《電子技術(shù)應(yīng)用》
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針對(duì)容性負(fù)載的線性功率放大電路的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)
摘要: 針對(duì)容性負(fù)載,,從線性功率放大電路穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的角度,,以某壓電執(zhí)行器為研究對(duì)象,通過(guò)分析相關(guān)的設(shè)計(jì)指標(biāo),選擇出適用的功率運(yùn)算放大器,;運(yùn)用噪聲增益和反饋零點(diǎn)這兩種相位補(bǔ)法,提高了電路的穩(wěn)定性,,避免了超調(diào)和振蕩,,通過(guò)理論計(jì)算、模型仿真,、實(shí)物檢測(cè)相結(jié)合的方式,,逐步地驗(yàn)證了所做的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)是有效的、可行的,。
Abstract:
Key words :

0 引言

    線性功率放大電路在壓電材料的驅(qū)動(dòng),、光電管、光譜儀,、微機(jī)電,、納米工程等方面都有著廣泛的應(yīng)用空間,由于該類(lèi)應(yīng)用通常為高精度場(chǎng)合,,因此,,要求放大電路具有良好的穩(wěn)定性。其中,,壓電執(zhí)行器是利用逆壓電效應(yīng),,通過(guò)功率放大電路,以驅(qū)動(dòng)容性壓電負(fù)載,,因此,,在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到容性負(fù)載的技術(shù)特點(diǎn)和壓電執(zhí)行器的應(yīng)用要求。

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    如表1所示,某壓電執(zhí)行器要求在±200 V的直流電源作用下,,在±10 V的輸入電壓范圍內(nèi),,能夠輸出360 V的電壓峰峰值,其工作頻率從直流至10 kHz,。容性壓電負(fù)載可以等效為10.6 nF的電容,,電路工作環(huán)境為25℃,且只采用空氣對(duì)流冷卻,。

1 功率放大器的選擇
    功率放大器的選擇步驟:
    第一步:利用最高頻率和最大電壓擺幅,,計(jì)算大信號(hào)響應(yīng)下的轉(zhuǎn)換速率。為了能夠跟蹤上給定的頻率和輸出振幅下的正弦波,,所需轉(zhuǎn)換速率S.R:
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    第二步:在最高頻率下,,容性負(fù)載會(huì)產(chǎn)生最大電流,可以采用兩種方法得到輸出電流峰值Iop:
    方法一:

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    第四步:如表2所示,,針對(duì)放大器的設(shè)計(jì)指標(biāo),,選擇適用的功率運(yùn)算放大器。

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    如圖1所示,,由PA85的參數(shù)可知,,當(dāng)輸出電流為±200 mA時(shí),在最壞情況下的飽和壓降為10 V,。因此,,可以滿足輸出電流峰值為120 mA時(shí),輸出電壓峰值為180 V的設(shè)計(jì)指標(biāo),。

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    如圖2所示,,由PA85的功率響應(yīng)可知,無(wú)論補(bǔ)償電容Cc選擇為圖中任何三種數(shù)值,,在10 kHz的頻率以下,,輸出電壓都處在360 V的峰峰值范圍內(nèi),因此,,滿足設(shè)計(jì)指標(biāo),。

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    如圖3所示,由PA85的外部連接和相位補(bǔ)償可知,,當(dāng)選擇補(bǔ)償電容Cc為10 pF,、補(bǔ)償電阻Rc為330 Ω時(shí),增益則為20,,可以滿足輸入電壓峰值為10 V,,輸出電壓峰值為180 V,增益為18的設(shè)計(jì)指標(biāo),。

 

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    如圖4所示,,由PA85的轉(zhuǎn)換速率可知,,當(dāng)選擇Cc為10 pF時(shí),,轉(zhuǎn)換速率S.R最大值為400 V/μs,,因此,可以滿足轉(zhuǎn)換速率為11.3 V/μs的設(shè)計(jì)指標(biāo),。

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    如圖5所示,,由PA85的小信號(hào)響應(yīng)可知,當(dāng)閉環(huán)增益為18,,相當(dāng)于25.1 dB時(shí),,選擇Cc為10 pF,該電路的閉環(huán)帶寬fcl大約為2 MHz,。首次檢驗(yàn)表明:PA85不僅能夠在大信號(hào)域內(nèi),,跟蹤上10 kHz的正弦波信號(hào),而且也有足夠大的帶寬,,以滿足在小信號(hào)域內(nèi),,10 kHz下的平坦響應(yīng)。

