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申请/专利权人：中国科学院苏州生物医学工程技术研究所

摘要：本发明提供负载驱动装置，包括信号缓冲单元、功放电路单元、反馈电路单元及相位检测单元；信号缓冲单元的输出端与功放电路单元电性连接，用于缓冲输入信号，并通过反馈电路单元提供的反馈信号对电路的闭环增益进行调制；相位检测单元，用于检测反馈信号与输入信号的相位差，并依此调整反馈电路，直至反馈信号与输入信号的相位一致。本发明还涉及一种用于驱动叉指电极的装置、叉指电极装置。本发明有效避免由容性负载引起的相位变化作用到反馈回路中，从而杜绝由此引起自激振荡的风险；本发明同时确保闭环增益的准确稳定，降低信号输出的失真。本发明电路设计合理，逻辑严谨，便于叉指电极相关领域推广应用。

主权项：1.负载驱动装置，其特征在于：包括信号缓冲单元、功放电路单元、反馈电路单元及相位检测单元；其中，所述信号缓冲单元包括第一缓冲输入端、第二缓冲输入端；所述第一缓冲输入端与输入信号电性连接，所述第二缓冲输入端与所述反馈电路单元电性连接；所述信号缓冲单元的输出端与所述功放电路单元电性连接，用于缓冲输入信号，并通过所述反馈电路单元提供的反馈信号对电路的闭环增益进行调制；所述功放电路单元，用于驱动信号的功率放大，所述功放电路单元输出至用于驱动负载；所述相位检测单元通过比较反馈信号与输入信号的相位获取相位差值，并以相位差值指导移相电路模块进行相位调制，直至驱动电路输出信号的反馈信号与输入信号相位一致；所述相位检测单元的判断相位一致的方法包括以下三种：方法一：通过鉴相器对相位差异的检测，当鉴相器输出电压为零时，判定反馈信号与输入信号的相位一致；方法二：通过比较器比较信号通过基线的“过零”时间点，作为比较信号的起始时间，当相位调制模块输出信号的“过零”时间点与输入信号的“过零”时间点一致时，判定反馈信号与输入信号的相位一致；方法三：将移相电路的输出信号与驱动电路输入信号归一化后做求导运算，当t＝0时刻取得极值时，判定反馈信号与输入信号的相位一致；隔离保护电路，所述隔离保护电路输入端与所述功放电路单元的输出端电性连接，所述隔离保护电路输出端与所述负载电性连接，用于驱动信号输出时与对所述负载进行隔离及自激振荡时进行过压保护。

全文数据：负载驱动装置、用于驱动叉指电极的装置、叉指电极装置技术领域本发明涉及功率放大电路领域，尤其涉及负载驱动装置、用于驱动叉指电极的装置、叉指电极装置。背景技术负载驱动广泛应用于电路领域，随着应用环境复杂与控制精度提升，对负载驱动的要求随之提高，确保输出稳定一直成为负载驱动电路的研发方向。例如，叉指电极在多个领域中有着广泛的应用，如在生物医学领域，通过驱动叉指电极产生超声波形成的驻波能够分离不同大小的细胞，从而对细胞形成操控。这一方法能够实现对兴趣细胞的筛选，提高兴趣细胞的样本纯度，为进一步的研究工作提供支撑和保障。目前叉指电极存在以下问题：因叉指电极是一种典型的容性负载，相较于一般的压电器件，其对于驱动电路的相位裕量要求更为苛刻；工作在最佳频率状态下的插指电极相当于主电容与谐振部分的并联电路，其电容特性会对驱动电路输出信号的相位产生影响，造成幅值反馈信号与输入信号间的相位差，从而影响驱动电路输出信号的精确性，给电极的驱动带来不利影响；同时，容性负载与驱动电路的输出阻抗结合会给电路引入新的极点，在影响驱动电路有效信号带宽的同时，还有着自激振荡的风险。传统的解决办法有反馈零点引入，噪声增益放大等方法。但这些提高相位裕量的方法又会牺牲功放的频谱响应宽度或带来信号失真等问题。如何在对叉指电极形成有效驱动的同时，避免信号失真及自激振荡是驱动叉指电极的关键，也是现有技术很难实现的部分。目前急需用于驱动叉指电极的功放装置来解决上述问题。发明内容为了克服现有技术的不足，本发明提出的负载驱动装置。本发明有效避免由容性负载引起的相位变化作用到反馈回路中，从而杜绝由此引起自激振荡的风险；本发明同时确保闭环增益的准确稳定，降低信号输出的失真。