一種壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)放大電路的制作方法
【專利摘要】一種壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)放大電路，涉及壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)控制領(lǐng)域，具體地說是一種壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)放大器，它可以靈活的組成壓電陶瓷電源。本發(fā)明的壓電陶瓷放大器，在保證驅(qū)動(dòng)效果的同時(shí)，有效的降低了成本，同時(shí)也保證電路應(yīng)用的便利性。本發(fā)明依據(jù)放大電路的設(shè)計(jì)原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，它由差分輸入電路、電壓放大電路和電流放大電路組成，差分輸入電路解決了高壓放大電路的差動(dòng)輸入問題，電壓放大電路對(duì)電壓進(jìn)行放大，電流放大電路對(duì)電流進(jìn)行放大，增強(qiáng)輸出電壓的功率，提高系統(tǒng)帶負(fù)載的能力。使用設(shè)計(jì)的高壓放大器組成壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源，其對(duì)稱性好，輸出電壓的分辨率優(yōu)于10mV。
【專利說明】—種壓電陶瓷的驅(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，具體涉及一種壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)放大電路，它可以靈活的組成壓電陶瓷電源。

【背景技術(shù)】
[0002]科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使人類的研究領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，當(dāng)前系統(tǒng)的操作對(duì)象已經(jīng)從宏觀擴(kuò)展的微觀納米級(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)，在納米定位的場合中有著非常廣泛的應(yīng)用。壓電陶瓷的性能實(shí)現(xiàn)總是離不開壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的支持，可以說壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)放大器的性能最終決定了壓電陶瓷的機(jī)械性能。當(dāng)前的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)有電壓控制和電荷控制兩種解決方案，其中電壓控制方案因具備良好的動(dòng)態(tài)性能成為壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)控制的主流方案。使用電壓控制方法，采用靈活的電路形式組成高精度的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器是當(dāng)前技術(shù)研究的一個(gè)熱點(diǎn)問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明為解決現(xiàn)有壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)控制器靈活性差的問題，提供一種壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)放大電路。
[0004]一種壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)放大電路，由差分輸入電路、電壓放大電路和電流放大電路組成；所述差分輸入電路的輸出端與電壓放大電路的輸入端連接，電壓放大電路的輸出端與電流放大電路的輸入端連接，所述電流放大電的輸出端串聯(lián)電阻后與壓電陶瓷組成RC充放電電路給壓電陶瓷供電。
[0005]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明所述的壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)放大電路，由差分輸入電路、電壓放大電路和電流放大電路組成，它依據(jù)放大器的設(shè)計(jì)思想而提出，結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用便捷，具有靈活性強(qiáng)，成本低等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明采用分立的電子器件實(shí)現(xiàn)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電路，依據(jù)放大器的設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)了高壓供電的運(yùn)算放大器，該高壓供電的運(yùn)算放大器具備驅(qū)動(dòng)高精度壓電陶瓷的能力，同時(shí)電路應(yīng)用便捷，并且有效的降低了成本。