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    如圖6所示,,根據(jù)功率去額的通常經(jīng)驗(yàn):當(dāng)環(huán)境溫度為25℃時(shí),,可以通過(guò)散熱器利用空氣對(duì)流冷卻,以保持放大器的管殼溫度在85℃,。因此,,由PA85的功率降額可知,由于最大輸出功耗PDOUTMAX為17 W,,幾乎與Tc為85℃的垂線相交,,這就意味著初步滿足該電路針對(duì)散熱方式的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

 

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2 電路的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)
2.1 容性負(fù)載的開(kāi)環(huán)增益
    如圖7所示,,開(kāi)環(huán)增益Ao1和小信號(hào)交流增益1/β的交匯點(diǎn)為閉合頻率fc1,,此處的環(huán)路增益Ao1β為O dB。

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    當(dāng)線性功率放大電路驅(qū)動(dòng)容性壓電負(fù)載時(shí),,放大器的輸出阻抗Ro和容性負(fù)載CL會(huì)在開(kāi)環(huán)增益Ao1的高頻部分增加一個(gè)極點(diǎn),,使其改變?yōu)楹腥菪詨弘娯?fù)載CL的開(kāi)環(huán)增益Ao1w/CL。通過(guò)閉合率穩(wěn)定性檢查發(fā)現(xiàn):在fcl處的閉合率為40 dB/dec,,大于20 dB/dec,,這意味著在fcl以前存在著兩個(gè)極點(diǎn),相當(dāng)于180°的相位移,,這就有可能產(chǎn)生破壞性振蕩,。
2.2 一階穩(wěn)定性分析
2.2.1 幅頻曲線的穩(wěn)定性分析
    第一步:如圖8所示,由于50 Ω的輸出阻抗Ro,,4.64 Ω的電流限制電阻RCL和容性負(fù)載CL的共同作用下,,在開(kāi)環(huán)增益Ao1w/CL增加的極點(diǎn)頻率fp2:
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    第二步:如圖8所示,,在低頻部分,由于阻性反饋Rf和Ri決定的小信號(hào)交流增益1/βlow是一個(gè)25.1 dB的水平線,,其與含有容性壓電負(fù)載的開(kāi)環(huán)增益Ao1w/CL曲線的閉合率為40 dB/dec,,因此,必須提高電路的穩(wěn)定性,。

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    第三步:如圖9所示,,噪聲增益相位補(bǔ)償法是以維持閉環(huán)增益不變的基礎(chǔ)上,在高頻部分增加了放大電路的整體噪聲增益,,其缺點(diǎn)是減小了閉環(huán)帶寬,,反饋零點(diǎn)相位補(bǔ)償法是以單位增益穩(wěn)定性為代價(jià),其優(yōu)點(diǎn)是提高了閉環(huán)帶寬,。因此,,可以根據(jù)性能折中的原則,將上述兩種相位補(bǔ)償法相融合,。

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    由Rn和Cn組成的噪聲增益相位補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò),,提高了在高頻部分的小信號(hào)交流增益1/βhi:
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    如圖8所示,噪聲增益的零點(diǎn)頻率fzl可以按照20 dB/dec的閉合率,,由噪聲增益的極點(diǎn)頻率fp5,,向小信號(hào)交流增益1/βlow變化。然而,,僅靠噪聲增益相位補(bǔ)償法,,閉合率仍舊為40 dB/dec。
    第四步:如圖8所示,,反饋零點(diǎn)相位補(bǔ)償法是在小信號(hào)交流增益1/βhi上增加一個(gè)極點(diǎn),,極點(diǎn)頻率設(shè)置在閉合頻率fcl十分頻處,目的是防止Ao1曲線隨時(shí)間和溫度發(fā)生向左漂移,,這就可能會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)40 dB/dec的閉合率,。Cf和Rf的極點(diǎn)頻率fp6為:
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    如圖8所示,由于小信號(hào)增益不能小于0 dB,,因此,,1/β曲線與O dB相交形成了零點(diǎn)頻率fz2。
    第五步:由于在閉合頻率fcl處的閉合率為20 dB/dec,,因此,,初步完成了該電路的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。
2.2.2 相頻曲線的穩(wěn)定性分析
    如圖10所示,,從直流到fcl處,,相位裕度φ≥45°,因此該電路應(yīng)具有較好的穩(wěn)定性,。