本发明提供负载驱动装置，包括信号缓冲单元、功放电路单元、反馈电路单元及相位检测单元；其中，所述信号缓冲单元包括第一缓冲输入端、第二缓冲输入端；所述第一缓冲输入端与输入信号电性连接，所述第二缓冲输入端与所述反馈电路单元电性连接；所述信号缓冲单元的输出端与所述功放电路单元电性连接，用于缓冲输入信号，并通过所述反馈电路单元提供的反馈信号对电路的闭环增益进行调制；所述功放电路单元，用于驱动信号的功率放大，所述功放电路单元输出至用于驱动负载；所述相位检测单元，用于检测反馈信号与输入信号的相位差，并依此调整反馈电路，直至反馈信号与输入信号的相位一致。优选地，还包括隔离保护电路，所述隔离保护电路输入端与所述功放电路单元的输出端电性连接，所述隔离保护电路输出端与所述负载电性连接，用于驱动信号输出时与对所述负载进行隔离及自激振荡时进行过压保护。优选地，所述隔离保护电路输出端还与所述反馈电路单元电性连接，用于通过反馈机制避免信号失真。优选地，所述信号缓冲单元采用满足信号带宽的电压反馈型放大器，所述第一缓冲输入端与所述第二缓冲输入端的输入信号为电压信号。优选地，所述功放电路单元采用开环放大电路。优选地，所述反馈电路单元包括相位调制模块、幅值反馈模块，所述相位调制模块包括移相电路模块，用于将输出的功率信号的反馈信号相位与输入信号的相位加以匹配；所述幅值反馈模块用于将相位调制后的反馈信号调制成所需幅值的电压信号。优选地，所述移相电路模块根据所述功放电路单元的负载情况对相位进行预设，设定模式包括0～180°及180～360°两种或0～90°、90～180°、180～270°、270～360°四种。优选地，所述幅值反馈模块通过改变放大器电路的闭环增益对通过相位调制后的反馈信号的幅值进行调制，使其与驱动电路的输出信号呈预设比例而不影响调制后信号的相位。优选地，所述相位检测单元通过比较反馈信号与输入信号的相位获取相位差值，并以相位差值指导移相电路模块进行相位调制，直至所述驱动电路输出信号的反馈信号与输入信号相位一致；所述相位检测单元的判断相位一致的方法包括以下三种：方法一、通过鉴相器对相位差异的检测，当鉴相器输出电压为零时，判定反馈信号与输入信号的相位一致；方法二：通过比较器比较信号通过基线的“过零”时间点，作为比较信号的起始时间，当所述相位调制模块输出信号的“过零”时间点与输入信号的“过零”时间点一致时，判定反馈信号与输入信号的相位一致；方法三：将移相电路的输出信号与驱动电路输入信号归一化后做求导运算，当t＝0时刻取得极值时，判定反馈信号与输入信号的相位一致。用于驱动叉指电极的装置，包括用于驱动叉指电极的负载驱动装置，其中，功放电路单元输出至用于驱动叉指电极的容性负载。一种叉指电极装置，包括用于驱动叉指电极的装置、叉指电极；所述用于驱动叉指电极的装置输入端接入驱动信号，输出端电性连接叉指电极，用于放大驱动信号的功率并驱动叉指电极的容性负载。相比现有技术，本发明的有益效果在于：本发明提供负载驱动装置，包括信号缓冲单元、功放电路单元、反馈电路单元及相位检测单元；其中，信号缓冲单元包括第一缓冲输入端、第二缓冲输入端；第一缓冲输入端与输入信号电性连接，第二缓冲输入端与反馈电路单元电性连接；信号缓冲单元的输出端与功放电路单元电性连接，用于缓冲输入信号，并通过反馈电路单元提供的反馈信号对电路的闭环增益进行调制；功放电路单元，用于驱动信号的功率放大，功放电路单元输出至用于驱动负载；相位检测单元，用于检测反馈信号与输入信号的相位差，并依此调整反馈电路，直至反馈信号与输入信号的相位一致。本发明还涉及一种用于驱动叉指电极的装置、叉指电极装置。本发明有效避免由容性负载引起的相位变化作用到反馈回路中，从而杜绝由此引起自激振荡的风险；本发明同时确保闭环增益的准确稳定，降低信号输出的失真。本发明电路设计合理，逻辑严谨，便于叉指电极相关领域推广应用。上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。