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0006]圖1為本發(fā)明的所述的壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)放器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0007]圖2為本發(fā)明所述的壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)放大電路的電路原理示意圖；
[0008]圖3為本發(fā)明所述的驅(qū)動(dòng)放大電路的模型及在電路中的應(yīng)用原理圖；
[0009]圖4為將本發(fā)明所述的壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)放器應(yīng)用于電壓分辨率測試的原理示意圖；
[0010]圖5為將本發(fā)明所述的壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)放器應(yīng)用于電壓分辨率測試示波器顯示的結(jié)果示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0011]【具體實(shí)施方式】一、結(jié)合圖1和圖2說明本實(shí)施方式，一種壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)放大電路，所述的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電路從外部接口上看是一個(gè)運(yùn)算放大器，它有通用運(yùn)算放大器全部接口，其在使用方法上也等同運(yùn)算放大器；其實(shí)現(xiàn)的框圖如圖1所示，其內(nèi)部由差分輸入電路、電壓放大電路和電流放大電路組成；差分輸入電路由高精度的對(duì)晶體管組成，電壓放大電路使用高壓三極管組成，電流放大電路由MOS管組成的推挽電流放大電路實(shí)現(xiàn)；最后串聯(lián)電阻與壓電陶瓷組成RC充放電電路給壓電陶瓷供電。
[0012]結(jié)合圖2說明本實(shí)施方式，所述的差分輸入電路采用差分電路結(jié)構(gòu)，差分電路的恒流源使用耗盡型MOS管實(shí)現(xiàn)，MOS管的源級(jí)串聯(lián)電阻R6最終連接在負(fù)電壓源VSS上，MOS管的柵極直接接在負(fù)電壓源VSS上，MOS管的漏極作為恒流源電路的輸出；差分對(duì)管Ql作為差分輸入電路的核心，分晶體管91_八和Q1_B的發(fā)射極連接在一起最終與恒流源的輸出端相連，Ql的兩個(gè)分晶體管91_么和Q1_B的基極分別作為差分輸入電路的同向和反向輸入端，兩個(gè)分晶體管Q1_A和Q1_B的集電極分別連接高壓晶體管Q2和Q3的發(fā)射極，高壓晶體管Q2和Q3的基極連接在一起，它們的集電極分別連接于鏡像電流源兩個(gè)輸出端，同時(shí)它們的集電極也成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；鏡像電流源使用鏡像電流源對(duì)管Q4實(shí)現(xiàn)，Q4的兩個(gè)三極管Q4_A和Q4_B的集電極作為鏡像電流源的兩個(gè)輸出端分別與Q2及Q3的集電極連接，三極管Q4_A和Q4_B的基極連接在一起并且與Q4_A的集電極連接，它們的射極分別串接電阻Rl和R2最終接在正電壓源VCC上；為保證電路的靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定使用R3和Dl組成靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定電路，電路中R3 —端與正電壓源VCC相連，另一端串聯(lián)Dl后與Q6組成的恒流源的輸出端連接，Dl與R3連接的一端作為穩(wěn)定電壓輸出端連接于Q2和Q3的基極。系統(tǒng)的電壓放大電路以晶體管Q5為核心，Q5的發(fā)射極串聯(lián)可變電阻R4后連接于正電壓源VCC，Q5的基極作為輸入端連接于差分放大電路的反向輸出端，它的集電極串聯(lián)可變電阻R5最終連接于恒流源電路；恒流源電路由耗盡型MOS管Q7及R7組成，其組成方法與差分輸入電路相同。系統(tǒng)的電流放大電路以MOS管Ml和M2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R8和R9后接在電阻R5的兩端，Ml和M2的源級(jí)連接作為電流放大電路的輸出端，串聯(lián)電阻RlO后用以驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷。
