《电子技术应用》

压电陶瓷驱动电路RC网络补偿技术研究

2015年电子技术应用第10期 作者:鲁琳琳,贾豫东,张晓青
2015/11/18 20:56:00

  摘  要压电陶瓷(PZT)驱动电路由于负载为容性,会使环路增益上产生附加极点,从而影响电路的稳定性,严重时会导致芯片和陶瓷损坏。构建了驱动电路的数学模型,在此基础上,对基于运放PA88的驱动电路进行了仿真分析,对提高驱动电路稳定性的方法进行研究。研究结果表明,采用外接RC网络补偿可有效提高电路稳定性,解决了PZT驱动电路不能长期稳定工作的问题,并给出了PZT驱动电路元器件的最优参数。

  关键词: 压电陶瓷;运算放大器建模仿真相位补偿;稳定性

0 引言

  压电陶瓷(Piezoelectric Ceramic Transducer,PZT)是容性负载,驱动PZT时,驱动电路输出电阻和容性负载会在运放传递函数上产生一个极点导致驱动电路工作不稳定。为使PZT驱动电路能长期稳定的工作,需要对集成运放电路进行相位补偿来提高放大电路的稳定性。补偿的方法有多种,如超前滞后补偿[1],环路外补偿、环路内补偿[2-3],噪声增益补偿[2-4],隔离电阻补偿[5-6]、双通道隔离反馈补偿[6-7]和外接RC网络补偿[8-9]等方法。但超前滞后补偿法是以牺牲放大器的带宽为代价的;环路内补偿要求负载电容必须为已知常数,而不同PZT静电容不可能是相同的;噪声增益补偿会使输入端电压噪声和输入失调电压被放大产生附加的输出电压;采用双通道隔离反馈回路时,会出现“BIG NOT”现象,导致增益的骤增对电路造成负面影响[10]。由于以上缺陷的存在,PZT驱动电路的长期稳定工作问题无法得到有效解决。

  环路外补偿和隔离电阻补偿基本原理一样,都是在运放的输出端和负载电容之间串入一个电阻;外接RC网络补偿是对有补偿端子的运放在相应的补偿端子处外接补偿电阻和电容,具有电路简单、能有效提高电路性能等优点,在PZT驱动电路设计中普遍采用该方法。

1 驱动电路理论分析及仿真

  1.1 模型的建立


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  运放反向放大电路和其等效电路模型如图1所示。理想运放的开环增益应为无穷大,实际的运放开环增益是有限的并且具有频率特性,增益的大小与信号的频率有关。

  由图1(b) 运用结点分析法:

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  由式(3)可知,其传递函数与运放开环增益A有关。

  1.2 容性负载电路模型及仿真分析

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  用PA88驱动容性负载时,等效电路如图2(a)所示,并由此得到传递函数模型如图2(b)所示。可得其开环传递函数如式(4)。

  不驱动容性负载时,由式(3)得其开环增益Go=AF,F=-Rf/R1。通过上述分析知PA88驱动容性负载后开环增益曲线上会增加一个极点,且极点为fP=1/2πRoCL,PA88的输出电阻Ro=100 。仿真得到幅频响应和相频响应如图3所示。由图可知增加一个极点,相位裕度减少了45°,这是导致电路不稳定的主要因素。

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  稳定的负反馈放大电路:Gm<0,而且|Gm|愈大,电路愈稳定;φm>0,而且φm愈大,电路愈稳定;其中Gm为幅值裕度,φm为相位裕度[11]。因此,对驱动容性负载的电路进行相应的相位补偿可提高电路的稳定性。

2 相位补偿设计

  2.1 隔离电阻补偿


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  极点的引入会破坏电路稳定性,而零点的引入有利于电路的稳定性。在电路输出和容性负载间加入合适的隔离电阻也可以改善电路的稳定性,图4为加入隔离电阻的等效电路和对应的传递函数模型。经分析,开环传递函数曲线上会增加了一个极点fP=1/2π(Ro+R2)CL和一个零点fZ=1/2πR2CL。零极点靠的很近,补偿将不起作用,一般让零点与极点之间有4~5倍的频程。取fZ=4.5fP,于是R2=28.6 。由图5知,加入隔离电阻后电路稳定性提高,并且带宽也展宽了。

  2.2 外接RC网络补偿法

  PA88引脚中有相应的补偿端子,可以用补偿端7和8引脚,组成RC补偿网络。因此在PA88构成的PZT电路中合理设计补偿电阻和电容的值可以避免运放产生寄生振荡。根据实际的需求设计如图6所示的驱动电路,R6和C2为补偿网络,电路的放大倍数为10。图7是仿真得到的不同C2值的幅频响应。由图7知:随着C2值的增大,电路的稳定性越好,但是带宽有所降低。结合实际应用,C2取33 pF时驱动电路的性能最佳。

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3 结论

  本文主要采用外接RC网络补偿法对PZT驱动电路进行相位补偿,解决了驱动电路不能长期稳定工作的问题。通过建立运算放大器电路的开环增益模型,仿真分析了隔离电阻补偿和外接RC网络补偿中补偿参数对电路稳定性的影响。根据实际需求,对基于PA88的PZT驱动电路设计了外接RC补偿网络。结果表明,当驱动电路的放大倍数为10时,补偿电容值约为33 pF,电路的性能达到了最佳。文中采用的相位补偿分析方法,对设计其他运算放大器的相位补偿也有很好的指导作用。

参考文献

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