附图说明此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：图1为本发明电路原理框图；图2为本发明在一实施例中的信号功率放大电路图；图3为本发明在一实施例中的反馈单元电路图；图4为本发明在另一实施例中的反馈单元电路图；图5为本发明在实施例1中的相位检测单元示意图；图6为本发明在实施例2中的相位检测单元示意图；图7为本发明在实施例3中的相位检测单元示意图。具体实施方式下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。负载驱动装置，如图1所示，包括信号缓冲单元、功放电路单元、反馈电路单元及相位检测单元；其中，信号缓冲单元包括第一缓冲输入端、第二缓冲输入端；第一缓冲输入端与输入信号电性连接，第二缓冲输入端与反馈电路单元电性连接；信号缓冲单元的输出端与功放电路单元电性连接，用于缓冲输入信号，并通过反馈电路单元提供的反馈信号对电路的闭环增益进行调制；功放电路单元，用于驱动信号的功率放大，功放电路单元输出至用于驱动负载；负载包括容性负载、感性负载；其中，容性负载包括但不限于叉指电极，感性负载包括但不限于磁场线圈。相位检测单元，用于检测反馈信号与输入信号的相位差，并依此调整反馈电路，直至反馈信号与输入信号的相位一致。在一优选实施例中，还包括隔离保护电路，隔离保护电路输入端与功放电路单元的输出端电性连接，隔离保护电路输出端与容性负载电性连接，用于驱动信号输出时与对容性负载进行隔离及自激振荡时进行过压保护。隔离保护电路输出端还与反馈电路单元电性连接，用于通过反馈机制避免信号失真。在本实施例中，信号经由电压反馈型放大器构成的信号缓冲单元结合经处理的反馈信号实现电路整体的闭环增益控制；而经过调制的信号通过功放电路单元形成驱动信号，并在隔离保护电路的幅值限制下输出给叉指电极的容性负载；同时驱动信号还会通过反馈回路及相位检测单元对其相位及幅值加以调制，以用做电路的反馈信号。在一实施例中，如图1所示，信号缓冲单元U1、功放电路U2及隔离保护电路U3、负载U4依次电性连接；信号缓冲单元采用满足信号带宽的电压反馈型放大器，第一缓冲输入端与第二缓冲输入端的输入信号为电压信号；如图2所示，信号缓冲单元U1由电压反馈型放大器A1、电阻R1、R2、R3、R4构成；其中，R1、R2用于输入信号的阻抗匹配，可以根据实际需要选择采用或精简。例如，对于50欧姆特征阻抗的信号馈线，R1与R2的阻值可选用50欧姆；R3、R4用于反馈信号幅值的进一步调整，可以预先设定好R3的值，并根据电路整体需要通过调整R4的值以实现精调。功放电路单元U2，功放电路单元采用开环放大电路，用于将信号功率进行放大。在本实施例中，如图2所示，功放电路单元U2采用放大器A2、电阻R5、R6简单构成；其中，A2可采用功率型放大器集成芯片也可采用三极管或场效应管构建功放电路，以形成足够的驱动能力；电阻R5用于前级信号与功放电路单元间的缓冲，并一定程度上抑制噪声信号的传递；电阻R6用于平衡功放电路的输入阻抗，并一定程度上抑制偏置电流。如图1所示，功放电路单元U2还独自配置有局部反馈，用于校正功放电路单元自身输出。隔离保护电路U3，如图2所示，由隔离电阻R8及保护器件P1构成；其中，R8为隔离电阻，用于驱动容性负载时调整电路极点位置，以保证电路的稳定性，同时由于R8具有一定的分压作用，且与容性负载构成低通滤波电路会对带宽产生一定的影响，故而一方面应在保证其效果的前提下尽量降低R8的阻值；另一方面则在构建功放电路单元U2时采用主极点频带较高或具备补偿接口的放大器；P1为电压型输出保护器件，可以采用瞬态抑制二极管TVS和或压敏电阻VDR构成，以避免初期反馈调节异常时引起自激损坏负载器件。如图2所示，容性负载即叉指电极在工作频率附近时的等效结构由CL、Cn、Rn、Ln构成，其中CL为主电容，Cn、Rn、Ln为具有机械损耗时的谐振模量的简化电路。该等效电路模型是引起功率信号相位变化的主要原因。反馈电路单元包括相位调制模块、幅值反馈模块，相位调制模块包括移相电路模块，用于将输出的功率信号的反馈信号相位与输入信号的相位加以匹配；幅值反馈模块用于将相位调制后的反馈信号调制成所需幅值的电压信号。