[0013]本實(shí)施方式所述的電阻Rl、R2、R3、R6、R7、R8和R9為貼片電阻；R10為大功率的電阻；R4、R5為可變電阻其電阻變化為O-1Ok ；D1為4V的穩(wěn)壓二極管；電路的IN+和IN-分別為放大電路的正端和負(fù)端輸入；VCC為放大電路的正電壓供電，VSS為放大電路的負(fù)電壓供電，VOUT是放大電路的輸出端。
[0014]本實(shí)施方式所述的電路系統(tǒng)中，差分對(duì)管Ql選擇SMM2212作為輸入晶體管，配合Q2及Q3組成沃爾曼放大電路，Q2和Q3為CZTA44高壓三極管，在保證電路的高頻性能的同時(shí)，并將輸出電壓遞增到電壓放大電路的工作點(diǎn)上，使用對(duì)晶體管Q4為BCM62B鏡像電流源三極管組成電流鏡電路，對(duì)晶體管Q4及Ql具備出色的對(duì)稱性能，由此保證了電路輸入級(jí)的對(duì)稱性，降低了失調(diào)誤差，差分輸入電路的電流源使用耗盡型MOS管Q6實(shí)現(xiàn)，Q6為CPC5603耗盡型MOS管，電流的大小通過調(diào)整電阻R6實(shí)現(xiàn)。電路的電壓放大電路使用帶恒流源的反向放大電路實(shí)現(xiàn)，使用恒流源作為放大電路的負(fù)載，有效的增大了電壓放大電路的放大倍數(shù)，電阻R4通過可變電阻實(shí)現(xiàn)，它主要用來調(diào)整放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。電路的電流放大電路采用推挽式的MOS管電路實(shí)現(xiàn)，電路由Ml和M2組成，所述Ml為IXTA10N60P高壓MOS管，M2為IXTH10N60高壓MOS管；M0S管具備較高的輸入電阻，有效的隔離了電壓放大電路和電流放大電路，可變電阻R5是電流放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置電阻；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)高功率的電阻R10，可以有效的降低負(fù)載的慣性，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
[0015]本實(shí)施方式所述的驅(qū)動(dòng)放大電路的供電電壓為±150V，恒流源的調(diào)整電阻R6和R7為IkQ時(shí)，電路的靜態(tài)電流約為3.5mA,電路的開環(huán)放大倍數(shù)在60dB以上，電路的失調(diào)性能與前級(jí)的對(duì)晶體管基本一致，電路的噪聲小，其輸出的電壓分辨率優(yōu)于10mV。
[0016]【具體實(shí)施方式】二、結(jié)合圖1至圖5說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式為【具體實(shí)施方式】一所述的一種壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)放大電路的應(yīng)用實(shí)施例:
[0017]結(jié)合圖1和圖2，首先焊接電路的差分輸入電路，將同向和反向輸入端接地；R6接入Ik的電阻，Rl和R2接入2k的電阻，測量得到電阻兩端的電壓為1.8V，輸出端有電壓輸出；在上一步驟的基礎(chǔ)上，焊接電路的電壓放大電路；同向和反向輸入端接地，R7接入Ik的電阻；調(diào)整R4的阻值，使得R4的電阻值為Rl的一半；調(diào)整R5的阻值，使得R5兩端的電壓為6V。最后，焊接電路的第三級(jí)，RlO為20歐的大功率電阻。
[0018]結(jié)合圖3、圖4和圖5說明電路的使用方式。設(shè)計(jì)的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)放大電路在電路中的應(yīng)用一般如圖3所示，電路中的反饋電阻R11、R12和R13選取適當(dāng)?shù)淖柚担珻l取5pF組成電路，輸入弱信號(hào)，就可以應(yīng)用高壓放大電路對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大而驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷。其中:R12為平衡電阻，其值等于Rll與R13的并聯(lián)值相等；R11和R13調(diào)整系統(tǒng)的放大倍數(shù)；Cl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)雙源供電的能力。
