功率放大器應用：什么是壓電陶瓷？
現(xiàn)如今，科技發(fā)展的腳步快到你難以想象，世界已然邁入了電子信息化時代，無論是在工業(yè)應用領域還是消費電子領域當中，壓電陶瓷都是未來個應用領域發(fā)展的一大方向。常和功率放大器打交道的你，提到這一領域，想必對壓電陶瓷技術都不陌生。沒錯，壓電陶瓷就是功率放大器的經(jīng)典應用方向之一，Aigtek今天想給各位工程師們科普的主角就是它，一起接著往下看吧~
什么是壓電陶瓷？
壓電陶瓷是一種能夠將機械能轉化為電能的半導體材料，其特點是能產(chǎn)生機械形變，其形變大小與其介質(zhì)本身的固有常數(shù)有關，這種特性使它能夠作為傳感器和驅動器。壓電陶瓷的組成材料一般包括鐵電相（主要是鐵酸鉍）、鐵酸鉛、鈦酸鋇和鋯鈦酸鉛等。
壓電陶瓷具有三個重要的物理性能：第一是能使機械形變發(fā)生；第二是在施加電場時產(chǎn)生位移；第三是在電場中，由于介電常數(shù)和介電損耗不同，還能產(chǎn)生電壓。
壓電陶瓷在機械能轉化為電能方面具有三大功能：第一是壓電效應，第二是壓電非線性效應，第三是壓電電致伸縮效應。其中以壓電效應應用最為廣泛，在機電換能、超聲波換能器等方面具有重要的作用。
壓電陶瓷的發(fā)展歷程
1880年，居里兄弟首先發(fā)現(xiàn)電氣石的壓電效應，從此開始了壓電學的歷史；
1881年，居里兄弟實驗驗證了逆壓電效應，給出石英相同的正逆壓電常數(shù)；
1894年，Voigt指出，僅無對稱中心的二十種點群的晶體才有可能具有壓電效應；
第一次世界大戰(zhàn)，居里的繼承人郎之萬，最先利用石英的壓電效應，制成了水下超聲探測器，用于探測潛水艇，從而揭開了壓電應用史篇章；
1947年，第二次世界大戰(zhàn)中，美國Roberts在BaTio3陶瓷上，施加高壓進行極化處理，獲得了壓電陶瓷的電壓性；
1955年，美國BJaffe等人發(fā)現(xiàn)了比BaTio3壓電性更優(yōu)越的PZT壓電陶瓷，促使壓電器件的應用研究又大大地向前推進了一大步；
70年代后期，聲表面波(SAW)的濾波器延遲線和振蕩器等SAW器件也取得了實用化。
80年代后期至今，人們研制出馳豫鐵電體陶瓷材料，在此基礎上有成功研制出馳豫鐵電體單晶材料，為三維超聲波成像奠定了基礎。
壓電陶瓷的工作原理
在壓電材料表面施加壓力可以產(chǎn)生電荷。這種直接壓電效應，也稱發(fā)電機或傳感器效應，將機械能轉換為電能。反之，施加一定電壓時，逆壓電效應可以改變此類材料的長度。這種促動器效應將電能轉換成機械能。單晶材料和多晶鐵電陶瓷中都可產(chǎn)生壓電效應。
在單晶中，晶格晶胞的不對稱結構，即低于居里溫度TC時形成的極軸，是產(chǎn)生這種效應的充分必要條件。此外，壓電陶瓷具有自發(fā)極化特性，即晶胞的正負電荷濃度相互分離。同時，晶胞的軸線沿自發(fā)極化。
壓電陶瓷的應用
壓電陶瓷因其壓電性及有壓電性引起的機電性能的多樣性，使得它在眾多領域都有著廣泛應用，目前壓電陶瓷與高壓放大器配合已應用于汽車電子、消費電子、航空航天、生物醫(yī)學、工業(yè)等眾多領域，很好的推動了各領域研究的發(fā)展。
應用案例：電壓放大器基于壓電陶瓷的光纖聲光移頻實驗中的應用
實驗內(nèi)容：利用高壓放大器對驅動電壓的放大實現(xiàn)壓電陶瓷的高效率振動，驅動電壓大幅增加，使得壓電陶瓷片振動強度大，其增強的聲光作用在光纖上產(chǎn)生有效的聲波傳輸和多普勒頻移。為了保證壓電陶瓷工作性能可靠，性能優(yōu)越的驅動放大器是關鍵。
基于模式選擇耦合器（MSC）和聲致光纖光柵（AIFG）制作了一種光纖模式轉換移頻器（MCFS）。基本原理是通過光纖中LP11纖芯模式轉換為基模的過程中，由于聲光效應產(chǎn)生多普勒頻移，可以直接得到一個500kHz-1MHz的低頻頻移分量。采用ATA-2022B高壓放大器對PZT進行放大，能夠實現(xiàn)對高頻PZT的有效驅動，放大倍數(shù)25倍，電壓能夠到100V，驅動頻率到5MHz，能夠很好的驅動PZT的高效振動，進而實現(xiàn)光纖上聲波的傳輸，產(chǎn)生有效的光纖彎曲和對光波的多普勒效應。
作為國內(nèi)測試儀器的民族品牌，安泰電子始終走在領域前沿，旗下自主研發(fā)生產(chǎn)的ATA-2000系列高壓放大器擁有DC-1MHz的帶寬，200Vpp~1600Vpp的輸出電壓范圍，40mA~500mA的電流輸出能力，是壓電陶瓷相關應用的動態(tài)驅動研發(fā)測試的理想選擇。
同時該系列功率放大器，可輸出理想的單端及差分信號，并設計了良好的過壓，過流，短路保護裝置，同時為了更好的為MEMS測試客戶應用，提供的完善的阻抗匹配網(wǎng)絡，方便用戶選擇對應的匹配阻抗。
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