壓電驅動器設計中 AB 類輸出級的性能評估

壓電作動器廣泛應用于各類定位系統中。這類作動器依托逆壓電效應工作，這是一種物理換能機制：壓電材料在接收電荷作用時會產生機械作用力。

但我們無法將運動控制器直接與壓電作動器相連，必須搭配壓電放大器。壓電放大器也常被稱作壓電驅動器，是整套壓電控制系統的核心關鍵部件。

市面上有各類大功率壓電放大器可供選型。本文為三篇系列文章的第一篇，將對比解析AB 類與D 類輸出級架構在壓電放大器應用中的優(yōu)缺點。正如后續(xù)分析所示，兩種架構不存在普適所有場景的萬能方案。

本文將先介紹壓電驅動器的核心設計要求，重點剖析 AB 類輸出級，涵蓋電路拓撲結構，以及該架構對壓電放大器整體設計與性能的影響。下篇文章將聚焦 D 類輸出級。系列文章完結后，讀者可全面掌握兩類輸出級的核心性能取舍與典型適用場景。

壓電驅動器的必要性

圖 1 展示了精密定位系統中，壓電放大器的典型安裝與接入位置。

圖 1 機械定位系統中壓電放大器的典型布局

壓電驅動器的核心作用是為壓電負載輸出驅動電信號。由于壓電元件的形變程度與外加電荷量呈強關聯，電荷放大器本是適配性最優(yōu)的驅動方案。

但壓電元件本質呈現容性負載特性，導致電荷與電壓之間僅為準線性關系。本文討論對象為電壓型壓電放大器：以數模轉換器（DAC）輸出的低壓弱電信號為輸入，經線性放大后輸出高壓驅動信號。

設計人員需結合實際工況評估電壓放大器的適配性。尤其在無機械反饋的閉環(huán)場景下，容性壓電負載的電荷 - 電壓非線性特性，會顯著降低電壓型驅動方案的定位控制精度。

壓電放大器關鍵性能指標

在分析驅動器輸出級架構選型前，需先明確核心性能參數與設計約束。

前文已提及壓電作動器具備容性阻抗特性，負載電容大小完全由壓電元件規(guī)格決定：微型壓電作動器電容僅為數納法，而大型壓電組件可達數十微法。容性負載會從多維度制約放大器設計，包括峰值電流驅動能力、動態(tài)響應特性、頻率穩(wěn)定性及無功功率損耗。

輸出電壓范圍是另一項核心設計指標。壓電作動器普遍需要寬范圍高壓驅動：雙極性電壓（-150 V ~ +150 V）、半雙極性電壓（-30 V ~ +150 V）為行業(yè)主流規(guī)格，千伏級高壓壓電器件也正逐步普及。驅動電壓等級直接決定功率器件選型與供電電源方案。

最大輸出電壓擺幅，同步決定了輸出級所需的電流驅動能力。滿功率帶寬定義了壓電驅動器在無壓擺率限制下，輸出額定峰峰值正弦信號的最高工作頻率。滿功率帶寬之上產生的動態(tài)非線性失真，根源在于輸出級與供電系統的最大輸出電流受限。三者定量關系如下：

等式1

式中： 為負載電容。

并非所有應用都需要高滿功率帶寬。部分精密場景中，設備僅需在環(huán)境振動干擾下保持微幅高精度定位，無高頻、大行程運動需求，因此無需高滿功率帶寬，小信號帶寬才是核心設計指標。

小信號帶寬用于表征驅動器頻響的線性動態(tài)特性。壓電放大器輸出級的傳遞函數會直接影響整機帶寬，并塑造環(huán)路增益特性。關于環(huán)路增益與反饋系統增益的關聯，可參考筆者另一篇文章《模擬電路 SLiCAP 設計入門》。

此外，所有壓電驅動器都會在有效輸出信號上疊加固有噪聲，噪聲主要來源于阻性元件與輸出級有源功率器件。

紋波則是另一類有害雜散信號；與隨機噪聲不同，紋波屬于確定性干擾信號。本系列后續(xù)介紹 D 類輸出級時，將詳細展開紋波特性分析。在光機系統等高精密領域，噪聲與紋波抑制能力是設備選型的硬性指標。

AB 類輸出級的設計與性能

基于上述基礎參數，下文詳細解析 AB 類驅動架構。帶容性壓電負載的 AB 類推挽輸出級電路如圖 2 所示。

圖 2 電壓反饋放大器中適配容性壓電負載的推挽式 AB 類輸出級

該推挽架構應用廣泛，原理與運算放大器輸出級高度相似：上半部分為推挽上管，正電源向負載輸出正向電流時導通工作；下半部分為推挽下管，負載向負電源泄放電流時導通工作。

若僅采用上述分時導通邏輯，該電路為純 B 類放大器。實際工況中，正負電源之間會持續(xù)流過靜態(tài)偏置電流，引入 A 類放大工作區(qū)間，整體構成AB 類輸出級。

