一種高精度的壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)放大電路的制作方法
【專利摘要】一種高精度的壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)放大電路，涉及壓電陶瓷控制領(lǐng)域，解決現(xiàn)有由于高壓運(yùn)算放大器的低頻性能差，且在發(fā)熱量比較大的情況下，導(dǎo)致溫度變化引入的低頻噪聲惡化電路的性能等問題，本發(fā)明的電路在APEX公司的高壓放大電路的基礎(chǔ)上增加了差分輸入電路及電流放大電路；電流放大電路對(duì)PA系列高壓放大電路的電流進(jìn)行放大，同時(shí)電流放大電路作為電路的輸出級(jí)，使得電路的輸出電流大，帶負(fù)載能力強(qiáng)，拓展了電路系統(tǒng)的應(yīng)用。經(jīng)過改造后的高壓運(yùn)算放大器使用靈活，結(jié)構(gòu)簡單，電路對(duì)稱性好，可以較為方便的組成壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源，實(shí)驗(yàn)測試中，其輸出電壓的分辨率優(yōu)于10mV。
【專利說明】—種高精度的壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)放大電路

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)控制領(lǐng)域，具體涉及一種基于高壓運(yùn)算放大器的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)放大電路，它可以靈活的組成壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)控制電源。

【背景技術(shù)】
[0002]光學(xué)及精密機(jī)械的場合都需要較高的位移分辨率，它們對(duì)運(yùn)動(dòng)位置的精度要求能達(dá)到納米級(jí)別。壓電陶瓷依據(jù)壓電效應(yīng)的原理，使用特殊的壓電材料燒結(jié)而成，具有體積小、位移分辨率高、動(dòng)態(tài)性能好、發(fā)熱小等特點(diǎn)，在高精度的納米定位的場合中有著非常廣泛的應(yīng)用。要充分發(fā)揮壓電陶瓷的性能，壓電陶瓷需要配備高精度的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源，壓電陶瓷電源最終決定了壓電陶瓷的位移精度。當(dāng)前的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源中，主要有兩種設(shè)計(jì)方案:電壓控制方案和電荷控制方案。其中電荷控制方案可以有效的補(bǔ)償壓電陶瓷的磁滯特性，成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，但是電荷控制方案也有動(dòng)態(tài)性能不高的缺點(diǎn)；電壓控制方案有很好的動(dòng)態(tài)性能，電路的軟硬件補(bǔ)償靈活，這種方法在壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)中應(yīng)用廣泛。壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源解決方案中，APEX公司研發(fā)出一系列的高壓運(yùn)算放大器，通過該高壓運(yùn)算放大器可以便捷的組成壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源，組成的壓電陶瓷電源具有體積小，散熱設(shè)計(jì)方便等優(yōu)點(diǎn)；但是高壓運(yùn)算放大器的低頻性能比較差，尤其在發(fā)熱量比較大的情況下，溫度變化引入的低頻噪聲惡化了電路的性能，使其難以組成高精度的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明為解決現(xiàn)有由于高壓運(yùn)算放大器的低頻性能差，且在發(fā)熱量比較大的情況下，導(dǎo)致溫度變化引入的低頻噪聲惡化電路的性能等問題，提供一種高精度壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)放大電路。
[0004]一種高精度壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)放大電路，包括由PA95芯片組成的高壓放大電路，還包括與高壓放大電路輸入端連接的差分輸入電路以及與高壓放大電路輸出端連接的電流放大電路，所述電流放大電路與電阻串聯(lián)后實(shí)現(xiàn)對(duì)壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)。
