利用高速大功率運(yùn)算放大器驅(qū)動(dòng)壓電致動(dòng)器

高速壓電致動(dòng)器的生產(chǎn)成本在過去15年以來越來越價(jià)廉，因此越來越多的應(yīng)用設(shè)計(jì)傾向于采用高速壓電致動(dòng)器。壓電致動(dòng)器最初用于醫(yī)療設(shè)備，包括上世紀(jì)80年代末的手術(shù)工具和超聲波檢查。這在那時(shí)是很有道理的，因?yàn)閴弘娭聞?dòng)器具有微秒級(jí)的響應(yīng)時(shí)間，是響應(yīng)速度最快的定位元件。此外，它們還能夠產(chǎn)生以亞納米量級(jí)為步長的運(yùn)動(dòng)。因此，采用這種器件進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的公司的數(shù)量急劇增加也就不足為奇了。

壓電致動(dòng)器要求高壓驅(qū)動(dòng)器能提供峰峰值為數(shù)百伏特的電壓。此外，由于典型的致動(dòng)器實(shí)質(zhì)上看起來像一個(gè)驅(qū)動(dòng)放大器的純電容，所以幾乎所有的功率消耗都為驅(qū)動(dòng)放大器帶來負(fù)擔(dān)。

縱觀大量的高速、小信號(hào)運(yùn)算放大器，可看出許多放大器都具有數(shù)百兆赫的帶寬。但若設(shè)計(jì)目的是驅(qū)動(dòng)高速壓電器件，就必須同時(shí)兼顧速度和12V以上的電壓，這時(shí)放大器的可選擇范圍就急劇縮小。此外，選擇基于MOSFET單片放大器的設(shè)計(jì)還有許多有吸引力的優(yōu)勢(shì)。

這里的壓電致動(dòng)器電路在80kHz頻率下需要一個(gè)電壓峰峰值為300V的電源，以驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器?？梢酝ㄟ^一個(gè)串聯(lián)了1Ω電阻的1nF電容來表示這個(gè)致動(dòng)器(圖1)。

圖1：在這個(gè)橋式電路配置中，兩個(gè)PA78驅(qū)動(dòng)壓電致動(dòng)器，PA78由-175V和-5V不對(duì)稱電源供電。

選案評(píng)估

在決定哪種方案最適合驅(qū)動(dòng)壓電致動(dòng)器之前，我們需要根據(jù)應(yīng)用情況，對(duì)幾種可選方案進(jìn)行評(píng)估。

單個(gè)放大器的方案：該方案的問題主要在于成本。壓電致動(dòng)器要求電壓范圍為+150V到-150V，而市場上唯一滿足該要求的80kHz器件是混合型的，單價(jià)在100美元以上。

電平移動(dòng)式小信號(hào)放大器：如果一個(gè)設(shè)計(jì)從小信號(hào)放大器開始，接下來再設(shè)計(jì)電平移動(dòng)，這將意味著需要采用大量分立式元件從頭開始構(gòu)建設(shè)計(jì)。在這種情況下，非重復(fù)性工程的工作量非常大，設(shè)計(jì)時(shí)間很長且成本很高。

高壓、高速、低電流MOSFET運(yùn)算放大器IC：本設(shè)計(jì)選用的單片集成電路PA78利用A/B類驅(qū)動(dòng)器級(jí)來驅(qū)動(dòng)輸出MOSFET，利用新型輸入級(jí)來獲得非常高的壓擺率(slew rate)，同時(shí)還消除了傳統(tǒng)運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)的高靜態(tài)電流。該設(shè)計(jì)需要采用兩個(gè)PA78。這種放大器單價(jià)大約為15美元，與混合型器件的100多美元相比，其費(fèi)用得以大大降低。

圖1的橋式電路配置了兩個(gè)PA78。在這種配置中，放大器提供的輸出電壓擺幅是單個(gè)運(yùn)算放大器的兩倍，壓擺率也增加了一倍。任何非線性都變成對(duì)稱的，和單個(gè)放大器的電路相比，這能減少二次諧波失真。

由正弦信號(hào)源在80kHz下提供15V峰峰值信號(hào)來驅(qū)動(dòng)放大器對(duì)，放大器對(duì)再驅(qū)動(dòng)壓電致動(dòng)器。本例假設(shè)壓電致動(dòng)器的阻抗等于1Ω電阻和1nF電容的等效串聯(lián)阻抗。

在這個(gè)應(yīng)用中，負(fù)載是浮空的，即負(fù)載完全沒有接地。當(dāng)左邊的輸出V_OUTA從10V上升到160V(圖2a)，右邊輸出V_OUTB從160V降至10V(圖2b)時(shí)，負(fù)載上的電壓擺幅為300V(-150V到+150V)(圖2c)。

兩個(gè)放大器的輸出現(xiàn)在是反相的。橋式配置電路中兩個(gè)PA78的總增益為+20，因此需要向壓電致動(dòng)器提供所需的300V峰峰值電壓。由電阻R3和R4組成的反饋電路使兩個(gè)PA78模塊的輸出都以大約85V為中心。在圖1，一個(gè)雙源、非對(duì)稱電源為兩個(gè)放大器模塊提供+175V和-5V電壓。

圖2：當(dāng)圖1中左邊輸出VOUTA從10V上升到160V(圖2a)，右邊輸出VOUTB從160V降至10V(圖2b)時(shí)，負(fù)載上的電壓擺幅為300V(-150V到+150V)(圖2c)。

