多單元壓電陶瓷類(lèi)變形鏡高壓驅(qū)動(dòng)電源
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
1．2 高壓功率放大級(jí)
高壓功率放大級(jí)為該驅(qū)動(dòng)電源的核心部分，由圖2可知高壓功率放大級(jí)由上、下兩個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的單元電路組成。以上半部分單元電路為例，光耦U2發(fā)射極輸出電流為該單元電路的輸入信號(hào)，該輸入信號(hào)從基極驅(qū)動(dòng)晶體管Q2，而光耦U2和晶體管Q2共同從源極驅(qū)動(dòng)功率NMOS管Q1導(dǎo)通。當(dāng)輸入信號(hào)為0時(shí)，光耦U2和晶體管Q2不導(dǎo)通，此時(shí)NMOS管Q1與電阻R10，R14和穩(wěn)壓管D1構(gòu)成輸出電流恒定的電流源。當(dāng)光耦U2輸出電流增大時(shí)，驅(qū)動(dòng)晶體管Q2集電極-射極電流增大，Q2可視為由光耦輸出電流控制的電流源，同時(shí)電流源驅(qū)動(dòng)NMOS管Q1構(gòu)成的電流源輸出電流增加?？傊?，該單元電路可視為由光耦輸出電流控制的可變電流源。
兩個(gè)單元電路如圖2中所示縱向連接時(shí)，上、下兩單元電路相互地看成電流源(相互看阻抗非常大)，因此無(wú)負(fù)載時(shí)，上下兩受控電流源電流值微小的變化將會(huì)在輸出V。處產(chǎn)生很大的電壓擺動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了電壓的放大。由于晶體管構(gòu)成的受控電流源具有很高的電流放大倍數(shù)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電源驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載時(shí)，光耦輸出電流很小的變化就能使受控單元電路產(chǎn)生很大的輸出電流，使驅(qū)動(dòng)電源能夠輸出到負(fù)載或從負(fù)載吸入很大的電流，從而實(shí)現(xiàn)了功率的放大。與傳統(tǒng)的具有相對(duì)獨(dú)立電壓放大級(jí)和功率級(jí)驅(qū)動(dòng)電源相比，該驅(qū)動(dòng)電源將電壓放大級(jí)和功率放大級(jí)合二為一，在保證功率帶寬的前提下，減少了電路級(jí)數(shù)。
高壓功率放大級(jí)的輸入信號(hào)由光耦產(chǎn)生，由于光耦內(nèi)部是通過(guò)光來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸，光耦輸入與輸出信號(hào)在電學(xué)上是分離的，因此不論光耦輸入與輸出級(jí)存在多大的電位差都可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸。這使誤差放大級(jí)的低壓輸出信號(hào)就可控制高壓功率放大級(jí)的高壓信號(hào)。同時(shí)由于光耦的分相隔離作用，使高壓功率放大級(jí)對(duì)PZT驅(qū)動(dòng)器的充放電回路能夠采用相同的電路結(jié)構(gòu)。并且單元電路中只采用了高壓大功率的NMOS管，而避免了使用很難得到的耐高壓功率PMOS管，從而大大簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)。使之具有應(yīng)用于多單元壓電陶瓷類(lèi)變形鏡驅(qū)動(dòng)的先決條件。
1．3 驅(qū)動(dòng)電源穩(wěn)定性控制
高壓驅(qū)動(dòng)電源驅(qū)動(dòng)容性的變形鏡驅(qū)動(dòng)器時(shí)，驅(qū)動(dòng)器電容CL與驅(qū)動(dòng)電源開(kāi)環(huán)輸出電阻Ro相互作用，在驅(qū)動(dòng)電源的響應(yīng)上會(huì)產(chǎn)生新的極點(diǎn)，導(dǎo)致相位滯后，從而影響驅(qū)動(dòng)電源的穩(wěn)定性。為確保穩(wěn)定、避免振蕩，在驅(qū)動(dòng)電源反饋電阻Rf上并聯(lián)耐高壓電容Cf，使之在帶寬范圍內(nèi)的反饋通路上增加零點(diǎn)，產(chǎn)生相位超前，補(bǔ)償接入容性負(fù)載引起的相位滯后，從而保證了驅(qū)動(dòng)電源的穩(wěn)定性。
