壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電路RC網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償技術(shù)研究*

魯琳琳，賈豫東，張曉青

（北京信息科技大學(xué) 光電測(cè)試技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100192）

壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電路RC網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償技術(shù)研究*

魯琳琳，賈豫東，張曉青

（北京信息科技大學(xué) 光電測(cè)試技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100192）

壓電陶瓷(PZT)驅(qū)動(dòng)電路由于負(fù)載為容性，會(huì)使環(huán)路增益上產(chǎn)生附加極點(diǎn)，從而影響電路的穩(wěn)定性，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致芯片和陶瓷損壞。構(gòu)建了驅(qū)動(dòng)電路的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上，對(duì)基于運(yùn)放PA88的驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了仿真分析，對(duì)提高驅(qū)動(dòng)電路穩(wěn)定性的方法進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明，采用外接RC網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償可有效提高電路穩(wěn)定性，解決了PZT驅(qū)動(dòng)電路不能長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的問(wèn)題，并給出了PZT驅(qū)動(dòng)電路元器件的最優(yōu)參數(shù)。

壓電陶瓷；運(yùn)算放大器；建模仿真；相位補(bǔ)償；穩(wěn)定性

0　引言

壓電陶瓷(Piezoelectric Ceramic Transducer，PZT)是容性負(fù)載，驅(qū)動(dòng)PZT時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路輸出電阻和容性負(fù)載會(huì)在運(yùn)放傳遞函數(shù)上產(chǎn)生一個(gè)極點(diǎn)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電路工作不穩(wěn)定。為使PZT驅(qū)動(dòng)電路能長(zhǎng)期穩(wěn)定的工作，需要對(duì)集成運(yùn)放電路進(jìn)行相位補(bǔ)償來(lái)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(jià)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(huì)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(shí)，會(huì)出現(xiàn)“BIG NOT”現(xiàn)象，導(dǎo)致增益的驟增對(duì)電路造成負(fù)面影響[10]。由于以上缺陷的存在，PZT驅(qū)動(dòng)電路的長(zhǎng)期穩(wěn)定工作問(wèn)題無(wú)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(gè)電阻；外接RC網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償是對(duì)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(jiǎn)單、能有效提高電路性能等優(yōu)點(diǎn)，在PZT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中普遍采用該方法。

1　驅(qū)動(dòng)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(wú)窮大，實(shí)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(hào)的頻率有關(guān)。

圖1　反向放大電路及等效電路模型

由圖1(b)運(yùn)用結(jié)點(diǎn)分析法:

因 Un1＝U，Un2＝Uo可得：

又因運(yùn)算放大器中 Ro很小，Rin很大，可得：

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(dòng)容性負(fù)載時(shí)，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)。

圖2　帶容性負(fù)載等效電路模型和傳遞函數(shù)模型

不驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載時(shí)，由式(3)得其開環(huán)增益 Go＝AF，F(xiàn)＝－Rf/R1。通過(guò)上述分析知 PA88驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載后開環(huán)增益曲線上會(huì)增加一個(gè)極點(diǎn)，且極點(diǎn)為 fP＝1/2πRoCL，PA88的輸出電阻Ro＝100 Ω。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(gè)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(duì)驅(qū)動(dòng)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。

圖3　運(yùn)放開環(huán)增益和帶容性負(fù)載開環(huán)增益bode圖

2　相位補(bǔ)償設(shè)計(jì)

2.1隔離電阻補(bǔ)償

極點(diǎn)的引入會(huì)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(duì)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(huì)增加了一個(gè)極點(diǎn) fP＝1/2π(Ro+R2)CL和一個(gè)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 Ω。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>

圖4　加入隔離電阻的電路模型和傳遞函數(shù)模型

圖5　加入隔離補(bǔ)償電路和帶容性負(fù)載電路的bode圖

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(jì)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(shí)際的需求設(shè)計(jì)如圖6所示的驅(qū)動(dòng)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(shí)際應(yīng)用，C2取 33 pF時(shí)驅(qū)動(dòng)電路的性能最佳。

圖6　PA88驅(qū)動(dòng)PZT放大電路

圖7　不同C2值的幅頻響應(yīng)

3　結(jié)論

本文主要采用外接RC網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償法對(duì)PZT驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行相位補(bǔ)償，解決了驅(qū)動(dòng)電路不能長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的問(wèn)題。通過(guò)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(duì)電路穩(wěn)定性的影響。根據(jù)實(shí)際需求，對(duì)基于PA88的PZT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)了外接RC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。結(jié)果表明，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路的放大倍數(shù)為10時(shí)，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(duì)設(shè)計(jì)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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Research on compensation technology of piezoelectric ceramic driving circuit RC network

Lu Linlin，Jia Yudong，Zhang Xiaoqing
(Beijing Key Laboratory for Opto-electronic Measurement Technology，Beijing Information Science and Technology University，Beijing 100192，China)

Because the load of piezoelectric ceramic(PZT)driving circuit is capacitive,it can generate an additional pole on the loop gain,thereby affecting the stability of the circuit and causing damage to the chip and ceramic when it is serious.This paper establishes the mathematical model of the driving circuit,on this basis,the driving circuit based on PA88 is analyzed and the method for improving the stability of driving circuit is studied.The results of the research show,using the external RC network compensation can effectively improve the circuit stability and solve the problem that the PZT driving circuit can’t work long-term stability,in addition,the optimal parameters of the driving circuit components are given.

piezoelectric ceramic(PZT)；operational amplifier；modeling and simulation；phase compensation；stability

TN432

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.10.013

北京市教育委員會(huì)科技計(jì)劃面上項(xiàng)目(KM201411232005)；青年拔尖人才培育計(jì)劃（CIT&TCD201404122）

2015-03-31)

魯琳琳（1990-），女，碩士研究生，主要研究方向：光纖傳感技術(shù)。

賈豫東（1975-），男，副教授，主要研究方向：光電檢測(cè)技術(shù)。

張曉青（1967-），女，副教授，主要研究方向：光纖傳感技術(shù)。

中文引用格式：魯琳琳，賈豫東，張曉青.壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)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.