多單元壓電陶瓷類變形鏡高壓驅(qū)動電源

摘要：針對變形鏡壓電陶瓷類驅(qū)動器單元數(shù)多的特點(diǎn)，設(shè)計一種高帶寬適合擴(kuò)展成多通道輸出的壓電陶瓷驅(qū)動電源，它利用光耦分相隔離從源極驅(qū)動功率NMOS管，簡化了電路結(jié)構(gòu)并保證了功率帶寬。該驅(qū)動電源驅(qū)動100 nF容性負(fù)載時，可實現(xiàn)單端到地-300～+300 V雙極性高壓輸出，電壓增益35．5 dB，信號不失真情況下，小信號響應(yīng)頻率達(dá)10 kHz，大信號響應(yīng)頻率2 kHz，瞬時充放電電流可達(dá)400 mA。實驗表明該驅(qū)動電源的性能能夠滿足變形鏡驅(qū)動的要求且電路結(jié)構(gòu)簡單。
關(guān)鍵詞：壓電陶瓷；驅(qū)動電源；功率放大器；變形鏡

0 引言
自適應(yīng)光學(xué)(AO)系統(tǒng)中，變形鏡(DM)作為一種波前校正器，通過改變鏡面形狀校正由大氣湍流等引起的波前畸變，從而改善成像質(zhì)量，提高圖像分辨率。壓電陶瓷類變形鏡鏡面的變形是由多個一端固定于鏡面，另一端固定于底座的壓電陶瓷驅(qū)動器(PZT)的伸縮來實現(xiàn)的。每一個驅(qū)動器都需要一個獨(dú)立的驅(qū)動電源給它提供驅(qū)動電壓，PZT在外電場的作用下，由于逆壓電效應(yīng)，將產(chǎn)生垂直和水平方向上的伸縮形變，從而帶動鏡面產(chǎn)生形變。
為了產(chǎn)生所需的正負(fù)形變量需要給PZT施予雙極性的幾百甚至上千伏的高電壓，因此需要驅(qū)動電源能、夠輸出雙極性高電壓信號。壓電陶瓷類變形鏡驅(qū)動器等效為容性負(fù)載，則當(dāng)工作頻率升高或電壓升高時，所需的驅(qū)動電流將增加。隨著AO系統(tǒng)校正時間頻率提高，對變形鏡高壓驅(qū)動電源的動態(tài)性能要求越來越高，同時隨著AO系統(tǒng)校正空間頻率增加，其單元數(shù)也在不斷增加，因此對驅(qū)動電源的動態(tài)性能、體積、功耗等提出了更高的要求。目前市場上雙極性高壓輸出的壓電陶瓷驅(qū)動電源性能優(yōu)良，但是體積大、通道數(shù)少、不易擴(kuò)展，不能滿足多單元(幾百上千)變形鏡驅(qū)動的要求。本文研制了一種基于光耦和功率NMOS管的壓電陶瓷驅(qū)動電源，具有較好的動態(tài)性能，且電路結(jié)構(gòu)簡單便于擴(kuò)展。

1 變形鏡高壓驅(qū)動電源設(shè)計
1．1 變形鏡高壓驅(qū)動電源工作原理
壓電陶瓷類變形鏡對高壓驅(qū)動電源的要求除了雙極性高壓輸出和高的動態(tài)性能外，還要求驅(qū)動電源具有穩(wěn)定性高、線性度好、紋波小等特點(diǎn)。通常驅(qū)動電源采用如圖1所示的直流放大式的原理結(jié)構(gòu)，它主要由誤差放大級、高壓功率放大級、電壓負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)和高壓直流電源等組成。誤差放大級放大輸入低壓控制信號與電壓反饋信號的差值形成負(fù)反饋，穩(wěn)定驅(qū)動電源閉環(huán)時的電壓增益；高壓功率放大級實現(xiàn)電壓和電流的放大，滿足變形鏡驅(qū)動對電壓和電流的要求；高壓直流電源為高壓功率放大級提供所需的高壓直流電壓。

基于以上的原理結(jié)構(gòu)，本文設(shè)計的變形鏡高壓驅(qū)動電源原理圖如圖2所示，低壓集成運(yùn)放U1A構(gòu)成誤差放大級；電阻R2與C1的用于降低該級高頻增益，避免振蕩。誤差放大級的輸出驅(qū)動高壓功率放大級，使之產(chǎn)生高壓功率信號，驅(qū)動變形鏡壓電陶瓷驅(qū)動器。電阻Rf，R3和耐高壓電容Cf構(gòu)成電壓負(fù)反饋，使驅(qū)動電源帶寬范圍內(nèi)的閉環(huán)電壓增益穩(wěn)定為1+Rf／R3，微調(diào)R3可得到所需放大倍數(shù)的精確值。高壓直流電源采用±340 V輸出的開關(guān)穩(wěn)壓電源，經(jīng)穩(wěn)壓、濾波后給高壓功率放大級提供高壓直流電壓。