线性功率放大电路的稳定性设计
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。
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200V 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 °C， 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：
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I OP:
第三步: 计算最坏情况下的功耗PDOU TMAX :
上式主要显无功负载， θ>40°。
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。
如图3 所示， 由PA85 的外部连接和相位补偿可知， 当选择补偿电容Cc 为10 pF、补偿电阻Rc 为330时， 增益则为20， 可以满足输入电压峰值为10 V， 输出电压峰值为180 V， 增益为18 的设计指标。
如图4 所示， 由PA85 的转换速率可知， 当选择Cc为10 pF 时， 转换速率S. R 最大值为400 V/ s， 因此，可以满足转换速率为11. 3 V/ s 的设计指标。
如图5 所示， 由PA85 的小信号响应可知， 当闭环增益为18， 相当于25. 1 dB 时， 选择Cc 为10 pF， 该电路的闭环带宽f cl 大约为2 MHz。首次检验表明: PA85不仅能够在大信号域内， 跟踪上10 kHz 的正弦波信号， 而且也有足够大的带宽， 以满足在小信号域内，10 kHz下的平坦响应。
图5 PA85 的小信号响应如图6 所示， 根据功率去额的通常经验: 当环境温度为25 °C 时， 可以通过散热器利用空气对流冷却， 以保持放大器的管壳温度在85 °C 。因此， 由PA85 的功率降额可知， 由于最大输出功耗P DOU TMAX为17W， 几乎与T c 为85 °C 的垂线相交， 这就意味着初步满足该电路针对散热方式的设计