[0005]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明針對(duì)高壓運(yùn)算放大器的缺點(diǎn)而設(shè)計(jì)，以PA95高壓運(yùn)放為例，PA95外圍采用APEX公司推薦的電路形式，通過對(duì)推薦電路的擴(kuò)展而組成高精度的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)放大電路。本發(fā)明使用高精度分立的元器件組成高精度的差分輸入電路對(duì)高壓運(yùn)算放大器進(jìn)行改造而組成了高精度的高壓運(yùn)算放大器，該高壓運(yùn)算放大器可以便捷的組成壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源，以此方法組成的壓電陶瓷電源具有體積小、精度高及使用靈活等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明設(shè)計(jì)的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)放大電路充分的考慮了系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)，依據(jù)熱分析的原理而提出，具備結(jié)構(gòu)簡單，電路調(diào)整方便，組成電路靈活，同時(shí)具備動(dòng)態(tài)性能好，輸出電流大等優(yōu)點(diǎn)，可以便捷的實(shí)現(xiàn)對(duì)壓電陶瓷的高精度驅(qū)動(dòng)控制。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0006]圖1為本發(fā)明所述的一種高精度壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)放大電路的結(jié)構(gòu)圖；
[0007]圖2為本發(fā)明所述的一種高精度壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)放大電路的電路原理示意圖；
[0008]圖3為本發(fā)明所述的一種高精度壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)放大電路的控制結(jié)構(gòu)圖；
[0009]圖4為采用本發(fā)明所述的一種高精度壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)放大電路組成壓電陶瓷電源時(shí)的電路框圖；
[0010]圖5是應(yīng)用圖4設(shè)計(jì)的壓電陶瓷電源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的原理框圖；
[0011]圖6是圖5的測試結(jié)果曲線效果圖。

【具體實(shí)施方式】
[0012]【具體實(shí)施方式】一、結(jié)合圖1和圖2說明本實(shí)施方式，一種高精度壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)放大電路，電路的整個(gè)框圖如圖1所示，在PA系列高壓放大電路的基礎(chǔ)上增加了差分輸入電路及電流放大電路，輔助以高壓供電電源及低壓供電電源可以很靈活的組成壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源。
[0013]結(jié)合圖2，本實(shí)施方式所述的差分輸入電路主要由差分對(duì)管Q1、三極管Q2、三極管Q3及場效應(yīng)管Q4并搭配電容電阻而構(gòu)成；差分輸入電路的恒流源由場效應(yīng)管Q4和電阻R7實(shí)現(xiàn)，場效應(yīng)管Q4的柵極接負(fù)壓電壓源VS，場效應(yīng)管Q4的源級(jí)串聯(lián)電阻R7連接到負(fù)電壓源VS上，場效應(yīng)管Q4的漏極作為電流源輸出端。差分對(duì)管Ql作為電路的核心，由分晶體管Q1_A和分晶體管Q1_B組成，所述分晶體管Q1_A和分晶體管Q1_B的發(fā)射極連接在一起最終與恒流源的輸出端相連，兩個(gè)分晶體管91_八和Q1_B的基極分別作為差分輸入電路的同向輸入端IN+和反向輸入端IN-，兩個(gè)分晶體管Q1_A和Q1_B的集電極分別連接晶體管Q2和Q3的發(fā)射極，三極管Q2和Q3的基極連接在一起，它們的集電極作為差分輸入電路的同向及反向輸出端，其中Q2的集電極作為反向輸出端，Q3的集電極作為同向輸出端，作為反向輸出端的Q2集電極順次串聯(lián)電阻R4和Rl最終連接于正電壓源VC，同樣作為同向輸出端的Q3集電極順次串聯(lián)電阻R5和R2最終連接于正電壓源VC，R1與R4的連接端接可變電阻R3，可變電阻R3的另一端與R2及R5的連接端相連；
