的影响［2］。因此，设计出大功率高精度的优良压电陶瓷驱动电源已成为目前压电陶瓷应用的关键技术［3］。

1 驱动电源原理及技术要求

1．1 驱动电源原理

压电陶瓷微位移驱动系统主要组成部分如图1所示，主控制器控制信息转换为有效的命令及数据信息，输出有效的数字信号来驱动D／A转换器，D／A转换器把接收到的数字信号转换为模拟信号，提供精密的电压源来驱动线性放大电路，最后由线性放大电路对电压源进行放大并驱动PZT［4］。而线性放大电路是驱动电源的主要组成部分，因此驱动电源研制的关键技术就是线性放大电路部分的设计与实现［5⁃6］。

图1 压电陶瓷微位移驱动系统Fig．1 Piezoelectric micro displacement drive system

1．2 驱动电源技术要求

压电陶瓷驱动电源具有以下特点：

1)能够输出连续可调的高压直流电压（0V～100V)；

2)PZT类似于容性负载，相应速度取决于输出电流大小，因此要求驱动电源能够输出足够的瞬态驱动电流；

3)为了实现PZT纳米级高分辨率，需要驱动电源具有良好的稳定性，且波纹应与定位精度呈现良好线性关系。

微位移驱动系统对驱动电源的指标要求：

1)输入控制电压为0V～10V；

2)驱动电压为0V～100V（连续可调)；

3)频率响应为0Hz～1000Hz；

4)压电陶瓷等效电容为3μF；

5)驱动电源电压分辨率＜0.1mV。

2 线性放大电路分析

线性放大电路是压电陶瓷驱动电源设计的关键。放大电路引入直流负反馈能稳定静态工作点，引入交流负反馈能改善放大电路的性能，使得电子放大电路中普遍应用负反馈。在该电源中采用电压串联复合负反馈结构［7］。

为了实现高精度线性放大和功率放大，采用两级放大器。考虑电压的高精度线性放大，需要尽量减少整个放大电路的输入失调电压［8］。本文采用的是由两级放大器组成的复合式负反馈放大电路，与常规两级放大电路相比，能够充分减少放大电路的输入失调电压。

2．1 常规两级运放电路

常规两级运放电路原理图及整体结构框图如图2所示。

图2 常规两级运放电路Fig．2 Conventional two⁃stage op⁃amp circuit

在图2中，X1和X2分别为运放OP1和OP2的输入失调电压，A1和A2分别为OP1、OP2的闭环增益，则有输出电压：

2．2 复合负反馈放大电路

复合负反馈放大电路原理图及整体结构框图如图3所示。

图3 复合负反馈放大电路Fig．3 Composite negative feedback amplifier circuit

可知整个放大电路的闭环增益为：

因为前级低压精密运放的闭环增益A1远大于1，所以：

同时，复合负反馈放大电路输出电压为：

结合式（3)，且A1A2≫1，最终可得：

通过式（1)与式（5)的比较可知，后者的输入失调电压仅为前者的1／A1。因此，复合负反馈放大电路的总输入失调电压主要由前级运放的输入失调电压决定，故采用负反馈放大电路设计方案能有效降低整个线性放大电路的输入失调电压。

前级采用低压精密运放器，以获得较小的输入失调电压和较高带宽，后级采用PA93大功率运放，以获得较高输出电压和持续输出的高电流。PA93的输入失调电压为2mV，前级的低压精密运放的输入失调电压必须远小于2mV，才能降低整个放大电路的失调电压。TI公司出产的ADA4638⁃1精密放大器是零漂移、轨至轨输出的精密放大器，最大输入失调电压仅为4μV，供电电压为±15V。选择它作为前级放大器，可有效降低输入失调电压，提高控制精度。驱动电源电路图如图4所示，选用放大器ADA4638⁃1和PA93组成复合放大电路。

图4 驱动电源电路原理图Fig．4 Schematic diagram of drive power supply circuit

3 驱动电源电路设计与分析

3．1 增益设置

复合负反馈放大电路总增益是10倍，增益大小由RJ1、RJ2、RJ3、RJ4共同决定，即1＋RJ4／RJ1＝10，得复合负反馈放大电路总增益为10倍。同时使1＋RJ3／RJ2＝10，使得后级PA93的闭环放大增益为10倍。同时，RJ1、RJ2、RJ3、RJ4应选用精度为0.01％的高精密薄膜电阻，耐压值为300V。