移相电路模块根据功放电路单元的负载情况对相位进行预设，设定模式包括0～180°及180～360°两种或0～90°、90～180°、180～270°、270～360°四种。幅值反馈模块通过改变放大器电路的闭环增益对通过相位调制后的反馈信号的幅值进行调制，使其与驱动电路的输出信号呈预设比例而不影响调制后信号的相位。其中，0～180°或0～90°、90～180°用于驱动容性负载时反馈信号的相位调制，180～360°或180～270°、270～360°用于驱动感性负载时反馈信号的相位调制。在一实施例中，反馈电路单元U5，如图3、图4所示，两图中电路的移相角度适用范围不同，具体实施时依据容性负载对功率输出信号的相位影响预估选取相应的电路类型，再通过相位监测单元对相位角进行精确调整。图3所示为0-180°容性负载反馈信号相位调制，具体实施时由放大器A3、电阻R9、R10、R11、R12、R13、R14及电容C1简单构成；其中，R9、R10对输出功率信号进行电压取样，通过C1、R11、R12、R13实现相位及幅值的同步调整，其中相位主要通过调整R11的阻值实现，幅值则通过调节反馈电阻R13实现。图4所示为180°-360°感性负载反馈信号相位调制，具体实施时由放大器A4、电阻R15、R16、R17、R18、R19、R20及电容C2构成。其中对输出功率信号进行电压取样的为电阻R15、R16，C2、R17、R18、R19实现相位及幅值的同步调整，其中相位调整通过R17的阻值变化实现，幅值调节则通过电阻R13的阻值变化实现；更进一步地，R11或R17采用数字电位计以实现阻值变化的数字化控制，以实现更为精准，更为自动化的相位调制过程。在一实施例中，相位检测单元通过比较反馈信号与输入信号的相位获取相位差值，并以相位差值指导移相电路模块进行相位调制，直至驱动电路输出信号的反馈信号与输入信号相位一致；相位检测单元的判断相位一致的方法包括以下三种：方法一、通过鉴相器对相位差异的检测，当鉴相器输出电压为零时，判定反馈信号与输入信号的相位一致；例如：实施例1，如图5所示，通过鉴相器相位比较器监测输入信号及反馈信号间的相位差，并检测其输出电压信号，当信号幅值表示两者间无相位差时，可认为经调制的反馈信号相位与输入信号VIN一致，可用于闭环增益控制。在本实施例中可采用商业化集成电路芯片，稳定简单，同时配置信号幅值调制电路及模数转换电路等外围电路。方法二：通过比较器比较信号通过基线的“过零”时间点，作为比较信号的起始时间，当相位调制模块输出信号的“过零”时间点与输入信号的“过零”时间点一致时，判定反馈信号与输入信号的相位一致；例如：实施例2，如图6所示，将信号通过低通滤波电路提取其基线，并将基线信号输入比较器的第一输入端，将信号输入比较器的第二输入端，当信号幅值通过基线时，比较器输出高电平，将此时刻计为该信号的“过零”时间点。将反馈信号与输入信号进行上述处理，通过逻辑芯片记录两信号“过零”时间点间的时钟脉冲数，当两者间脉冲数为零时可认为反馈信号的相位与输入信号一致。应用本实施例方法简单高效，但检测精度受制于逻辑芯片的时钟输入信号，尤其对于高频信号的检测。方法三：将移相电路的输出信号与驱动电路输入信号归一化后做求导运算，当t＝0时刻取得极值时，判定反馈信号与输入信号的相位一致。例如：实施例3，如图7所示，通过两个模数转换器ADC分别记录输入信号及反馈信号的时变曲线，对两曲线分别进行归一化处理后进行相关运算。当运算结果的极值位于t＝0时刻时，表明两信号相互重叠即相位一致。本实施例通过逻辑芯片器件自带模块实现相关功能，对于外围电路的依赖较少，且通过相关运算对相位的判断更为精准。本发明针对叉指电极的电气特点及驱动需求，设计一种功率放大电路，一方面避免了由容性负载引起的相位变化作用到反馈回路中引起自激振荡的风险，另一方面，能够保证闭环增益的准确稳定，降低信号输出的失真。用于驱动叉指电极的装置，包括用于驱动叉指电极的负载驱动装置，其中，功放电路单元输出至用于驱动叉指电极的容性负载。一种叉指电极装置，包括用于驱动叉指电极的装置、叉指电极；用于驱动叉指电极的装置输入端接入驱动信号，输出端电性连接叉指电极，用于放大驱动信号的功率并驱动叉指电极负载。以上，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上而顺畅地实施本发明；但是,凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时,凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。

