文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2015.10.013
中文引用格式： 魯琳琳，賈豫東，張曉青. 壓電陶瓷驅(qū)動電路RC網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償技術(shù)研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41(10)：52-54.
英文引用格式： Lu Linlin，Jia Yudong，Zhang Xiaoqing. Research on compensation technology of piezoelectric ceramic driving circuit RC network[J].Application of Electronic Technique，2015，41(10)：52-54.
0 引言
壓電陶瓷(Piezoelectric Ceramic Transducer，PZT)是容性負(fù)載，驅(qū)動PZT時，驅(qū)動電路輸出電阻和容性負(fù)載會在運(yùn)放傳遞函數(shù)上產(chǎn)生一個極點(diǎn)導(dǎo)致驅(qū)動電路工作不穩(wěn)定。為使PZT驅(qū)動電路能長期穩(wěn)定的工作，需要對集成運(yùn)放電路進(jìn)行相位補(bǔ)償來提高放大電路的穩(wěn)定性。補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ卸喾N，如超前滯后補(bǔ)償[1]，環(huán)路外補(bǔ)償、環(huán)路內(nèi)補(bǔ)償[2-3]，噪聲增益補(bǔ)償[2-4]，隔離電阻補(bǔ)償[5-6]、雙通道隔離反饋補(bǔ)償[6-7]和外接RC網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償[8-9]等方法。但超前滯后補(bǔ)償法是以犧牲放大器的帶寬為代價的；環(huán)路內(nèi)補(bǔ)償要求負(fù)載電容必須為已知常數(shù)，而不同PZT靜電容不可能是相同的；噪聲增益補(bǔ)償會使輸入端電壓噪聲和輸入失調(diào)電壓被放大產(chǎn)生附加的輸出電壓；采用雙通道隔離反饋回路時，會出現(xiàn)“BIG NOT”現(xiàn)象，導(dǎo)致增益的驟增對電路造成負(fù)面影響[10]。由于以上缺陷的存在，PZT驅(qū)動電路的長期穩(wěn)定工作問題無法得到有效解決。
環(huán)路外補(bǔ)償和隔離電阻補(bǔ)償基本原理一樣，都是在運(yùn)放的輸出端和負(fù)載電容之間串入一個電阻；外接RC網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償是對有補(bǔ)償端子的運(yùn)放在相應(yīng)的補(bǔ)償端子處外接補(bǔ)償電阻和電容，具有電路簡單、能有效提高電路性能等優(yōu)點(diǎn)，在PZT驅(qū)動電路設(shè)計中普遍采用該方法。
1 驅(qū)動電路理論分析及仿真
1.1 模型的建立
運(yùn)放反向放大電路和其等效電路模型如圖1所示。理想運(yùn)放的開環(huán)增益應(yīng)為無窮大，實際的運(yùn)放開環(huán)增益是有限的并且具有頻率特性，增益的大小與信號的頻率有關(guān)。
由圖1(b) 運(yùn)用結(jié)點(diǎn)分析法:
由式(3)可知，其傳遞函數(shù)與運(yùn)放開環(huán)增益A有關(guān)。
1.2 容性負(fù)載電路模型及仿真分析
用PA88驅(qū)動容性負(fù)載時，等效電路如圖2(a)所示，并由此得到傳遞函數(shù)模型如圖2(b)所示?？傻闷溟_環(huán)傳遞函數(shù)如式(4)。
不驅(qū)動容性負(fù)載時，由式(3)得其開環(huán)增益Go=AF，F(xiàn)=-Rf/R1。通過上述分析知PA88驅(qū)動容性負(fù)載后開環(huán)增益曲線上會增加一個極點(diǎn)，且極點(diǎn)為fP=1/2πRoCL，PA88的輸出電阻Ro=100 。仿真得到幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)如圖3所示。由圖可知增加一個極點(diǎn)，相位裕度減少了45°，這是導(dǎo)致電路不穩(wěn)定的主要因素。
穩(wěn)定的負(fù)反饋放大電路：Gm<0，而且|Gm|愈大，電路愈穩(wěn)定；φm>0，而且φm愈大，電路愈穩(wěn)定；其中Gm為幅值裕度，φm為相位裕度[11]。因此，對驅(qū)動容性負(fù)載的電路進(jìn)行相應(yīng)的相位補(bǔ)償可提高電路的穩(wěn)定性。
2 相位補(bǔ)償設(shè)計
2.1 隔離電阻補(bǔ)償
極點(diǎn)的引入會破壞電路穩(wěn)定性，而零點(diǎn)的引入有利于電路的穩(wěn)定性。在電路輸出和容性負(fù)載間加入合適的隔離電阻也可以改善電路的穩(wěn)定性，圖4為加入隔離電阻的等效電路和對應(yīng)的傳遞函數(shù)模型。經(jīng)分析，開環(huán)傳遞函數(shù)曲線上會增加了一個極點(diǎn)fP=1/2π(Ro+R2)CL和一個零點(diǎn)fZ=1/2πR2CL。零極點(diǎn)靠的很近，補(bǔ)償將不起作用，一般讓零點(diǎn)與極點(diǎn)之間有4~5倍的頻程。取fZ=4.5fP，于是R2=28.6 。由圖5知，加入隔離電阻后電路穩(wěn)定性提高，并且?guī)捯舱箤捔恕?/p>
2.2 外接RC網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償法
PA88引腳中有相應(yīng)的補(bǔ)償端子，可以用補(bǔ)償端7和8引腳，組成RC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。因此在PA88構(gòu)成的PZT電路中合理設(shè)計補(bǔ)償電阻和電容的值可以避免運(yùn)放產(chǎn)生寄生振蕩。根據(jù)實際的需求設(shè)計如圖6所示的驅(qū)動電路，R6和C2為補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，電路的放大倍數(shù)為10。圖7是仿真得到的不同C2值的幅頻響應(yīng)。由圖7知：隨著C2值的增大，電路的穩(wěn)定性越好，但是帶寬有所降低。結(jié)合實際應(yīng)用，C2取33 pF時驅(qū)動電路的性能最佳。
3 結(jié)論
本文主要采用外接RC網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償法對PZT驅(qū)動電路進(jìn)行相位補(bǔ)償，解決了驅(qū)動電路不能長期穩(wěn)定工作的問題。通過建立運(yùn)算放大器電路的開環(huán)增益模型，仿真分析了隔離電阻補(bǔ)償和外接RC網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償中補(bǔ)償參數(shù)對電路穩(wěn)定性的影響。根據(jù)實際需求，對基于PA88的PZT驅(qū)動電路設(shè)計了外接RC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。結(jié)果表明，當(dāng)驅(qū)動電路的放大倍數(shù)為10時，補(bǔ)償電容值約為33 pF，電路的性能達(dá)到了最佳。文中采用的相位補(bǔ)償分析方法，對設(shè)計其他運(yùn)算放大器的相位補(bǔ)償也有很好的指導(dǎo)作用。
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