Высоковольтный усилитель для управления пьезоэлектрическими позиционерами

Журнал РАДИОЛОЦМАН, ноябрь 2016

Bipin Duggal

EDN

Для питания пьезоэлектрических позиционеров, приводящих в движение манипуляторы в сканирующих туннельных микроскопах, требуются высоковольтные слаботочные схемы управления. Схема на Рисунке 1 может управлять высокоимпедансными пьезоэлектрическими нагрузками низкой емкости в полосе частот 6 кГц по уровню –3 дБ, служа недорогой альтернативой коммерческим драйверам. Транзисторы Q₃ и Q₄ образуют токовое зеркало, в котором ток коллектора Q₄ задается резистором R₃ в соответствии со следующим выражением:

где

• I_C3 – ток коллектора транзистора Q₃,
• I_C4 – ток коллектора транзистора Q₄,
• V_BE4 – напряжение база-эмиттер транзистора Q₄.

Операционный усилитель IC₁ устанавливает базовый ток Q₅, который, в свою очередь, управляет транзистором Q₆. В отсутствие сигнала на входе IC₁ токи коллекторов Q₆ и Q₃ сбалансированы, и выходное напряжение схемы в точке соединения эмиттерных повторителей Q₁ и Q₂ остается равным нулю.

Рисунок 1.	Для этого усилителя на комплементарных транзисторах требуется совсем немного компонентов.

При подаче сигнала на вход микросхемы IC₁ ее выходное напряжение смещалось бы до положительной или отрицательной шины питания 12 В. Однако допускать насыщения выхода ради того, чтобы увеличить скорость нарастания напряжения, нельзя, так как такой режим приводит к возбуждению схемы. Поэтому для расширения полосы пропускания и увеличения скорости нарастания выбран относительно быстрый операционный усилитель LF411, а устойчивость схемы обеспечивается встречно-параллельными диодами D₁ и D₂, ограничивающими отклонения выходных сигналов IC₁ до величины прямого падения напряжения на одном диоде.

Рисунок 2.	Как видно из осциллограммы (а), на вход микросхемы подаются прямоугольные импульсы с двойным размахом ±2 В. Выходное напряжение (б) усилено в 20 раз и имеет минимальное смещение.

Регулируя R₇, можно управлять выходным напряжением смещения и скоростью нарастания. Как правило, сопротивление резистора R₇ выбирают вдвое бóльшим, чем R₉. Коэффициент усиления усилителя определяется соотношением сопротивлений R₉ и R₈. На Рисунке 2 показаны осциллограммы сигналов на входе и выходе схемы при оптимальных значениях сопротивлений резисторов R₇ и R₉. Обратите внимание, что напряжения и V_CC и –V_CC не должны превышать допустимых коллекторных напряжений Q₁ и Q₂, в данном случае, 300 В.

Материалы по теме