一種壓電陶瓷的驅動放大電路的製作方法

2024-03-04 20:33:15

一種壓電陶瓷的驅動放大電路的製作方法
【專利摘要】一種壓電陶瓷的驅動放大電路，涉及壓電陶瓷驅動控制領域，具體地說是一種壓電陶瓷驅動放大器，它可以靈活的組成壓電陶瓷電源。本發明的壓電陶瓷放大器，在保證驅動效果的同時，有效的降低了成本，同時也保證電路應用的便利性。本發明依據放大電路的設計原理進行設計，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輸入問題，電壓放大電路對電壓進行放大，電流放大電路對電流進行放大，增強輸出電壓的功率，提高系統帶負載的能力。使用設計的高壓放大器組成壓電陶瓷驅動電源，其對稱性好，輸出電壓的解析度優於10mV。
【專利說明】—種壓電陶瓷的驅動放大電路

【技術領域】
[0001]本發明涉及壓電陶瓷驅動控制領域，具體涉及一種壓電陶瓷驅動放大電路，它可以靈活的組成壓電陶瓷電源。

【背景技術】
[0002]科學技術的發展使人類的研究領域不斷擴展，當前系統的操作對象已經從宏觀擴展的微觀納米級別。壓電陶瓷依據壓電效應的原理，使用特殊的壓電材料燒結而成，具有體積小、位移解析度高、動態性能好、發熱小等特點，在納米定位的場合中有著非常廣泛的應用。壓電陶瓷的性能實現總是離不開壓電陶瓷驅動的支持，可以說壓電陶瓷驅動放大器的性能最終決定了壓電陶瓷的機械性能。當前的壓電陶瓷驅動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態性能成為壓電陶瓷驅動控制的主流方案。使用電壓控制方法，採用靈活的電路形式組成高精度的壓電陶瓷驅動器是當前技術研究的一個熱點問題。


【發明內容】

[0003]本發明為解決現有壓電陶瓷的驅動控制器靈活性差的問題，提供一種壓電陶瓷的驅動放大電路。
[0004]一種壓電陶瓷的驅動放大電路，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電阻後與壓電陶瓷組成RC充放電電路給壓電陶瓷供電。
[0005]本發明的有益效果:本發明所述的壓電陶瓷的驅動放大電路，由差分輸入電路、電壓放大電路和電流放大電路組成，它依據放大器的設計思想而提出，結構簡單，應用便捷，具有靈活性強，成本低等優點。本發明採用分立的電子器件實現壓電陶瓷驅動電路，依據放大器的設計思想設計了高壓供電的運算放大器，該高壓供電的運算放大器具備驅動高精度壓電陶瓷的能力，同時電路應用便捷，並且有效的降低了成本。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0006]圖1為本發明的所述的壓電陶瓷的驅動放器的結構示意圖；
[0007]圖2為本發明所述的壓電陶瓷的驅動放大電路的電路原理示意圖；
[0008]圖3為本發明所述的驅動放大電路的模型及在電路中的應用原理圖；
[0009]圖4為將本發明所述的壓電陶瓷的驅動放器應用於電壓解析度測試的原理示意圖；
[0010]圖5為將本發明所述的壓電陶瓷的驅動放器應用於電壓解析度測試示波器顯示的結果示意圖。