[0014]本實(shí)施方式中為保證電路的靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定使用R6、D1、C5和C6組成靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定電路，電路中R6 —端與正電壓源VC相連，另一端串聯(lián)Dl后與Q4組成的恒流源的輸出端連接，Dl與R6連接的一端作為穩(wěn)定電壓輸出端連接于Q2和Q3的基極，同時(shí)在Dl的兩端并聯(lián)C5和C6以濾除Dl兩端的電壓紋波；電容C1、C2、C3和C4為電源濾波電容，電容Cl和電容C2的一端接在正低壓電壓源VC上，另外一端接地，電容C3和C4的一端接在負(fù)低壓電壓源VS上，另外一端接地。
[0015]本實(shí)施方式所述的電壓放大電路使用APEX公司的PA95芯片組成高壓放大器構(gòu)成，差分輸入電路的同向輸出端和反向輸出端分別連接在PA95的I腳及2腳上，同時(shí)在兩端跨接一正一反兩個(gè)二極管D2和D3 ；PA95的5腳和6腳分別連接于高壓電壓源VCC及VSS，7腳和8腳連接電容C7，3腳連接電容R8最終連接于芯片的4腳上，芯片的4腳作為電壓放大電路的輸出；上述連接方式是PA95運(yùn)算放大器手冊(cè)上推薦的連接方法。
[0016]本實(shí)施方式所述的電流放大電路使用R9、D4、D5和R12作為偏置電路，電壓放大電路的輸出端與D4的陽極及D5的陰極連接，D4的陰極串聯(lián)可變電阻R9連接于正電壓源VCC上，D5的陽極串聯(lián)可變電阻R12連接于負(fù)電壓源VSS上；電流放大電路以MOS管Ml和M2作為核心，它們漏極分別接于正電壓源VCC和負(fù)電壓源VSS，柵極則作為兩個(gè)輸入端串接電阻RlO和Rll后接在分別接在D4的陰極及D5的陽極，Ml和M2的源級(jí)直接連接作為電流放大電路的輸出端，串聯(lián)電阻R13后用以驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷。
[0017]本實(shí)施方式所述的差分輸入電路由以對(duì)管Ql及三極管Q2、Q3為核心器件組成；Q1為SMM2212差分對(duì)管，Q2和Q3為三極管，Q4為結(jié)型場效應(yīng)管，Ml為IXTA10N60P高壓MOS管，M2 為 IXTH10N60 高壓 MOS 管;電阻 R1、R2、R4、R5、R6、R7、R8、RlO 和 Rll 為貼片電阻；R8和R13為大功率電阻；R3、R9和R12為可變電阻其電阻，R3的變化范圍為0_10k，R9和R12的變化范圍為0-200k ;D1、D4和D5為3.3V穩(wěn)壓二極管，D2和D3為1N4148 二極管；電路中電容C2和C4為鉭電容，其余電容為陶瓷電容。電路的IN+和IN-分別為放大電路的正端和負(fù)端輸入；V0UT是放大電路的輸出端；VCC為放大電路的正高電壓供電，VSS為放大電路的負(fù)高電壓供電，VC為放大器的正低電壓供電，VS為放大器的負(fù)低電壓供電。
[0018]本實(shí)施方式中的三極管Q2和Q3與差分對(duì)管Ql組成沃爾曼電路，該電路可以有效的拓展帶寬，改善電路的高頻性能，同時(shí)有效的隔離電路的輸入級(jí)和電源；電路中C5和C6為陶瓷電容，它們作為濾波電容，濾除穩(wěn)壓二極管Dl兩端的噪聲；R1_R5為負(fù)載電阻，其中R3為輸入偏置調(diào)整電阻；電路使用Q4及R7組成恒流源電路，恒流源的電流為2mA，電路的差分輸入級(jí)使用±15V低壓電源供電，電容C1-C4為去耦電容，濾除電源的噪聲。電路的高壓放大電路使用PA95構(gòu)成，電路同時(shí)增加D2和D3 二極管作為輸入保護(hù)電路，C7和R8是PA95高壓運(yùn)算放大器組成的必備器件，分別用以進(jìn)行頻率補(bǔ)償及輸出電流限制；高壓放大電路也可以使用其它有類型的PA系列高壓運(yùn)算放大器。電路的電流放大電路由D4、D5、R9、R10、R11、R12、M1及M2構(gòu)成，R9、R12、D4&D5組成了 MOS管的偏置電路，主要用以減小電流放大電路的交越失真，Ml及M2是大功率的場效應(yīng)管，主要完成電流放大任務(wù)。壓電陶瓷在電路上可以等效為一個(gè)uF級(jí)別的電容和M Ω級(jí)別的電阻并聯(lián)，放大器直接驅(qū)動(dòng)大的電容往往會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定性問題，因此串聯(lián)一個(gè)大功率的電阻，可以有效的降低負(fù)載的慣性，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
