在半导体机械、扫描探针显微镜、光学、振动控制和纳米定位等 demanding 应用中，闭环控制是实现纳米级精度的关键。PDu150CL 将高压电源、精密应变调理电路、反馈控制器和超低噪声放大器集成在信用卡大小的封装中，为压电执行器提供完整的高分辨率开环或闭环控制解决方案。

核心特性

✅ 完整闭环解决方案：高压电源 + 应变调理 + 反馈控制器 + 超低噪声放大器
✅ 超低噪声：26 µV RMS（1µF负载，0.03 Hz 至 1 MHz）
✅ 高输出电流：峰值300mA，RMS 235mA
✅ 信用卡大小：89 × 40 × 44 mm，仅重80克
✅ 支持多种应变传感器：单元素、半桥、全桥
✅ 开环/闭环可选：灵活适应不同应用需求
✅ 可与 SCL 系列闭环堆叠执行器配对校准
✅ 全面保护：短路、过流、过温保护
✅ PCB安装版本：PDu150CL-PCB 可直接安装到主机主板

规格参数

连接图

操作说明

PDu150CL 可用于开环或闭环模式：

• 开环模式：输入信号直接连接到功率放大器。

• 闭环模式：输入信号作为反馈环路的指令信号。应变信号来自附着在压电或结构上的电阻应变片。

注意：放大器输出采用新型低噪声差分架构，不能连接到地，例如不能连接到接地示波器的地线。

输出电流

峰值输出电流为 300mA，最大平均电流为 105mA。

对于正弦波，平均正输出电流为：

I_av = (√2 / π) × I_rms = (1/π) × I_pk

电源电流

放大器静态功耗约为2W或85mA。通过开集电极电路将 Enable 引脚拉低，可降至<10mA。

I_s = 200 × (I_av + 0.010) / 24

满功率下最大电源电流为0.9A。

功率带宽

标称压摆率为 38 V/µs，因此150 Vp-p 正弦波的最大频率为 80 kHz。

对于电容性负载，功率带宽受输出电流限制：

f_pwr = I_pk / (π × V_L(p-p) × C_L)

小信号带宽

功率放大器噪声

输出噪声包含低频分量（0.03 Hz 至 10 Hz）和高频分量（10 Hz 至 1 MHz）。

最佳噪声性能通过被动冷却实现，因为风扇磁场可能在输出中引入mV级干扰。

低频噪声RMS值为 15 µV，峰峰值为 100 µV。

应变传感器规格

传感器连接

PDu150CL 兼容单元素应变传感器、半桥和全桥传感器配置。

• 单元素应变片：适用于温度稳定或优先考虑简单性的应用。需要三个与应变片电阻相等的 dummy 电阻。

• 半桥应变传感器：使用90度玫瑰图传感器，对温度变化有良好的抗扰性，分辨率比单元素提高约30%。需要两个 dummy 电阻。

• 全桥应变传感器：由两个90度玫瑰图传感器构成，对温度变化有良好的抗扰性，线性度最佳，分辨率是半桥的两倍，但需要更多接线。

PDu150CL 可与 SCL 系列闭环堆叠执行器配对校准购买。

传感器噪声与分辨率

传感器噪声由控制环路的互补灵敏度函数滤波，感兴趣的带宽通常为 0.1Hz 至 100Hz。

使用350Ω桥式电阻时，总输入参考噪声电压RMS值为 3µV，峰峰值为 20µV。

分辨率估算：

V_s = ½ × V_e × GF × ε × (1+ν)

其中 V_e 为激励电压（5V），GF 为应变片因子（约2），ε 为应变，ν 为泊松比（PZT5H为0.34）。对于0.1%的满量程应变，预期桥式电压为6.7mV。