权利要求：1.负载驱动装置，其特征在于：包括信号缓冲单元、功放电路单元、反馈电路单元及相位检测单元；其中，所述信号缓冲单元包括第一缓冲输入端、第二缓冲输入端；所述第一缓冲输入端与输入信号电性连接，所述第二缓冲输入端与所述反馈电路单元电性连接；所述信号缓冲单元的输出端与所述功放电路单元电性连接，用于缓冲输入信号，并通过所述反馈电路单元提供的反馈信号对电路的闭环增益进行调制；所述功放电路单元，用于驱动信号的功率放大，所述功放电路单元输出至用于驱动负载；所述相位检测单元，用于检测反馈信号与输入信号的相位差，并依此调整反馈电路，直至反馈信号与输入信号的相位一致。2.如权利要求1所述的负载驱动装置，其特征在于：还包括隔离保护电路，所述隔离保护电路输入端与所述功放电路单元的输出端电性连接，所述隔离保护电路输出端与所述负载电性连接，用于驱动信号输出时与对所述负载进行隔离及自激振荡时进行过压保护。3.如权利要求2所述的负载驱动装置，其特征在于，所述隔离保护电路输出端还与所述反馈电路单元电性连接，用于通过反馈机制避免信号失真。4.如权利要求1-3任一项所述的负载驱动装置，其特征在于：所述信号缓冲单元采用满足信号带宽的电压反馈型放大器，所述第一缓冲输入端与所述第二缓冲输入端的输入信号为电压信号；所述功放电路单元采用开环放大电路。5.如权利要求1-3任一项所述的负载驱动装置，其特征在于：所述反馈电路单元包括相位调制模块、幅值反馈模块，所述相位调制模块包括移相电路模块，用于将输出的功率信号的反馈信号相位与输入信号的相位加以匹配；所述幅值反馈模块用于将相位调制后的反馈信号调制成所需幅值的电压信号。6.如权利要求5所述的负载驱动装置，其特征在于：所述移相电路模块根据所述功放电路单元的负载情况对相位进行预设，设定模式包括0～180°及180～360°两种或0～90°、90～180°、180～270°、270～360°四种。7.如权利要求5所述的负载驱动装置，其特征在于：所述幅值反馈模块通过改变放大器电路的闭环增益对通过相位调制后的反馈信号的幅值进行调制，使其与驱动电路的输出信号呈预设比例而不影响调制后信号的相位。8.如权利要求5所述的负载驱动装置，其特征在于，所述相位检测单元通过比较反馈信号与输入信号的相位获取相位差值，并以相位差值指导移相电路模块进行相位调制，直至所述驱动电路输出信号的反馈信号与输入信号相位一致；所述相位检测单元的判断相位一致的方法包括以下三种：方法一、通过鉴相器对相位差异的检测，当鉴相器输出电压为零时，判定反馈信号与输入信号的相位一致；方法二：通过比较器比较信号通过基线的“过零”时间点，作为比较信号的起始时间，当所述相位调制模块输出信号的“过零”时间点与输入信号的“过零”时间点一致时，判定反馈信号与输入信号的相位一致；方法三：将移相电路的输出信号与驱动电路输入信号归一化后做求导运算，当t＝0时刻取得极值时，判定反馈信号与输入信号的相位一致。9.用于驱动叉指电极的装置，其特征在于：包括用于驱动叉指电极的如权利要求1所述的负载驱动装置，其中，功放电路单元输出至用于驱动叉指电极的容性负载。10.叉指电极装置，其特征在于：包括如权利要求9所述的用于驱动叉指电极的装置、叉指电极；所述用于驱动叉指电极的装置输入端接入驱动信号，输出端电性连接叉指电极，用于放大驱动信号的功率并驱动叉指电极负载。

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