1、壓電陶瓷致動器對驅動電源的要求

壓電陶瓷致動器的驅動電源應具有如下特點：

(1)yadiantaocizhidongqideweiyishuchuduiwaijiaqudongkongzhidianyadexiangyingsudu
，zhuyaoqujueyuqudongdianyuanqudongdianliudedaxiao，yinciqudongdianyuanyingjuyoujiaodadequdongdianliu
，yibanbuyingxiaoyu150mA；

(2)驅動電源的輸出控製電壓連續可調，對國產壓電陶瓷致動器PTBS200係列而言
，要求驅動電源輸出電壓為直流0～200V，連續可調
；

(3)為適應高頻響應的要求

，驅動電源中應具有供容性負載快速放電的回路
；

(4)由於壓電陶瓷致動器主要應用於微納米技術領域，所以驅動電源應具有良好的穩定性，其輸出紋波電壓應控製在很小的範圍內；

(5)為實現位移的自動控製
，驅動電源最好采用計算機控製。

壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷(ci)致(zhi)動(dong)器(qi)外(wai)電(dian)路(lu)是(shi)一(yi)個(ge)容(rong)性(xing)負(fu)載(zai)，並(bing)有(you)遲(chi)滯(zhi)和(he)蠕(ru)變(bian)現(xian)象(xiang)。而(er)驅(qu)動(dong)電(dian)源(yuan)一(yi)般(ban)可(ke)分(fen)為(wei)電(dian)荷(he)控(kong)製(zhi)型(xing)和(he)電(dian)壓(ya)控(kong)製(zhi)型(xing)。電(dian)荷(he)控(kong)製(zhi)型(xing)驅(qu)動(dong)電(dian)源(yuan)基(ji)於(yu)電(dian)容(rong)器(qi)充(chong)電(dian)的(de)原(yuan)理(li)(對外加電壓而言，每個壓電陶瓷片相當於一隻平行板電容器)，可以改善壓電陶瓷的遲滯和蠕變。電壓控製型驅動電源主要有以下兩種形式：一種是基於DC/DC變換器原理的開關式驅動電源，其體積小

、效率高，但電源輸出紋波較大，頻響範圍也較窄

；另一種是直流放大電源，頻響範圍寬，從發展趨勢來看，其應用前景廣闊。

2、驅動電源的設計

根據壓電陶瓷致動器對其驅動電源的要求，本設計中的電源采用直流放大式電路。整個電源電路主要由計算機與數據采集卡、運算放大電路和高壓電路等幾部分組成。高壓電路提供220V的直流電壓，計算機通過LabView8.5控製數據采集卡產生一定的輸出波形，得到0～5V的連續可調控製電壓;放大電路實現電壓的線性放大和功率放大
，輸出0～200V連續可調的直流電壓
，並決定著電源輸出電壓的分辨率和穩定性，是整個電源的關鍵。

① 高壓電路

由於直流電壓的穩定性直接影響驅動電源的穩定性，采用220V輸出電壓的高壓電路
，主要部分是將市電交流220V變為+220V直流電壓的全橋整流供電電路。

② 波形發生電路

良好的輸入波形是電源的關鍵之一

，關係到壓電陶瓷的伸縮變化。輸入波形信號的頻率
、幅(fu)值(zhi)可(ke)變(bian)，信(xin)號(hao)波(bo)形(xing)好(hao)，畸(ji)變(bian)小(xiao)，不(bu)僅(jin)可(ke)以(yi)消(xiao)除(chu)壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷(ci)本(ben)身(shen)的(de)遲(chi)滯(zhi)特(te)性(xing)和(he)蠕(ru)變(bian)特(te)性(xing)
，也(ye)能(neng)獲(huo)得(de)更(geng)廣(guang)泛(fan)的(de)應(ying)用(yong)。由(you)於(yu)電(dian)壓(ya)精(jing)度(du)要(yao)求(qiu)比(bi)較(jiao)高(gao)，使(shi)用(yong)NI公司的具有16位模擬輸入輸出的多功能數據采集卡6221將數字量轉換成模擬量，輸出電壓為0～5V，電壓分辨率達到5/216，約等於0.076mV。采用LabView8.5編程可以實現任意波形及緩變直流等輸出，靈活性強，能滿足各種需要。

③高壓放大電路

采用美國APEX公司生產的高壓運算放大器PA96和高精度運算放大器OP07串聯組成串聯負反饋放大電路。PA96是一種高壓，大帶寬的MOSFET運算放大器，輸出電流達到1.5A，輸出電壓接近300V，安全操作區(SOA)沒有二次擊穿的限製
，通過選擇合適的限流電阻
，可觀察到任何負載下的安全操作曲線。PA96的最大失調電壓為5mV，對要求分辨率為10mV以下的壓電陶瓷驅動電源，其輸入特性不能滿足要求。在該電源的線性放大部分采用了PA96和OP07串聯的複合放大器
，從而使輸入失調電壓由前置放大器OP07控製。由於複合放大器的輸入電壓為0～5V，輸出電壓要求為0～200V，因此複合放大器的放大倍數要求為40。但增益過大會影響運放穩定性，因此選定PA96的閉環放大倍數為31，PA96和OP07串聯後共同提供的放大倍數為40。根據放大倍數的分配要求可得：

R1=3kΩ，R2=117Ω，R3=180Ω，R4=6kΩ

由於構成負反饋電路，輸出電阻非常小(mΩ級)，因此具有很強的帶負載能力。R5為限流電阻，其值由公式IL=0.68V/R5=125mA可得，這裏為5.4Ω。

3、相位補償與輸出保護

zijixianxiangshiyingxiangdianyuanwendingxingdeyigezhuyaoyinsu。dangjichengyunfangdekaihuanzengyiweiyidingzhishi，youyuxiangyiguoda，dianluhuichanshengzhendangxianxiang
，yinciyingduijichengyunfangjinxingxiangweibuchang。tongchangzaishuruduanheshuchuduanwaijiebuchangyuanjian
，jinxingxiangweibuchang。xiangweibuchangbujinnengtigaoyunfangdewendingxing，hainengkuozhandaikuan。dianluzhongPA96一級的閉環放大倍數為31

，由此計算出其增益為30，根據PA96的數據資料，確定相位補償電容值CC=10pF，閉環帶寬大約為1MHz。OP07輸入端的二極管D1、D2提供差模和共模保護
，防止瞬態過壓，輸出二極管D3

、D4可對瞬態過壓進行保護
，防止瞬態過壓損壞OP07的輸出。PA96放大器輸入端的二極管D5、D6、D7、D8把放大器正負輸入端的電壓鉗位在規定範圍內，對運放起保護作用。

相關閱讀：

技術詳解：壓電陶瓷驅動電源設計方案
電路普及：高分辨率壓電陶瓷D/A電路設計
多路壓電陶瓷驅動器電壓實時監測係統設計