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及性能分析
為了測(cè)試驅(qū)動(dòng)電源的性能，驅(qū)動(dòng)電源驅(qū)動(dòng)100 nF容性負(fù)載(壓電陶瓷)時(shí)，對(duì)其正弦信號(hào)激勵(lì)下的響應(yīng)、階躍響應(yīng)和線性度進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)中低壓電源采用±12 V輸出直流穩(wěn)壓電源，高壓直流電源采用±340 V輸出的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。
2．1 正弦激勵(lì)響應(yīng)及頻率響應(yīng)特性
利用正弦激勵(lì)響應(yīng)測(cè)試其頻率響應(yīng)特性，顯然隨著輸出信號(hào)幅值和頻率的增加，其波形失真度也會(huì)增加，而變形鏡需要得到穩(wěn)定不失真的功率信號(hào)，故設(shè)定其波形失真度為0．1％時(shí)，測(cè)試其輸出功率信號(hào)的頻率帶寬，當(dāng)輸入信號(hào)幅值為±1 V時(shí)，輸出幅值為±60 V，其頻率可達(dá)10 kHz，如圖3(a)所示。當(dāng)輸入信號(hào)幅值為±5 V時(shí)，輸出幅值為±300 V(大信號(hào))，其頻率可達(dá)2 kHz，如圖3(b)所示，瞬時(shí)輸出／吸入電流最大可達(dá)400mA。本文引用地址：http://www.butianyuan.cn/article/178327.htm
2．2 階躍響應(yīng)及穩(wěn)定性
當(dāng)驅(qū)動(dòng)電源輸入50 Hz，幅值為-5～+5 V的階躍信號(hào)時(shí)，對(duì)應(yīng)輸出為-300～+300 V，50 Hz的階躍信號(hào)，圖4為階躍響應(yīng)上升沿和下降沿的輸入／輸出波形圖，從圖中可看出其上升時(shí)間和下降時(shí)間均約為0．1 ms，說(shuō)明驅(qū)動(dòng)電源具有較強(qiáng)的跟隨能力和動(dòng)態(tài)性能。時(shí)域階躍響應(yīng)中沒(méi)有出現(xiàn)振鈴現(xiàn)象，說(shuō)明驅(qū)動(dòng)電源具有足夠的相位裕度，穩(wěn)定性較好。
2．3 驅(qū)動(dòng)電源線性度
設(shè)置驅(qū)動(dòng)電源的放大倍數(shù)為60倍，輸入控制信號(hào)電壓為-5～+5 V(對(duì)應(yīng)輸出為-300～+300 V)，每隔0．5 V采用精度為0．1％的電壓表測(cè)試其輸出。圖5為輸入／輸出采樣點(diǎn)及擬合曲線圖，驅(qū)動(dòng)電源的線性度大于99．9％，這說(shuō)明驅(qū)動(dòng)電源輸出能很好地跟隨輸入信號(hào)，具有很高的線性度。
3 結(jié)語(yǔ)
分析和實(shí)驗(yàn)表明，本文設(shè)計(jì)的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源采用光耦分相隔離驅(qū)動(dòng)晶體管，構(gòu)成受控電流源從源極驅(qū)動(dòng)功率NMOS管，在實(shí)現(xiàn)電壓放大的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了功率的放大，在保證功率帶寬的前提下簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)。在驅(qū)動(dòng)100 nF容性負(fù)載時(shí)，不失真小信號(hào)響應(yīng)頻率達(dá)10 kHz，大信號(hào)響應(yīng)頻率為2 kHz，瞬時(shí)充放電電流可達(dá)400 mA。該驅(qū)動(dòng)電源的性能能夠滿足目前變形鏡驅(qū)動(dòng)的要求，并且電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于擴(kuò)展，在多單元壓電陶瓷類(lèi)變形鏡的驅(qū)動(dòng)上具有應(yīng)用前景。
評(píng)論