多單元壓電陶瓷類變形鏡高壓驅(qū)動電源
加入技術(shù)交流群
1．2 高壓功率放大級
高壓功率放大級為該驅(qū)動電源的核心部分，由圖2可知高壓功率放大級由上、下兩個結(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，該輸入信號從基極驅(qū)動晶體管Q2，而光耦U2和晶體管Q2共同從源極驅(qū)動功率NMOS管Q1導(dǎo)通。當(dāng)輸入信號為0時，光耦U2和晶體管Q2不導(dǎo)通，此時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，驅(qū)動晶體管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，同時電流源驅(qū)動NMOS管Q1構(gòu)成的電流源輸出電流增加。總之，該單元電路可視為由光耦輸出電流控制的可變電流源。
兩個單元電路如圖2中所示縱向連接時，上、下兩單元電路相互地看成電流源(相互看阻抗非常大)，因此無負(fù)載時，上下兩受控電流源電流值微小的變化將會在輸出V。處產(chǎn)生很大的電壓擺動，從而實現(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)動電源驅(qū)動容性負(fù)載時，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，從而實現(xiàn)了功率的放大。與傳統(tǒng)的具有相對獨立電壓放大級和功率級驅(qū)動電源相比，該驅(qū)動電源將電壓放大級和功率放大級合二為一，在保證功率帶寬的前提下，減少了電路級數(shù)。
高壓功率放大級的輸入信號由光耦產(chǎn)生，由于光耦內(nèi)部是通過光來實現(xiàn)信號的傳輸，光耦輸入與輸出信號在電學(xué)上是分離的，因此不論光耦輸入與輸出級存在多大的電位差都可以實現(xiàn)信號的傳輸。這使誤差放大級的低壓輸出信號就可控制高壓功率放大級的高壓信號。同時由于光耦的分相隔離作用，使高壓功率放大級對PZT驅(qū)動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，從而大大簡化了電路結(jié)構(gòu)。使之具有應(yīng)用于多單元壓電陶瓷類變形鏡驅(qū)動的先決條件。
1．3 驅(qū)動電源穩(wěn)定性控制
高壓驅(qū)動電源驅(qū)動容性的變形鏡驅(qū)動器時，驅(qū)動器電容CL與驅(qū)動電源開環(huán)輸出電阻Ro相互作用，在驅(qū)動電源的響應(yīng)上會產(chǎn)生新的極點，導(dǎo)致相位滯后，從而影響驅(qū)動電源的穩(wěn)定性。為確保穩(wěn)定、避免振蕩，在驅(qū)動電源反饋電阻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，產(chǎn)生相位超前，補償接入容性負(fù)載引起的相位滯后，從而保證了驅(qū)動電源的穩(wěn)定性。
2 實驗結(jié)果及性能分析
為了測試驅(qū)動電源的性能，驅(qū)動電源驅(qū)動100 nF容性負(fù)載(壓電陶瓷)時，對其正弦信號激勵下的響應(yīng)、階躍響應(yīng)和線性度進行了測試。實驗中低壓電源采用±12 V輸出直流穩(wěn)壓電源，高壓直流電源采用±340 V輸出的開關(guān)穩(wěn)壓電源。
2．1 正弦激勵響應(yīng)及頻率響應(yīng)特性
利用正弦激勵響應(yīng)測試其頻率響應(yīng)特性，顯然隨著輸出信號幅值和頻率的增加，其波形失真度也會增加，而變形鏡需要得到穩(wěn)定不失真的功率信號，故設(shè)定其波形失真度為0．1％時，測試其輸出功率信號的頻率帶寬，當(dāng)輸入信號幅值為±1 V時，輸出幅值為±60 V，其頻率可達(dá)10 kHz，如圖3(a)所示。當(dāng)輸入信號幅值為±5 V時，輸出幅值為±300 V(大信號)，其頻率可達(dá)2 kHz，如圖3(b)所示，瞬時輸出／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)動電源輸入50 Hz，幅值為-5～+5 V的階躍信號時，對應(yīng)輸出為-300～+300 V，50 Hz的階躍信號，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間和下降時間均約為0．1 ms，說明驅(qū)動電源具有較強的跟隨能力和動態(tài)性能。時域階躍響應(yīng)中沒有出現(xiàn)振鈴現(xiàn)象，說明驅(qū)動電源具有足夠的相位裕度，穩(wěn)定性較好。
2．3 驅(qū)動電源線性度
設(shè)置驅(qū)動電源的放大倍數(shù)為60倍，輸入控制信號電壓為-5～+5 V(對應(yīng)輸出為-300～+300 V)，每隔0．5 V采用精度為0．1％的電壓表測試其輸出。圖5為輸入／輸出采樣點及擬合曲線圖，驅(qū)動電源的線性度大于99．9％，這說明驅(qū)動電源輸出能很好地跟隨輸入信號，具有很高的線性度。
3 結(jié)語
分析和實驗表明，本文設(shè)計的壓電陶瓷驅(qū)動電源采用光耦分相隔離驅(qū)動晶體管，構(gòu)成受控電流源從源極驅(qū)動功率NMOS管，在實現(xiàn)電壓放大的同時實現(xiàn)了功率的放大，在保證功率帶寬的前提下簡化了電路結(jié)構(gòu)。在驅(qū)動100 nF容性負(fù)載時，不失真小信號響應(yīng)頻率達(dá)10 kHz，大信號響應(yīng)頻率為2 kHz，瞬時充放電電流可達(dá)400 mA。該驅(qū)動電源的性能能夠滿足目前變形鏡驅(qū)動的要求，并且電路結(jié)構(gòu)簡單、便于擴展，在多單元壓電陶瓷類變形鏡的驅(qū)動上具有應(yīng)用前景。
評論