压电驱动器D类输出级：设计与性能

压电作动器广泛应用于各类定位系统中。这类作动器依托逆压电效应工作，这是一种物理换能机制：压电材料在接收电荷作用时会产生机械作用力。

但我们无法将运动控制器直接与压电作动器相连，必须搭配压电放大器。压电放大器也常被称作压电驱动器，是整套压电控制系统的核心关键部件。

市面上有各类大功率压电放大器可供选型。本文为三篇系列文章的第一篇，将对比解析AB 类与D 类输出级架构在压电放大器应用中的优缺点。正如后续分析所示，两种架构不存在普适所有场景的万能方案。

本文将先介绍压电驱动器的核心设计要求，重点剖析 AB 类输出级，涵盖电路拓扑结构，以及该架构对压电放大器整体设计与性能的影响。下篇文章将聚焦 D 类输出级。系列文章完结后，读者可全面掌握两类输出级的核心性能取舍与典型适用场景。

压电驱动器的必要性

图 1 展示了精密定位系统中，压电放大器的典型安装与接入位置。

图 1 机械定位系统中压电放大器的典型布局

压电驱动器的核心作用是为压电负载输出驱动电信号。由于压电元件的形变程度与外加电荷量呈强关联，电荷放大器本是适配性最优的驱动方案。

但压电元件本质呈现容性负载特性，导致电荷与电压之间仅为准线性关系。本文讨论对象为电压型压电放大器：以数模转换器（DAC）输出的低压弱电信号为输入，经线性放大后输出高压驱动信号。

设计人员需结合实际工况评估电压放大器的适配性。尤其在无机械反馈的闭环场景下，容性压电负载的电荷 - 电压非线性特性，会显著降低电压型驱动方案的定位控制精度。

压电放大器关键性能指标

在分析驱动器输出级架构选型前，需先明确核心性能参数与设计约束。

前文已提及压电作动器具备容性阻抗特性，负载电容大小完全由压电元件规格决定：微型压电作动器电容仅为数纳法，而大型压电组件可达数十微法。容性负载会从多维度制约放大器设计，包括峰值电流驱动能力、动态响应特性、频率稳定性及无功功率损耗。

输出电压范围是另一项核心设计指标。压电作动器普遍需要宽范围高压驱动：双极性电压（-150 V ~ +150 V）、半双极性电压（-30 V ~ +150 V）为行业主流规格，千伏级高压压电器件也正逐步普及。驱动电压等级直接决定功率器件选型与供电电源方案。

最大输出电压摆幅，同步决定了输出级所需的电流驱动能力。满功率带宽定义了压电驱动器在无压摆率限制下，输出额定峰峰值正弦信号的最高工作频率。满功率带宽之上产生的动态非线性失真，根源在于输出级与供电系统的最大输出电流受限。三者定量关系如下：
等式1

式中： 为负载电容。

并非所有应用都需要高满功率带宽。部分精密场景中，设备仅需在环境振动干扰下保持微幅高精度定位，无高频、大行程运动需求，因此无需高满功率带宽，小信号带宽才是核心设计指标。

小信号带宽用于表征驱动器频响的线性动态特性。压电放大器输出级的传递函数会直接影响整机带宽，并塑造环路增益特性。关于环路增益与反馈系统增益的关联，可参考笔者另一篇文章《模拟电路 SLiCAP 设计入门》。

此外，所有压电驱动器都会在有效输出信号上叠加固有噪声，噪声主要来源于阻性元件与输出级有源功率器件。

纹波则是另一类有害杂散信号；与随机噪声不同，纹波属于确定性干扰信号。本系列后续介绍 D 类输出级时，将详细展开纹波特性分析。在光机系统等高精密领域，噪声与纹波抑制能力是设备选型的硬性指标。

