多单元压电陶瓷类变形镜高压驱动电源

摘要：针对变形镜压电陶瓷类驱动器单元数多的特点，设计一种高带宽适合扩展成多通道输出的压电陶瓷驱动电源，它利用光耦分相隔离从源极驱动功率NMOS管，简化了电路结构并保证了功率带宽。该驱动电源驱动100 nF容性负载时，可实现单端到地-300～+300 V双极性高压输出，电压增益35．5 dB，信号不失真情况下，小信号响应频率达10 kHz，大信号响应频率2 kHz，瞬时充放电电流可达400 mA。实验表明该驱动电源的性能能够满足变形镜驱动的要求且电路结构简单。
关键词：压电陶瓷；驱动电源；功率放大器；变形镜

0 引言
自适应光学(AO)系统中，变形镜(DM)作为一种波前校正器，通过改变镜面形状校正由大气湍流等引起的波前畸变，从而改善成像质量，提高图像分辨率。压电陶瓷类变形镜镜面的变形是由多个一端固定于镜面，另一端固定于底座的压电陶瓷驱动器(PZT)的伸缩来实现的。每一个驱动器都需要一个独立的驱动电源给它提供驱动电压，PZT在外电场的作用下，由于逆压电效应，将产生垂直和水平方向上的伸缩形变，从而带动镜面产生形变。
为了产生所需的正负形变量需要给PZT施予双极性的几百甚至上千伏的高电压，因此需要驱动电源能、够输出双极性高电压信号。压电陶瓷类变形镜驱动器等效为容性负载，则当工作频率升高或电压升高时，所需的驱动电流将增加。随着AO系统校正时间频率提高，对变形镜高压驱动电源的动态性能要求越来越高，同时随着AO系统校正空间频率增加，其单元数也在不断增加，因此对驱动电源的动态性能、体积、功耗等提出了更高的要求。目前市场上双极性高压输出的压电陶瓷驱动电源性能优良，但是体积大、通道数少、不易扩展，不能满足多单元(几百上千)变形镜驱动的要求。本文研制了一种基于光耦和功率NMOS管的压电陶瓷驱动电源，具有较好的动态性能，且电路结构简单便于扩展。

1 变形镜高压驱动电源设计
1．1 变形镜高压驱动电源工作原理
压电陶瓷类变形镜对高压驱动电源的要求除了双极性高压输出和高的动态性能外，还要求驱动电源具有稳定性高、线性度好、纹波小等特点。通常驱动电源采用如图1所示的直流放大式的原理结构，它主要由误差放大级、高压功率放大级、电压负反馈网络和高压直流电源等组成。误差放大级放大输入低压控制信号与电压反馈信号的差值形成负反馈，稳定驱动电源闭环时的电压增益；高压功率放大级实现电压和电流的放大，满足变形镜驱动对电压和电流的要求；高压直流电源为高压功率放大级提供所需的高压直流电压。

基于以上的原理结构，本文设计的变形镜高压驱动电源原理图如图2所示，低压集成运放U1A构成误差放大级；电阻R2与C1的用于降低该级高频增益，避免振荡。误差放大级的输出驱动高压功率放大级，使之产生高压功率信号，驱动变形镜压电陶瓷驱动器。电阻Rf，R3和耐高压电容Cf构成电压负反馈，使驱动电源带宽范围内的闭环电压增益稳定为1+Rf／R3，微调R3可得到所需放大倍数的精确值。高压直流电源采用±340 V输出的开关稳压电源，经稳压、滤波后给高压功率放大级提供高压直流电压。