[0019]結(jié)合圖3說明本實(shí)施方式，圖3為電路設(shè)計(jì)的控制原理圖，圖中的控制器通過差分輸入電路實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)的反饋回路通過反饋電阻予以實(shí)現(xiàn)，電壓放大器使用PA系列的電壓放大電路實(shí)現(xiàn)，電流放大器使用電流放大電路實(shí)現(xiàn)。高壓放大電路的干擾等效為N (s)，干擾既包括由于溫度失調(diào)引起的噪聲，也包括電路本身的噪聲。沒有前一級(jí)控制器的情況下，該擾動(dòng)直接會(huì)通過高壓運(yùn)放而影響輸出，當(dāng)使用前級(jí)高精度控制器時(shí)，即電路中有差分輸入電路作為控制器時(shí)，該擾動(dòng)對(duì)輸出的影響可以用公式(I)來表示。通過選擇控制器的參數(shù)K，可以有效的降低擾動(dòng)對(duì)輸出的影響。綜合上述分析，通過本發(fā)明設(shè)計(jì)的方法可以有效的減小電路的擾動(dòng)影響。
[0020]Ytt(S)' Iii, N(S)⑴

I + Cr, Li1HK
[0021]上述公式中，K用以表示輸入差分電路的傳遞函數(shù)，輸入差分電路也作為電路系統(tǒng)的控制器使用，Gl及G2分別為電壓放大電路和電流放大電路的傳遞函數(shù)，G3為充放電電路的傳遞函數(shù)，H為使用電阻網(wǎng)絡(luò)而組成的反饋電路的傳遞函數(shù)。
[0022]依據(jù)功耗的角度進(jìn)行分析，PA系列的高壓運(yùn)算放大器的功耗可以由公式(2)來表述，公式中Is為電路的靜態(tài)電流，V。和I。分別為電路的輸出電壓和輸出電流。從公式中可以看到如果能降低輸出電流，就可以降低輸出功耗，從而減小芯片總的功耗，使芯片發(fā)熱量減小而使芯片受溫度影響而帶來的溫漂減小。發(fā)明中據(jù)此原理設(shè)計(jì)了電流放大電路，電流放大電路的輸入電流小，可以有效的降低PA系列高壓運(yùn)算放大器的功耗，以此提高系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性。
[0023]P = (VCC-VSS) IS+V010 (2)
[0024]【具體實(shí)施方式】二、結(jié)合圖2、圖4至圖6說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式為【具體實(shí)施方式】一所述的一種高精度壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)放大電路的實(shí)施例:
[0025]首先焊接電路的差分輸入極，將同向和反向輸入端接地；電阻Rl、R2、R4和R5接入Ik的電阻，R3不焊接，R7接入Ik的電阻，測量得到電阻R7兩端的電壓為2.0V，輸出端有電壓輸出；在上一步驟的基礎(chǔ)上，焊接電路的電流放大級(jí)，將滑動(dòng)電阻R9和R12調(diào)整到最大值，接入±150的電壓，調(diào)整滑動(dòng)變阻器的電阻，使電壓輸入點(diǎn)的電壓為盡可能的接近OV ;焊接電路的電壓放大級(jí)。電路焊接完畢后，焊接R3，并將滑動(dòng)電阻調(diào)整到最大值，電路的高壓和低壓電源全部作用于電路上，電路的同向輸入端和方向輸入端接地，調(diào)整R3的電阻值，使得電路的輸入電壓盡可能接近0V。
[0026]結(jié)合圖4和圖6說明電路的使用方式及測試方法。圖4中:R16為平衡電阻，其值等于R14與R15的并聯(lián)值相等；R14和R15調(diào)整系統(tǒng)的放大倍數(shù)；電容C8為反饋補(bǔ)償電容，電容值在IpF?10pF之間；高壓電源需要具備正負(fù)雙電源供電的能力。
[0027]壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)中，比較重點(diǎn)關(guān)注的是電路的輸入電壓分辨率。按照?qǐng)D4的電路圖組成電路，電路中的反饋電阻R14 = 10k、R15 = 150k和R16 = 10k，C8取5pF，低壓和高壓的電壓源分別為±15V和±150V，這樣就組成了放大倍數(shù)為16倍的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源。將圖4所示的電路接入到圖5中，通過DA系統(tǒng)發(fā)生微小的方波，使用示波器檢測電壓輸出端的電壓波形，得到波形圖示如圖6所示。通過觀察圖6說明，發(fā)明設(shè)計(jì)的電路系統(tǒng)的電壓分辨率優(yōu)于10mV。
【權(quán)利要求】