AB 类输出级的设计与性能

基于上述基础参数，下文详细解析 AB 类驱动架构。带容性压电负载的 AB 类推挽输出级电路如图 2 所示。

该推挽架构应用广泛，原理与运算放大器输出级高度相似：上半部分为推挽上管，正电源向负载输出正向电流时导通工作；下半部分为推挽下管，负载向负电源泄放电流时导通工作。

若仅采用上述分时导通逻辑，该电路为纯 B 类放大器。实际工况中，正负电源之间会持续流过静态偏置电流，引入 A 类放大工作区间，整体构成AB 类输出级。

图 2 架构采用两只 NMOS 管，工作于饱和区。推挽上管的源极直接连接负载，因此该管需要搭配隔离栅极驱动电路，实现低压栅源信号驱动。

完整的压电驱动器通常由多级放大电路与电压反馈环路组成。本文虽仅聚焦输出级设计，但前级电路与反馈环路同样决定整机带宽与失真指标。

功耗与热管理

为理解 AB 类输出级工作原理，先拆解其 B 类工作区间的功耗特性。理想 B 类输出级周期性驱动容性负载、输出峰值电压时，总功耗计算公式：
等式2

参数说明：
：正电源电压；：负电源电压；
：满功率带宽；：最大峰峰值输出电压。

行业文献常标注 B 类放大器纯阻性负载峰值工况下，理论最高效率可达 78%。但该结论完全不适用于压电容性负载：理想压电负载为无损耗无功元件，周期性充放电过程中不产生有功功耗。

纯无功容性负载工况下，即便是理想 B 类放大器，能量转换效率也趋近于零。负载回馈的无功能量，最终全部以热能形式耗散在输出级功率管内部。

核心原因在于：推挽上管仅能输出灌电流、下管仅能吸收拉电流，供电电源无法反向吸收回馈能量。简言之，负载工作时，功率管的漏源电流与漏源电压同时非零，持续产生无用功耗。

该类热损耗的影响程度视应用场景而定。微幅定点精密控制场景中，设备仅在缓慢变化的工作点附近小幅运动，B 类推挽级动态功耗显著降低：
等式3

但大行程、高动态、高频工作场景下，功耗会成为严重设计瓶颈。即便供电功率充足，大量散热也会引发热管理难题。
举例：负载电容 、正负电源 ±150 V、满功率带宽 1 kHz 时，整机热功耗高达 360 W。

即便配置大型散热片、对流散热方案可行，仍需精准核算功率管结壳热阻，必要时采用多管并联堆叠设计；同时需优化印制电路板（PCB）与散热器的热连接结构。

以上仅为纯 B 类工作状态分析。AB 类架构中，推挽导通区间存在交叠，正负电源间会持续流过固定静态偏置电流，以此消除交越失真，但代价是静态功耗上升：
等式4

式中 为静态偏置电流。
若设备存在体积、重量限制，AB 类 / B 类放大器往往难以满足设计要求。

供电电源设计要求

结合功耗特性，进一步说明供电电源适配性。AB 类输出级可直接适配通用标准开关电源，这是其核心优势之一。结合电源四象限工作模式（图 3）可清晰解释该特性。

图 3 电源四象限工作模式

电源第二、四象限为能量吸收模式，并非所有通用电源都支持该功能。而压电负载 AB 类输出级无需电源具备能量回馈能力，仅需满足两项基础条件：

1.电源最大输出电流，高于负载峰值工作电流；

2.直流输出电压等级，匹配放大器所需电压摆幅。

结合图 2 电路：负载正向灌电流由正电源提供（第一象限工作），负载反向拉电流由负电源吸收（第三象限工作）。容性负载回馈的无功能量全部耗散于功率管，电源无需工作在能量吸收象限，大幅降低供电方案成本与复杂度。

全文总结

近年来，压电作动器已成为精密定位系统的核心器件，可实现电能到机械位移的高精度转换。稳定、匹配的压电放大驱动电路，是保障压电元件正常工作的必要条件；定位系统的工况与性能指标，直接决定放大器的电路拓扑与功率规格。

本文为系列首篇，系统阐述了 AB 类压电驱动输出级的特性：
✅ 优势：线性度优异、无开关纹波干扰；
❌ 短板：大行程、大容性负载、高带宽工况下，热损耗严重、热管理压力大。

对于工作点缓慢变化、需微幅高精度控制的小行程场景，AB 类输出级是性价比极高的优选方案，常应用于电压反馈架构，可精准优化系统频域增益特性。

系列下篇将介绍D 类开关型输出级，聚焦大功率压电作动器的驱动方案；终篇将横向对比 AB 类与 D 类架构，为压电系统架构选型提供完整参考依据。

原文

https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/design-and-performance-of-the-class-d-output-stage-for-piezo-drivers

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