[0019]結(jié)合圖4和圖5說明本實(shí)施方式，圖4和圖5是電路應(yīng)用于壓電陶瓷的測試圖示。壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)中，重點(diǎn)關(guān)注的指標(biāo)是輸出電壓的分辨率。圖4應(yīng)用設(shè)計(jì)的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)放大電路設(shè)計(jì)了放大倍數(shù)16倍的放大電路，電路的高壓正負(fù)電源分別為±150V，反饋電阻R13 = 150k Ω , Rll和R12都使用1kQ電阻，補(bǔ)償電容Cl取5pF組成了壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源；使用20位的DA芯片PCM1702U組成波形發(fā)生電路，發(fā)生uV級(jí)別的方波，通過二階巴特沃思濾波器輸入壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源中，通過示波器觀察壓電陶瓷端電壓波形及輸入信號(hào)的波形，其波形圖如圖5所示，依據(jù)測試結(jié)果可知，設(shè)計(jì)的壓電陶瓷電源的輸出電壓分辨率在1mV之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)放大電路，由差分輸入電路、電壓放大電路和電流放大電路組成；其特征是，所述差分輸入電路的輸出端與電壓放大電路的輸入端連接，電壓放大電路的輸出端與電流放大電路的輸入端連接，所述電流放大電的輸出端串聯(lián)電阻后與壓電陶瓷組成Re充放電電路給壓電陶瓷供電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)放大電路，其特征在于，所述的差分輸入電路由耗盡型MOS管Q6、電阻R6、由分晶體管Q1_A和分晶體管Q1_B組成的差分對(duì)管Ql、高壓晶體管Q2和Q3、由三極管Q4_A和三極管Q4_B組成的電流源三極管Q4、電阻R1、電阻R2、電阻R3以及二極管Dl組成；所述電壓放大電路由可變電阻R4、可變電阻R5、三極管Q5、耗盡型MOS管Q7和R7組成；所述電流放大電路由高壓MOS管Ml、高壓MOS管M2、電阻R8、電阻R9和電阻RlO組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)放大電路，其特征在于，所述耗盡型MOS管Q6的源極串聯(lián)電阻R6作為差分輸入電路的恒流源，所述分晶體管Q1_A和分晶體管Ql_B的發(fā)射極相連并與恒流源的輸出端相連，差分對(duì)管01_八和Q1_B的基極分別作為差分輸入電路的同向輸入端和反向輸入端，分晶體管Q1_A和分晶體管Q1_B的集電極分別連接高壓晶體管Q2和Q3的發(fā)射極；所述高壓晶體管Q2和高壓晶體管Q3基極相連，集電極分別連接電流源三極管94_八和Q4_B的集電極，所述高壓晶體管Q2的集電極作為差分輸入電路的反向輸出端，高壓晶體管Q3的集電極作為差分輸入電路的同向輸出端；所述電流源三極管Q4_A和Q4_B的基極相連后與三極管Q4_A的集電極相連，所述電流源三極管Q4_A和Q4_B的發(fā)射極分別串接電阻Rl和R2最終接在正電壓源VCC上；所述電阻R3的一端與正電壓源VCC相連，另一端串聯(lián)二極管Dl后與耗盡型MOS管Q6組成的恒流源的輸出端連接，所述二極管Dl與電阻R3連接的一端作為穩(wěn)定電壓輸出端連接于高壓晶體管Q2和高壓晶體管Q3的基極。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)放大電路，其特征在于，所述晶體管Q5的發(fā)射極串聯(lián)可變電阻R4后與正電壓源VCC連接，所述晶體管Q5的基極作為輸入端與差分輸入電路的反向輸出端相連，晶體管Q5的集電極串聯(lián)可變電阻R5與耗盡型MOS管Q7的輸出端相連，所述耗盡型MOS管Q7的源極串聯(lián)R7作為電壓放大電路的恒流源。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)放大電路，其特征在于，所述高壓MOS管Ml和高壓MOS管M2的漏極分別與正電壓源VCC和負(fù)電壓源VSS相連，柵極分別作為電壓放大電路的輸入端串接電阻R8和R9后接在可變電阻R5的兩端，所述高壓MOS管Ml和高壓MOS管M2的源級(jí)相連并作為電流放大電路的輸出端，同時(shí)所述輸出端與電阻RlO串聯(lián)后用于驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)放大電路，其特征在于，所述分晶體管Q1_A和Q1_B選擇型號(hào)為SMM2212的晶體管，高壓晶體管Q2和Q3選擇型號(hào)為CZTA44的高壓三極管，電流源三極管Q4_A和Q4_B選擇型號(hào)為BCM62B的鏡像電流源三極管，三極管Q5為FZT560高壓三極管，耗盡型MOS管Q6和Q7為CPC5603耗盡型MOS管，高壓MOS管Ml和M2分別為IXTA10N60P及IXTH10N60高壓MOS管；電阻Rl至電阻R3、電阻R6至R9為貼片電阻；電阻RlO為大功率的電阻。
【文檔編號(hào)】H03F3/45GK104242842SQ201410441037
【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, 葛川, 尹志生, 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