確定+V_S和-V_S的凈空余量

必須謹(jǐn)慎選擇+V_S和?CV_S的值，以確保在V_OUTA和V_OUTB發(fā)生正/負(fù)偏移(positive and negative excursions)期間有足夠的凈空(headroom)。輸出(V_OUTA-V_OUTB)的值在+150V到-150V之間擺動(dòng)。但在這種非對(duì)稱源結(jié)構(gòu)中，放大器的共模輸入范圍(CMR)的正負(fù)值在控制+V_S和?CV_S值上起著重大作用。

在PA78的例子中，CMR的負(fù)值規(guī)定為?CV_S+3V，這意味著輸入電壓與負(fù)電源軌之間的差值不應(yīng)小于3V。因此，通過選擇?CV_S等于-5V，可讓V_OUTA和 V_OUTB(有10V的負(fù)偏移)與電源負(fù)軌之間的差值大于15V。CMR的正值為+V_S?C2V，這意味著V_OUTA和V_OUTB的最大正偏移必須保持低于+V_S至少2V。

關(guān)于+V_S電源軌的第二個(gè)問題是，模塊輸出峰值電流時(shí)輸出端的電壓降問題。在這個(gè)應(yīng)用中，峰值電流大約為75mA。從PA78規(guī)格手冊(cè)中一個(gè)稱為“輸出電壓擺幅”的圖可知，如果輸出這個(gè)峰值電流，電壓將下降8V。2V和8V加起來就是10V，即+V_S必須超過150V的最大電壓擺幅至少10V。選擇175V的+V_S就意味著具有15V的額外凈空余量。

對(duì)任何壓電致動(dòng)器電路而言，防止信號(hào)誤饋回到放大器至關(guān)重要。壓電傳感器能很容易地將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能和將電能轉(zhuǎn)換機(jī)械能，因此傳感器如果受到撞擊，將產(chǎn)生大量回流到放大器輸出的能量。當(dāng)然，這種能量的破壞性很大。不過，只要簡單地在每個(gè)放大器的輸出端到其對(duì)應(yīng)的電源軌之間連接幾個(gè)超高速二極管MUR160(CR1至CR4)，就可以為每個(gè)放大器提供保護(hù)。

圖3：計(jì)算最大功耗的等效電路圖。

功耗計(jì)算與散熱處理

壓電式拾音頭的負(fù)載阻抗由下式給出：

上式假定R=1Ω，C=1nF，ω=80kHz。

為計(jì)算每個(gè)模塊的最大功率，需要用到圖3給出的等效電路。首先，將圖1電路分為兩部分，每一部分都包含一個(gè)2nF電容和一個(gè)0.5Ω電阻，并假設(shè)虛線和符號(hào)代表接地。因?yàn)樽杩沟膶?shí)部(1Ω)與1989Ω的總?cè)菘瓜啾群苄?，可忽略不?jì)。

在這個(gè)等效電路中，施加的電壓將等于施加在每個(gè)模塊上的總電壓的一半。

每一半的電路輸出驅(qū)動(dòng)一半的容抗負(fù)載，即994.5Ω。為確定功耗，首先要知道負(fù)載上電壓V和電流I之間的相位差。由于本例把負(fù)載作為一個(gè)純電容來建模，所以相位角φ等于90°。當(dāng)存在電抗性負(fù)載，相位角大于40°時(shí)，可由下式計(jì)算最大功耗：

這里，V_S是每個(gè)電源的電壓幅值，Z_L等于負(fù)載阻抗。

因?yàn)樨?fù)載是完全電抗性的，所以負(fù)載不消耗功耗，每個(gè)PA78放大器IC的功耗為5.18W。然后選擇散熱器，并確認(rèn)每個(gè)PA78的溫度不超過的最大允許結(jié)溫。

HS27散熱器是為安裝PA78 IC而選擇的。每個(gè)散熱器的熱阻為5.3℃/W，正如我們已確定的，每個(gè)放大器的功耗為5.18W。

必須確認(rèn)PA78內(nèi)MOSFET器件的結(jié)溫不會(huì)超過安全值。常用的熱阻計(jì)算公式如下：

可以用散熱器的熱阻θ_HS代替θ_CA，上式變?yōu)椋?

我們需要利用上式求出T_J，以確認(rèn)不會(huì)超過最大結(jié)溫。式(6)通過移項(xiàng)變?yōu)椋?

在這個(gè)例子中，根據(jù)PA78規(guī)格手冊(cè)，每個(gè)器件的功率是是5.18W，θ_JC為 5.5℃/W。散熱器的θ_HS為7.8℃/W，溫度比周圍環(huán)境高48.2℃。(散熱器熱阻是功率的函數(shù)，且接口界面的溫度升高)。

于是，可求得最大結(jié)溫為：

因此，實(shí)際的T_J不會(huì)高于93.9℃，遠(yuǎn)低于PA78規(guī)格手冊(cè)規(guī)定的最大值150℃。當(dāng)為高電抗性負(fù)載(比如壓電致動(dòng)器)提供高功率時(shí)，很有必要檢查耗散區(qū)和安全工作區(qū)。

過去，工業(yè)級(jí)的功率放大器不得不犧牲帶寬來保證單位增益的穩(wěn)定性。雙極型的設(shè)計(jì)并非總能滿足要求嚴(yán)格的應(yīng)用(比如本文討論的壓電致動(dòng)器設(shè)計(jì))的線性要求，但在器件采用基于MOSFET的架構(gòu)，可以改善這種狀況。