【具體實施方式】
[0011]【具體實施方式】一、結合圖1和圖2說明本實施方式，一種壓電陶瓷的驅動放大電路，所述的壓電陶瓷驅動電路從外部接口上看是一個運算放大器，它有通用運算放大器全部接口，其在使用方法上也等同運算放大器；其實現的框圖如圖1所示，其內部由差分輸入電路、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電晶體組成，電壓放大電路使用高壓三極體組成，電流放大電路由MOS管組成的推挽電流放大電路實現；最後串聯電阻與壓電陶瓷組成RC充放電電路給壓電陶瓷供電。
[0012]結合圖2說明本實施方式，所述的差分輸入電路採用差分電路結構，差分電路的恆流源使用耗盡型MOS管實現，MOS管的源級串聯電阻R6最終連接在負電壓源VSS上，MOS管的柵極直接接在負電壓源VSS上，MOS管的漏極作為恆流源電路的輸出；差分對管Ql作為差分輸入電路的核心，分電晶體91_八和Q1_B的發射極連接在一起最終與恆流源的輸出端相連，Ql的兩個分電晶體91_麼和Q1_B的基極分別作為差分輸入電路的同向和反向輸入端，兩個分電晶體Q1_A和Q1_B的集電極分別連接高壓電晶體Q2和Q3的發射極，高壓電晶體Q2和Q3的基極連接在一起，它們的集電極分別連接於鏡像電流源兩個輸出端，同時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管Q4實現，Q4的兩個三極體Q4_A和Q4_B的集電極作為鏡像電流源的兩個輸出端分別與Q2及Q3的集電極連接，三極體Q4_A和Q4_B的基極連接在一起並且與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；為保證電路的靜態工作點穩定使用R3和Dl組成靜態工作點穩定電路，電路中R3 —端與正電壓源VCC相連，另一端串聯Dl後與Q6組成的恆流源的輸出端連接，Dl與R3連接的一端作為穩定電壓輸出端連接於Q2和Q3的基極。系統的電壓放大電路以電晶體Q5為核心，Q5的發射極串聯可變電阻R4後連接於正電壓源VCC，Q5的基極作為輸入端連接於差分放大電路的反向輸出端，它的集電極串聯可變電阻R5最終連接於恆流源電路；恆流源電路由耗盡型MOS管Q7及R7組成，其組成方法與差分輸入電路相同。系統的電流放大電路以MOS管Ml和M2為核心，它們漏極分別接於正電壓源VCC和負電壓源VSS，柵極則作為兩個輸入端串接電阻R8和R9後接在電阻R5的兩端，Ml和M2的源級連接作為電流放大電路的輸出端，串聯電阻RlO後用以驅動壓電陶瓷。
[0013]本實施方式所述的電阻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的穩壓二極體；電路的IN+和IN-分別為放大電路的正端和負端輸入；VCC為放大電路的正電壓供電，VSS為放大電路的負電壓供電，VOUT是放大電路的輸出端。
[0014]本實施方式所述的電路系統中，差分對管Ql選擇SMM2212作為輸入電晶體，配合Q2及Q3組成沃爾曼放大電路，Q2和Q3為CZTA44高壓三極體，在保證電路的高頻性能的同時，並將輸出電壓遞增到電壓放大電路的工作點上，使用對電晶體Q4為BCM62B鏡像電流源三極體組成電流鏡電路，對電晶體Q4及Ql具備出色的對稱性能，由此保證了電路輸入級的對稱性，降低了失調誤差，差分輸入電路的電流源使用耗盡型MOS管Q6實現，Q6為CPC5603耗盡型MOS管，電流的大小通過調整電阻R6實現。電路的電壓放大電路使用帶恆流源的反向放大電路實現，使用恆流源作為放大電路的負載，有效的增大了電壓放大電路的放大倍數，電阻R4通過可變電阻實現，它主要用來調整放大電路的靜態工作點。電路的電流放大電路採用推挽式的MOS管電路實現，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工作點設置電阻；壓電陶瓷在電路上可以等效為一個uF級別的電容和M Ω級別的電阻並聯，放大器直接驅動大的電容往往會出現穩定性問題，因此串聯一個高功率的電阻R10，可以有效的降低負載的慣性，增強系統的穩定性。
[0015]本實施方式所述的驅動放大電路的供電電壓為±150V，恆流源的調整電阻R6和R7為IkQ時，電路的靜態電流約為3.5mA,電路的開環放大倍數在60dB以上，電路的失調性能與前級的對電晶體基本一致，電路的噪聲小，其輸出的電壓解析度優於10mV。
[0016]【具體實施方式】二、結合圖1至圖5說明本實施方式，本實施方式為【具體實施方式】一所述的一種壓電陶瓷的驅動放大電路的應用實施例:
[0017]結合圖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；調整R4的阻值，使得R4的電阻值為Rl的一半；調整R5的阻值，使得R5兩端的電壓為6V。最後，焊接電路的第三級，RlO為20歐的大功率電阻。