圖 2 架構采用兩只 NMOS 管，工作于飽和區(qū)。推挽上管的源極直接連接負載，因此該管需要搭配隔離柵極驅動電路，實現低壓柵源信號驅動。

完整的壓電驅動器通常由多級放大電路與電壓反饋環(huán)路組成。本文雖僅聚焦輸出級設計，但前級電路與反饋環(huán)路同樣決定整機帶寬與失真指標。

功耗與熱管理

為理解 AB 類輸出級工作原理，先拆解其 B 類工作區(qū)間的功耗特性。理想 B 類輸出級周期性驅動容性負載、輸出峰值電壓時，總功耗計算公式：

參數說明：
：正電源電壓；：負電源電壓；
：滿功率帶寬；：最大峰峰值輸出電壓。

行業(yè)文獻常標注 B 類放大器純阻性負載峰值工況下，理論最高效率可達 78%。但該結論完全不適用于壓電容性負載：理想壓電負載為無損耗無功元件，周期性充放電過程中不產生有功功耗。

純無功容性負載工況下，即便是理想 B 類放大器，能量轉換效率也趨近于零。負載回饋的無功能量，最終全部以熱能形式耗散在輸出級功率管內部。

核心原因在于：推挽上管僅能輸出灌電流、下管僅能吸收拉電流，供電電源無法反向吸收回饋能量。簡言之，負載工作時，功率管的漏源電流與漏源電壓同時非零，持續(xù)產生無用功耗。

該類熱損耗的影響程度視應用場景而定。微幅定點精密控制場景中，設備僅在緩慢變化的工作點附近小幅運動，B 類推挽級動態(tài)功耗顯著降低：

但大行程、高動態(tài)、高頻工作場景下，功耗會成為嚴重設計瓶頸。即便供電功率充足，大量散熱也會引發(fā)熱管理難題。
舉例：負載電容 、正負電源 ±150 V、滿功率帶寬 1 kHz 時，整機熱功耗高達 360 W。

即便配置大型散熱片、對流散熱方案可行，仍需精準核算功率管結殼熱阻，必要時采用多管并聯堆疊設計；同時需優(yōu)化印制電路板（PCB）與散熱器的熱連接結構。

以上僅為純 B 類工作狀態(tài)分析。AB 類架構中，推挽導通區(qū)間存在交疊，正負電源間會持續(xù)流過固定靜態(tài)偏置電流，以此消除交越失真，但代價是靜態(tài)功耗上升：

式中 為靜態(tài)偏置電流。
若設備存在體積、重量限制，AB 類 / B 類放大器往往難以滿足設計要求。

供電電源設計要求

結合功耗特性，進一步說明供電電源適配性。AB 類輸出級可直接適配通用標準開關電源，這是其核心優(yōu)勢之一。結合電源四象限工作模式（圖 3）可清晰解釋該特性。

圖 3 電源四象限工作模式

電源第二、四象限為能量吸收模式，并非所有通用電源都支持該功能。而壓電負載 AB 類輸出級無需電源具備能量回饋能力，僅需滿足兩項基礎條件：

1.電源最大輸出電流，高于負載峰值工作電流；

2.直流輸出電壓等級，匹配放大器所需電壓擺幅。

結合圖 2 電路：負載正向灌電流由正電源提供（第一象限工作），負載反向拉電流由負電源吸收（第三象限工作）。容性負載回饋的無功能量全部耗散于功率管，電源無需工作在能量吸收象限，大幅降低供電方案成本與復雜度。

全文總結

近年來，壓電作動器已成為精密定位系統的核心器件，可實現電能到機械位移的高精度轉換。穩(wěn)定、匹配的壓電放大驅動電路，是保障壓電元件正常工作的必要條件；定位系統的工況與性能指標，直接決定放大器的電路拓撲與功率規(guī)格。

本文為系列首篇，系統闡述了 AB 類壓電驅動輸出級的特性：
? 優(yōu)勢：線性度優(yōu)異、無開關紋波干擾；
? 短板：大行程、大容性負載、高帶寬工況下，熱損耗嚴重、熱管理壓力大。

對于工作點緩慢變化、需微幅高精度控制的小行程場景，AB 類輸出級是性價比極高的優(yōu)選方案，常應用于電壓反饋架構，可精準優(yōu)化系統頻域增益特性。

系列下篇將介紹D 類開關型輸出級，聚焦大功率壓電作動器的驅動方案；終篇將橫向對比 AB 類與 D 類架構，為壓電系統架構選型提供完整參考依據。

原文：

https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/evaluating-the-class-ab-output-stage-for-piezo-driver-design/

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