分辨率 = 3µV / 6.7mV = 满量程的0.045%

传感器校准程序

校准桥式调理电路需要以下步骤，应在传感器和压电连接到 PDu150CL 的情况下进行：

平衡桥式

1. 将 PDu150CL 置于开环模式，向输入端施加0V或短路。

2. 在 S- 和 S+ 端子之间连接电压表（不要断开桥式）。

3. 调节 Bridge Balance 电位器，直到测量电压为零。

设置灵敏度和偏置

1. 将 Sensor Gain 电位器完全逆时针旋转（10圈）。

2. 确保 PDu150CL 处于开环模式，向输入端施加0V或短路。

3. 监测 SNS 端子，调节 Sensor Offset 电位器直到电压为零。

4. 向输入端施加7.5V，在压电上产生150V。

5. 监测 SNS 端子，调节 Sensor Gain 电位器直到电压为 +10V。

闭环操作

一旦传感器校准完成，PDu150CL 可置于闭环模式。

闭环灵敏度由应变传感器的灵敏度定义。例如，如果压电的满量程范围（FSR）为20µm，应变传感器校准为0V至10V，则闭环灵敏度为：

Sensitivity = FSR / 10V = 2 µm/V

校准反馈增益

反馈增益定义闭环带宽和系统建立时间。通常选择最低的满意反馈增益，以避免不必要的传感器噪声。

1. 将 Feedback Gain 电位器完全逆时针旋转（10圈）。

2. 将 PDu150CL 置于闭环模式，向输入端施加1Vp-p、5V偏置的三角波。

3. 用示波器监测输入信号和 SNS 端子，增加反馈增益直到开始出现超调。

对于不需要高速跟踪的应用，上述程序不需要。最小反馈增益即可。

余量（Headroom）

当传感器的满量程范围校准到压电的满量程范围时，需要考虑一些“余量”。为允许控制环路补偿热漂移和蠕变等效应，输入信号通常限制在 10% 至 90% 范围内，以便控制环路可利用剩余的10%。

示例应用

以下示例中，压电堆叠执行器（SCL050518）在闭环下操作。该执行器在150V下产生20µm位移，使用由两个90度玫瑰图构成的全桥应变传感器。

• PDu150CL 校准为：施加0V至150V电压对应0V至10V应变信号。

• 反馈增益选择为实现良好的10Hz满量程三角波跟踪性能。

开环和闭环响应（1Hz正弦波）： 观察到优异的迟滞补偿。

闭环定位噪声（0.03Hz至1MHz）： RMS值为 8.8 nm，50秒内峰峰值为 60 nm。

分辨率 = 8.8 nm / 20 µm = 满量程的0.044%

该值与“传感器噪声与分辨率”中的预测值一致。

过载保护 / 关断

PDu150CL 具有短路和平均电流过载保护。可通过开集电极或开漏电路将 Enable 引脚拉低来手动关断。

散热

热耗散约为：

P_d = 200 × (I_av + 0.010)

在低噪声和低功耗应用中，如果热耗散小于5W，自然对流足够。如果热耗散超过5W，建议外部气流5 CFM。外部风扇应距离模块80mm以上。

保修 / 支持

PDu150CL 模块在发货前经过全面测试，每个模块附有测试报告。用户负责确保正确设置和操作在规格范围内。无保修期。持续超出操作规格将损坏模块，需由用户自费更换。PDu150CL 模块不可维修。

高压安全警告

本产品产生高达 180 Vdc 的潜在致命电压。

请遵守低压安全预防措施：

• 使用受过低压救援培训的观察员

• 请勿在导体暴露的情况下操作

• 使用适当的标识

参考文献

[1] A Review of Nanometer Resolution Position Sensors: Operation and Performance; A. J. Fleming; Sensors and Actuators A: Physical; 2013, 190, 106-126

[2] Design, Modeling and Control of Nanopositioning Systems; A. J. Fleming & K. K. Leang; Springer, 2014

[3] Measuring and Predicting Resolution in Nanopositioning Systems; A. J. Fleming; Mechatronics; 2014, 24, 605-618

尺寸

安装柱接受 M2.5 螺丝。

PCB安装版本（PDu150CL-PCB）设计用于安装到主机主板。唯一区别是螺丝端子被排针（Harwin M20-9990645 和 M20-9990845）取代，安装在模块底部。推荐PCB孔径为1mm。

闭环控制，纳米级精度，信用卡大小的完整解决方案。

无论您需要用于半导体机械、扫描探针显微镜、光学、振动控制还是纳米定位，PDu150CL 都能提供灵活、可靠的高分辨率闭环控制解决方案。