[0018]結合圖3、圖4和圖5說明電路的使用方式。設計的壓電陶瓷驅動放大電路在電路中的應用一般如圖3所示，電路中的反饋電阻R11、R12和R13選取適當的阻值，Cl取5pF組成電路，輸入弱信號，就可以應用高壓放大電路對輸入信號進行放大而驅動壓電陶瓷。其中:R12為平衡電阻，其值等於Rll與R13的並聯值相等；R11和R13調整系統的放大倍數；Cl為反饋補償電容，電容值在IpF?10pF之間；高壓電源需要具備正負雙源供電的能力。
[0019]結合圖4和圖5說明本實施方式，圖4和圖5是電路應用於壓電陶瓷的測試圖示。壓電陶瓷驅動中，重點關注的指標是輸出電壓的解析度。圖4應用設計的壓電陶瓷驅動放大電路設計了放大倍數16倍的放大電路，電路的高壓正負電源分別為±150V，反饋電阻R13 = 150k Ω , Rll和R12都使用1kQ電阻，補償電容Cl取5pF組成了壓電陶瓷驅動電源；使用20位的DA晶片PCM1702U組成波形發生電路，發生uV級別的方波，通過二階巴特沃思濾波器輸入壓電陶瓷驅動電源中，通過示波器觀察壓電陶瓷端電壓波形及輸入信號的波形，其波形圖如圖5所示，依據測試結果可知，設計的壓電陶瓷電源的輸出電壓解析度在1mV之內。
【權利要求】
1.一種壓電陶瓷的驅動放大電路，由差分輸入電路、電壓放大電路和電流放大電路組成；其特徵是，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電阻後與壓電陶瓷組成Re充放電電路給壓電陶瓷供電。
2.根據權利要求1所述的一種壓電陶瓷的驅動放大電路，其特徵在於，所述的差分輸入電路由耗盡型MOS管Q6、電阻R6、由分電晶體Q1_A和分電晶體Q1_B組成的差分對管Ql、高壓電晶體Q2和Q3、由三極體Q4_A和三極體Q4_B組成的電流源三極體Q4、電阻R1、電阻R2、電阻R3以及二極體Dl組成；所述電壓放大電路由可變電阻R4、可變電阻R5、三極體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.根據權利要求2所述的一種壓電陶瓷的驅動放大電路，其特徵在於，所述耗盡型MOS管Q6的源極串聯電阻R6作為差分輸入電路的恆流源，所述分電晶體Q1_A和分電晶體Ql_B的發射極相連並與恆流源的輸出端相連，差分對管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，分電晶體Q1_A和分電晶體Q1_B的集電極分別連接高壓電晶體Q2和Q3的發射極；所述高壓電晶體Q2和高壓電晶體Q3基極相連，集電極分別連接電流源三極體94_八和Q4_B的集電極，所述高壓電晶體Q2的集電極作為差分輸入電路的反向輸出端，高壓電晶體Q3的集電極作為差分輸入電路的同向輸出端；所述電流源三極體Q4_A和Q4_B的基極相連後與三極體Q4_A的集電極相連，所述電流源三極體Q4_A和Q4_B的發射極分別串接電阻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，另一端串聯二極體Dl後與耗盡型MOS管Q6組成的恆流源的輸出端連接，所述二極體Dl與電阻R3連接的一端作為穩定電壓輸出端連接於高壓電晶體Q2和高壓電晶體Q3的基極。
4.根據權利要求2所述的一種壓電陶瓷的驅動放大電路，其特徵在於，所述電晶體Q5的發射極串聯可變電阻R4後與正電壓源VCC連接，所述電晶體Q5的基極作為輸入端與差分輸入電路的反向輸出端相連，電晶體Q5的集電極串聯可變電阻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R7作為電壓放大電路的恆流源。
5.根據權利要求2所述的一種壓電陶瓷的驅動放大電路，其特徵在於，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後接在可變電阻R5的兩端，所述高壓MOS管Ml和高壓MOS管M2的源級相連並作為電流放大電路的輸出端，同時所述輸出端與電阻RlO串聯後用於驅動壓電陶瓷。
6.根據權利要求2所述的一種壓電陶瓷的驅動放大電路，其特徵在於，所述分電晶體Q1_A和Q1_B選擇型號為SMM2212的電晶體，高壓電晶體Q2和Q3選擇型號為CZTA44的高壓三極體，電流源三極體Q4_A和Q4_B選擇型號為BCM62B的鏡像電流源三極體，三極體Q5為FZT560高壓三極體，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】H03F3/45GK104242842SQ201410441037
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月1日 優先權日:2014年9月1日
【發明者】徐立松, 李佩玥, 葛川, 尹志生, 隋永新, 楊懷江 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所