针对容性负载的线性功率放大电路的稳定性设计

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s.JPG摘要:针对容性负载,从线性功率放大电路稳定性设计的角度,以某压电执行器为研究对象,通过分析相关的设计指标,选择出适用的功率运算放大器;运用噪声增益和反馈零点这两种相位补法,提高了电路的稳定性,避免了超调和振荡,通过理论计算、模型仿真、实物检测相结合的方式,逐步地验证了所做的稳定性设计是有效的、可行的。
关键词:容性负载;压电执行器;驱动电源;放大电路;相位补偿;Spice

0 引言
    线性功率放大电路在压电材料的驱动、光电管、光谱仪、微机电、纳米工程等方面都有着广泛的应用空间,由于该类应用通常为高精度场合,因此,要求放大电路具有良好的稳定性。其中,压电执行器是利用逆压电效应,通过功率放大电路,以驱动容性压电负载,因此,在设计时必须考虑到容性负载的技术特点和压电执行器的应用要求。


    如表1所示,某压电执行器要求在±200 V的直流电源作用下,在±10 V的输入电压范围内,能够输出360 V的电压峰峰值,其工作频率从直流至10 kHz。容性压电负载可以等效为10.6 nF的电容,电路工作环境为25℃,且只采用空气对流冷却。

1 功率放大器的选择
    功率放大器的选择步骤:
    第一步:利用最高频率和最大电压摆幅,计算大信号响应下的转换速率。为了能够跟踪上给定的频率和输出振幅下的正弦波,所需转换速率S.R:
    b.JPG
    第二步:在最高频率下,容性负载会产生最大电流,可以采用两种方法得到输出电流峰值Iop:
    方法一:

    第四步:如表2所示,针对放大器的设计指标,选择适用的功率运算放大器。


    如图1所示,由PA85的参数可知,当输出电流为±200 mA时,在最坏情况下的饱和压降为10 V。因此,可以满足输出电流峰值为120 mA时,输出电压峰值为180 V的设计指标。


    如图2所示,由PA85的功率响应可知,无论补偿电容Cc选择为图中任何三种数值,在10 kHz的频率以下,输出电压都处在360 V的峰峰值范围内,因此,满足设计指标。