利用高速大功率運(yùn)算放大器驅(qū)動壓電致動器

高速壓電致動器的生產(chǎn)成本在過去15年以來越來越價廉，因此越來越多的應(yīng)用設(shè)計傾向于采用高速壓電致動器。壓電致動器最初用于醫(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。這在那時是很有道理的，因?yàn)閴弘娭聞悠骶哂形⒚爰壍捻憫?yīng)時間，是響應(yīng)速度最快的定位元件。此外，它們還能夠產(chǎn)生以亞納米量級為步長的運(yùn)動。因此，采用這種器件進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計的公司的數(shù)量急劇增加也就不足為奇了。

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

縱觀大量的高速、小信號運(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)計目的是驅(qū)動高速壓電器件，就必須同時兼顧速度和12V以上的電壓，這時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)計還有許多有吸引力的優(yōu)勢。

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

圖1：在這個橋式電路配置中，兩個PA78驅(qū)動壓電致動器，PA78由-175V和-5V不對稱電源供電。

選案評估

在決定哪種方案最適合驅(qū)動壓電致動器之前，我們需要根據(jù)應(yīng)用情況，對幾種可選方案進(jìn)行評估。

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

電平移動式小信號放大器：如果一個設(shè)計從小信號放大器開始，接下來再設(shè)計電平移動，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。在這種情況下，非重復(fù)性工程的工作量非常大，設(shè)計時間很長且成本很高。

高壓、高速、低電流MOSFET運(yùn)算放大器IC：本設(shè)計選用的單片集成電路PA78利用A/B類驅(qū)動器級來驅(qū)動輸出MOSFET，利用新型輸入級來獲得非常高的壓擺率(slew rate)，同時還消除了傳統(tǒng)運(yùn)算放大器設(shè)計的高靜態(tài)電流。該設(shè)計需要采用兩個PA78。這種放大器單價大約為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PA78。在這種配置中，放大器提供的輸出電壓擺幅是單個運(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稱的，和單個放大器的電路相比，這能減少二次諧波失真。

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

在這個應(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，負(fù)載上的電壓擺幅為300V(-150V到+150V)(圖2c)。

兩個放大器的輸出現(xiàn)在是反相的。橋式配置電路中兩個PA78的總增益為+20，因此需要向壓電致動器提供所需的300V峰峰值電壓。由電阻R3和R4組成的反饋電路使兩個PA78模塊的輸出都以大約85V為中心。在圖1，一個雙源、非對稱電源為兩個放大器模塊提供+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，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。但在這種非對稱源結(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電源軌的第二個問題是，模塊輸出峰值電流時輸出端的電壓降問題。在這個應(yīng)用中，峰值電流大約為75mA。從PA78規(guī)格手冊中一個稱為“輸出電壓擺幅”的圖可知，如果輸出這個峰值電流，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。

對任何壓電致動器電路而言，防止信號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，只要簡單地在每個放大器的輸出端到其對應(yīng)的電源軌之間連接幾個超高速二極管MUR160(CR1至CR4)，就可以為每個放大器提供保護(hù)。

圖3：計算最大功耗的等效電路圖。

功耗計算與散熱處理

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。

為計算每個模塊的最大功率，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2nF電容和一個0.5Ω電阻，并假設(shè)虛線和符號代表接地。因?yàn)樽杩沟膶?shí)部(1Ω)與1989Ω的總?cè)菘瓜啾群苄?，可忽略不計?

在這個等效電路中，施加的電壓將等于施加在每個模塊上的總電壓的一半。

每一半的電路輸出驅(qū)動一半的容抗負(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，可由下式計算最大功耗：

這里，V_S是每個電源的電壓幅值，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PA78放大器IC的功耗為5.18W。然后選擇散熱器，并確認(rèn)每個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。每個散熱器的熱阻為5.3℃/W，正如我們已確定的，每個放大器的功耗為5.18W。

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

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)不會超過最大結(jié)溫。式(6)通過移項(xiàng)變?yōu)椋?

在這個例子中，根據(jù)PA78規(guī)格手冊，每個器件的功率是是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不會高于93.9℃，遠(yuǎn)低于PA78規(guī)格手冊規(guī)定的最大值150℃。當(dāng)為高電抗性負(fù)載(比如壓電致動器)提供高功率時，很有必要檢查耗散區(qū)和安全工作區(qū)。

過去，工業(yè)級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器設(shè)計)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。