3．2 电流限制

为保证放大器PA93工作在安全区内，必须对输出电流加电阻限制，以防止输出功率过大而烧坏芯片。如图4中R3为限流电阻，可以通过调节该值把最大输出电流控制在某一个特定值以下，最大输出电流ILIM和限流电阻满足以下近似关系：R3＝0.65／ILIM。本设计电路的最大输出电流通过计算可得，并且限流电阻功率必须高达1W的高精度可靠电阻。

3．3 输入输出保护电路

压电陶瓷为容性负载，在受控产生机械变形后，容性负载储存的电荷会产生高压，若直接作用于运放芯片，可能造成芯片损坏，因此必须考虑加入输入输出保护电路。如图4所示，在运放器输出端反向接两个快速恢复二极管（DBF)，其方向耐压值必须达到电源电压的2倍，本文采用MUR160使瞬态高压信号通过DBF从电源旁路流向大地，从而保护芯片的输出端。同时在电源旁路正极接一个瞬态抑制二极管（TVS)，其方向电压必须大于放大器正常工作峰值电压，本文采用TVS管P6KE180，防止从DFB流经电源旁路的瞬态高压信号对电源造成损坏。

3．4 相位补偿

当集成运放电路的开环增益为一定值时，由于相移过大，电路会产生高端提升以及振荡现象。为了克服这些现象，应对集成运放电路进行相位补偿。集成运放的相位补偿可通过补偿引线端，输入端和输出引线端外接RC补偿元件，构成相位补偿网络，实现相位补偿。相位补偿不仅提高放大电路的稳定性，而且还能使带宽扩展。PA93芯片本身自带外部相位补偿功能，综合增益匹配等设计要求，可选择相位补偿电阻电容值分别为Rc＝0，Cc＝47pF。同时，补偿电容的耐压值必须达到放大器的全部工作电压。

4 实验结果分析

为了测试本设计的准确性，在PZT容性负载为3μF、输入信号为1KHz的情况下进行测试，先让驱动电源预热30min，再用计算机在1KHz的频率下给出0V、1V、2V、…、10V的电压输出指令，最后利用高精度电压表对0、1、…、10等离散点附近来回各取10个点，共测得100个数据，并对这100个数值与理论输出电压值进行误差分析，对比误差大小，如图5所示。同时，利用数字存储式示波器观测输入输出波形，输入为1KHz／5V的方波信号，输出为1KHz／50V的方波信号，通过多次测试可得驱动电源的基本性能参数，如表1所示。

图5 实验误差结果图Fig．5 Results of the experimental error

表1 驱动电源基本性能参数Table 1 The basic performance parameters of the driving power

通过图5可知，在1KHz的输出电压0V～100V内，几乎所有误差都控制在0.1mV以内，能够满足微位移系统0.1mV的输出电压精度；由前文可知驱动电源的响应速度取决于输出电流的大小，而本设计的持续输出电流高达1.88A，输入输出相位误差在2°以内，具有输出电流大、响应速度快的优点，达到了设计指标要求。

5 结论

压电陶瓷驱动控制技术目前已经成为微位移应用技术的关键技术之一，本文针对压电陶瓷微位移系统的驱动电压进行了分析讨论，通过采用精密运放ADA4638⁃1和大功率运放器PA93组成的复合负反馈放大电路，设计了一种基于PA93的高精度压电陶瓷驱动电源，同时通过针对各种反馈网络、补偿环节和保护电路的优化设计，使其具有良好的动态特性和较高的输出电压和输出电流，稳定性好，线性度好，输出电压纹波小，精度能满足0.1mV要求，完全满足了高精度和优良稳定性的设计要求，具有广阔的应用前景。

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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，硕士，仪器科学与光学工程专业，研究方向为精密科学仪器、高精度压电陶瓷微位移闭环系统的驱动技术。

2016⁃04⁃27

国家重大仪器设备开发专项（编号：2013YQ040877)