1.一種高精度壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)放大電路，包括由PA95芯片組成的高壓放大電路，其特征是，還包括與高壓放大電路輸入端連接的差分輸入電路以及與高壓放大電路輸出端連接的電流放大電路，所述電流放大電路與電阻串聯(lián)后實(shí)現(xiàn)對(duì)壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高精度壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)放大電路，其特征在于，所述的差分輸入電路由三極管Q1、三極管Q2及三極管Q3搭配電容電阻以及場效應(yīng)管Q4和電阻R7組成；所述場效應(yīng)管Q4和電阻R7作為差分輸入電路的恒流源，場效應(yīng)管Q4的柵極接負(fù)壓電壓源VS，場效應(yīng)管Q4的源級(jí)串聯(lián)電阻R7連接到負(fù)電壓源VS上，場效應(yīng)管Q4的漏極作為電流源輸出端，差分對(duì)管Ql由分晶體管Q1_A和分晶體管Q1_B組成，所述分晶體管Q1_A和分晶體管Q1_B的發(fā)射極相連接并與恒流源的輸出端相連，所述兩個(gè)分晶體管Q1_A和分晶體管Q1_B的基極分別作為差分輸入電路的同向輸入端IN+和反向輸入端IN-，兩個(gè)分晶體管Q1_A和Q1_B的集電極分別連接晶體管Q2和晶體管Q3的發(fā)射極，所述晶體管Q2和晶體管Q3的基極相連接，晶體管Q2和晶體管Q3的集電極分別作為差分輸入電路的反向和同向輸出端。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高精度壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)放大電路，其特征在于，所述三極管Q1、三極管Q2及三極管Q3搭配電容電阻的具體連接方式為:作為反向輸出端的晶體管Q2的集電極依次串聯(lián)電阻R4和電阻Rl最終連接于正電壓源VC，作為同向輸出端的晶體管Q3的集電極依次串聯(lián)電阻R5和電阻R2最終連接于正電壓源VC，所述電阻Rl與電阻R4的連接端與可變電阻R3的一端連接，可變電阻R3的另一端與電阻R2及電阻R5的連接端相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高精度壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)放大電路，其特征在于，所述差分輸入電路中還包括靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定電路，所述靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定電路由電阻R6、穩(wěn)壓二極管D1、電容Cl至電容C6組成，所述電阻]R6 —端與正電壓源VC相連，另一端串聯(lián)穩(wěn)壓二極管Dl后與場效應(yīng)管Q4的輸出端連接,穩(wěn)壓二極管Dl與電阻R6連接的一端作為穩(wěn)定電壓輸出端并連接于三極管Q2和三極管Q3的基極，同時(shí)在Dl的兩端并聯(lián)電容C5和電容C6，電容Cl和C2的一端接在正低壓電壓源VC上，另外一端接地，電容C3和電容C4的一端接在負(fù)低壓電壓源VS上，另外一端接地。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高精度壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)放大電路，其特征在于，所述的電流放大電路采用電阻R9、穩(wěn)壓二極管D4、穩(wěn)壓二極管D5和電阻R12作為偏置電路，高壓放大電路的輸出端與穩(wěn)壓二極管D4的陽極及穩(wěn)壓二極管D5的陰極連接，穩(wěn)壓二極管D4的陰極串聯(lián)可變電阻R9連接于正電壓源VCC上，穩(wěn)壓二極管D5的陽極串聯(lián)可變電阻R12連接于負(fù)電壓源VSS上；電流放大電路以MOS管Ml和MOS管M2作為核心，所述MOS管Ml和MOS管M2的漏極分別接于正電壓源VCC和負(fù)電壓源VSS，柵極作為兩個(gè)輸入端串聯(lián)電阻RlO和電阻Rll后接在分別接在穩(wěn)壓二極管D4的陰極及穩(wěn)壓二極管D5的陽極，MOS管Ml和MOS管M2的源級(jí)相連并作為電流放大電路的輸出端，所述電流放大電路的輸出端串聯(lián)電阻R13后用于驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷。
【文檔編號(hào)】H03F1/30GK104242841SQ201410441036
【公開日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年9月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月1日
【發(fā)明者】徐立松, 李佩玥, 章明朝, 隋永新, 楊懷江 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所