多單元壓電陶瓷類變形鏡高壓驅動電源

摘要：針對變形鏡壓電陶瓷類驅動器單元數多的特點，設計一種高帶寬適合擴展成多通道輸出的壓電陶瓷驅動電源，它利用光耦分相隔離從源極驅動功率NMOS管，簡化了電路結構并保證了功率帶寬。該驅動電源驅動100 nF容性負載時，可實現單端到地-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，小信號響應頻率達10 kHz，大信號響應頻率2 kHz，瞬時充放電電流可達400 mA。實驗表明該驅動電源的性能能夠滿足變形鏡驅動的要求且電路結構簡單。
關鍵詞：壓電陶瓷；驅動電源；功率放大器；變形鏡

0 引言
自適應光學(AO)系統中，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動器(PZT)的伸縮來實現的。每一個驅動器都需要一個獨立的驅動電源給它提供驅動電壓，PZT在外電場的作用下，由于逆壓電效應，將產生垂直和水平方向上的伸縮形變，從而帶動鏡面產生形變。
為了產生所需的正負形變量需要給PZT施予雙極性的幾百甚至上千伏的高電壓，因此需要驅動電源能、夠輸出雙極性高電壓信號。壓電陶瓷類變形鏡驅動器等效為容性負載，則當工作頻率升高或電壓升高時，所需的驅動電流將增加。隨著AO系統校正時間頻率提高，對變形鏡高壓驅動電源的動態性能要求越來越高，同時隨著AO系統校正空間頻率增加，其單元數也在不斷增加，因此對驅動電源的動態性能、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動電源性能優良，但是體積大、通道數少、不易擴展，不能滿足多單元(幾百上千)變形鏡驅動的要求。本文研制了一種基于光耦和功率NMOS管的壓電陶瓷驅動電源，具有較好的動態性能，且電路結構簡單便于擴展。

1 變形鏡高壓驅動電源設計
1．1 變形鏡高壓驅動電源工作原理
壓電陶瓷類變形鏡對高壓驅動電源的要求除了雙極性高壓輸出和高的動態性能外，還要求驅動電源具有穩定性高、線性度好、紋波小等特點。通常驅動電源采用如圖1所示的直流放大式的原理結構，它主要由誤差放大級、高壓功率放大級、電壓負反饋網絡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反饋，穩定驅動電源閉環時的電壓增益；高壓功率放大級實現電壓和電流的放大，滿足變形鏡驅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。

基于以上的原理結構，本文設計的變形鏡高壓驅動電源原理圖如圖2所示，低壓集成運放U1A構成誤差放大級；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動高壓功率放大級，使之產生高壓功率信號，驅動變形鏡壓電陶瓷驅動器。電阻Rf，R3和耐高壓電容Cf構成電壓負反饋，使驅動電源帶寬范圍內的閉環電壓增益穩定為1+Rf／R3，微調R3可得到所需放大倍數的精確值。高壓直流電源采用±340 V輸出的開關穩壓電源，經穩壓、濾波后給高壓功率放大級提供高壓直流電壓。