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2.3 功率設(shè)計(jì)軟件的穩(wěn)定性分析
    采用APEX公司的功率設(shè)計(jì)軟件可以在一階穩(wěn)定性分析基礎(chǔ)之上進(jìn)一步提高分析精度,。功率設(shè)計(jì)軟件分析的性能指標(biāo)(部分)如下:估計(jì)的閉合頻率為1 333.521 kHz,;建議的最大帶寬為42.169 65 kHz;估計(jì)的閉合率為20 dB/dec,;估計(jì)的相位裕度為54.144 3°,;總的輸出電阻Zout為54.64 Ω;Zout/Cload的極點(diǎn)頻率fp2為274.789 085 4 kHz,;直流的小信號(hào)交流增益1/β為25.6dB,;噪聲增益為15.9dB;Noise Gain的極點(diǎn)頻率fp5為9.824 379 039 kHz,;噪聲增益的零點(diǎn)頻率fz1為1.568 598 037 kHz;Cf/Rf的極點(diǎn)頻率fp6為98.243 786 57 kHz,;Rf/Cf的零點(diǎn)頻率fz2為11 691.010 6 kHz,。建議的最大帶寬指的是環(huán)路增益Ao1β減小到20 dB處的頻率,相當(dāng)于Ao1與1/β的差值為20 dB,。如圖11,,圖12所示,在1.5 kHz處的相位裕度為54.1°,。
2.4 Spice仿真的穩(wěn)定性分析
    如圖13所示,,利用APEX提供的PA85的宏模型,在NI公司的Multisim 10仿真器下,,構(gòu)建線性功率放大電路的Spice模型,。

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    如圖14所示,根據(jù)Spice環(huán)路增益測(cè)試法,,將原有的輸入信號(hào)端置零,,在反饋接入點(diǎn)串聯(lián)上1 GH的電感L、并聯(lián)上1 GF的電容C,,加入測(cè)試信號(hào)源Vin,,其中環(huán)路增益Ao1β為Bode_OUT與Bode_IN之比,采樣點(diǎn)設(shè)置為MultisimTM允許的最大值1000,。
    如圖15所示,,考慮到放大器開(kāi)環(huán)增益普遍具有的離散性,該誤差是可以接受的,,但是相位裕度通常必須大于45°,。

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2.5 實(shí)際電路的穩(wěn)定性分析
    如圖16所示,由于實(shí)際電路很難將反饋網(wǎng)絡(luò)斷開(kāi),,因此可以采用“方波測(cè)試法”檢測(cè)相位裕度,。該方法是在1 kHz的頻率下,調(diào)節(jié)輸入的幅度,,使其輸出方波達(dá)到2Vpp,,并在不同的輸出直流偏置下,,檢測(cè)輸出方波頂部的超調(diào)和振蕩,并對(duì)照開(kāi)環(huán)相位裕度與阻尼系數(shù)的關(guān)系曲線,,從而得到較完整的相位裕度,,以確保在不同應(yīng)用下無(wú)異常。最壞情況是當(dāng)輸出直流偏置為零時(shí),,導(dǎo)致Ro為最大值,,此時(shí),阻尼系數(shù)大約為0.7,,相位裕度大約為50°,。

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3 結(jié)語(yǔ)
    線性功率放大電路的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的工作,尤其是在針對(duì)容性負(fù)載時(shí),,極點(diǎn)和零點(diǎn)的設(shè)置變得更加復(fù)雜,,這些都可以借助功率設(shè)計(jì)軟件、模型仿真和實(shí)物檢測(cè)的方法來(lái)解決這些問(wèn)題,。本次穩(wěn)定性設(shè)計(jì)是在提高帶寬的同時(shí),,處理好了極點(diǎn)和零點(diǎn)的問(wèn)題,從而避免了超調(diào)和振蕩,,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所做的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)是有效的,、可行的。
 

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