本文設(shè)計了一個具有自動增益控制的電路來穩(wěn)定射頻功率振蕩器的輸出幅度,通過對整個設(shè)計電路的傳遞函數(shù)分析,來避免反饋環(huán)路產(chǎn)生振蕩,使整個電路工作在穩(wěn)定的狀態(tài)。
1 主體電路的設(shè)計
系統(tǒng)原理框圖如圖1所示,AGC環(huán)路由峰值檢測器,低通濾波器,比較器以及控制信號產(chǎn)生器組成。振蕩器的輸出幅度被峰值檢測器檢測出后經(jīng)過低通濾波與參考電平進行比較后產(chǎn)生控制信號,通過控制振蕩器中功率MOSFET的柵源電壓來使得輸出的幅度穩(wěn)定。
設(shè)計了一個頻率為13.56 MHz,輸出功率為100 W,諧振阻抗50 Ω,品質(zhì)因數(shù)Q=5的具有穩(wěn)幅功能的射頻功率振蕩器,圖2為詳細的電路設(shè)計,本設(shè)計采用克拉潑(Clapp)振蕩器結(jié)構(gòu),功率MOSFET選取ARF461A,通過對靜態(tài)工作點的設(shè)置,使振蕩器的工作狀態(tài)由起振時的AB類狀態(tài)滑到穩(wěn)定時的C類放大狀態(tài)。輸出的信號通過C8,C9分壓,送入LTC5507進行峰值檢測,檢測后的峰值信號經(jīng)運放LM324與參考電壓進行比較后產(chǎn)生控制電壓,控制電壓經(jīng)過放大后通過對三極管的控制,來調(diào)整振蕩幅度的變化。振蕩器幅度增大時,G點電壓將會下降,ARF461A的柵源電壓將會降低,進而調(diào)整輸出幅度,使其輸出減小。同理,當(dāng)幅度減小時,ARF461A的柵源電壓會升高,輸出幅度將會增加。
2 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示,A1為控制電壓與漏極電流基波分量之間的傳遞函數(shù),G1(s)為漏極電流基波分量與輸出幅度的傳遞函數(shù),A2為分壓系數(shù)等于1/50,G2(s)為峰值檢測電路的傳遞函數(shù),A3為運放的放大倍數(shù)等于6。
2.1 射頻功率振蕩器電路的傳遞函數(shù)
如圖2所示,設(shè)反饋回來的控制電壓為Ue,通過作用于三極管,來改變ARF461A的柵源電壓,進而改變漏極電流基波分量的大小。首先寫出Ue和基波分量Il的關(guān)系。運用折線分析法,功率管的漏極電流為:
其次,要寫出漏極基波電流分量Il與輸出幅度的傳遞函數(shù),如圖4所示。
式(10)說明,u(t)由角頻率為ω0的等幅正弦函數(shù)和頻率為ωd的衰減正弦函數(shù)合成,兩個頻率ω0和ωd形成拍頻,輸出電壓的幅度隨時間的變化是一個二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng),對應(yīng)的特征根為,如果只考慮輸出電壓的幅度,不關(guān)心高頻成分的細節(jié),忽略高頻成分和(ω0-ωd)的諧波分量,設(shè)幅度關(guān)于時間t的函數(shù)為Up(t),其拉普拉斯變換為:
2.2 峰值檢測電路的傳遞函數(shù)
峰值檢測電路等效成一個二極管和電容器電路,如圖5(a)所示。當(dāng)U1’>U2’時,VD’導(dǎo)通,反則截止。C’兩端的電壓U2’由決定,而,假設(shè)R1’<
2.3 電路系統(tǒng)的傳遞函數(shù)
系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)可寫成:
根據(jù)系統(tǒng)的傳遞函數(shù),寫出閉環(huán)特征方程后經(jīng)整理帶入具體的元器件值:R=50Ω,C=1.2 nF,R1’=200Ω,C’=1nF,θD=20,通過閉環(huán)特征方程各項的系數(shù)運用勞斯判據(jù)來判斷系統(tǒng)是否穩(wěn)定。勞斯表如表1所示,要使系統(tǒng)穩(wěn)定,(14.1-0.4K4)×107>0,即K4=(-A1)A2A3R<35.25,可解出,AGC環(huán)路中三極管射級電阻R5>1.02kΩ時,系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。
3 系統(tǒng)穩(wěn)定性仿真驗證
運用Pspice仿真軟件對系統(tǒng)電路進行仿真。仿真時,當(dāng)R5>1.8kΩ時系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài),這與理論計算值存在一些偏差,該偏差是可以接受的,產(chǎn)生偏差的原因可能是在推導(dǎo)傳遞函數(shù)時忽略了一些高頻成分和諧波分量。圖6為R5=2kΩ時系統(tǒng)穩(wěn)定時的輸出波形,輸出幅度穩(wěn)定,其結(jié)果符合設(shè)計要求。圖7為R5=1kΩ時的輸出波形,此時系統(tǒng)不穩(wěn)定,環(huán)路產(chǎn)生振蕩,影響了輸出幅度。
4 結(jié)論
為了避免AGC反饋環(huán)路產(chǎn)生自激振蕩,需要對電路進行穩(wěn)定性分析,本文重點分析了振蕩器諧振網(wǎng)絡(luò)以及峰值檢波電路的傳遞函數(shù),通過對設(shè)計電路的傳遞函數(shù)分析,采用勞斯判據(jù)來判斷電路是否穩(wěn)定,根據(jù)判斷結(jié)果,通過調(diào)節(jié)反饋電路中三極管的發(fā)射極電阻R5的阻值,避免AGC環(huán)路產(chǎn)生自激振蕩,來使整個電路工作在穩(wěn)定的狀態(tài),進而達到了穩(wěn)定振蕩器輸出幅度的目的。