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[導(dǎo)讀]摘要:設(shè)計(jì)了一個(gè)具有自動(dòng)增益控制(AGC)的電路來(lái)穩(wěn)定射頻功率振蕩器的輸出幅度,然而在加入AGC負(fù)反饋環(huán)路之后,該環(huán)路可能會(huì)產(chǎn)生自激振蕩,使得振蕩器輸出的幅度更加不穩(wěn)定。通過(guò)對(duì)整個(gè)電路系統(tǒng)傳遞函數(shù)的分析,采用

摘要:設(shè)計(jì)了一個(gè)具有自動(dòng)增益控制(AGC)的電路來(lái)穩(wěn)定射頻功率振蕩器的輸出幅度,然而在加入AGC負(fù)反饋環(huán)路之后,該環(huán)路可能會(huì)產(chǎn)生自激振蕩,使得振蕩器輸出的幅度更加不穩(wěn)定。通過(guò)對(duì)整個(gè)電路系統(tǒng)傳遞函數(shù)的分析,采用調(diào)節(jié)反饋電路中三極管發(fā)射極電阻阻值的方法,使該電路工作在穩(wěn)定的狀態(tài),進(jìn)而達(dá)到穩(wěn)定振蕩器輸出幅度的目的。
關(guān)鍵詞:振蕩器;射頻;自動(dòng)增益控制;傳遞函數(shù);穩(wěn)定性

    穩(wěn)定的振蕩幅度是振蕩器應(yīng)用的非常關(guān)鍵的指標(biāo),幅度穩(wěn)定技術(shù)往往都是高性能振蕩器需要采用的技術(shù),該技術(shù)在電子對(duì)抗、雷達(dá)、制導(dǎo)、衛(wèi)星跟蹤、宇宙通信及時(shí)間與頻率計(jì)量等領(lǐng)域中的應(yīng)用尤其重要。目前國(guó)內(nèi)外已有一些相關(guān)的技術(shù)用于實(shí)現(xiàn)振蕩幅度的自動(dòng)控制,一般所采用的方法是:通過(guò)比較器鑒別振蕩幅度超過(guò)一定值的點(diǎn)并通過(guò)運(yùn)算放大器等電路處理將超過(guò)的量轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)來(lái)調(diào)整振蕩幅度,或者是采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)來(lái)跟蹤振蕩輸出信號(hào)幅度的大小并生成對(duì)應(yīng)模擬量控制振蕩器偏流來(lái)調(diào)節(jié)輸出幅度。這些方法的基本思想都是通過(guò)一個(gè)負(fù)反饋電路,將振蕩器的輸出幅度信息轉(zhuǎn)變?yōu)榕c振蕩幅度成比例的控制量,來(lái)控制振蕩器的輸出幅度,然而加入負(fù)反饋電路之后,反饋環(huán)路很可能發(fā)生自激振蕩,從而影響輸出幅度,使得振蕩器輸出的幅度更加不穩(wěn)定,無(wú)法達(dá)到穩(wěn)定幅度的目的。這就要求對(duì)整個(gè)電路系統(tǒng)做穩(wěn)定性分析。
    本文設(shè)計(jì)了一個(gè)具有自動(dòng)增益控制的電路來(lái)穩(wěn)定射頻功率振蕩器的輸出幅度,通過(guò)對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)電路的傳遞函數(shù)分析,來(lái)避免反饋環(huán)路產(chǎn)生振蕩,使整個(gè)電路工作在穩(wěn)定的狀態(tài)。

1 主體電路的設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)原理框圖如圖1所示,AGC環(huán)路由峰值檢測(cè)器,低通濾波器,比較器以及控制信號(hào)產(chǎn)生器組成。振蕩器的輸出幅度被峰值檢測(cè)器檢測(cè)出后經(jīng)過(guò)低通濾波與參考電平進(jìn)行比較后產(chǎn)生控制信號(hào),通過(guò)控制振蕩器中功率MOSFET的柵源電壓來(lái)使得輸出的幅度穩(wěn)定。


    設(shè)計(jì)了一個(gè)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(xì)的電路設(shè)計(jì),本設(shè)計(jì)采用克拉潑(Clapp)振蕩器結(jié)構(gòu),功率MOSFET選取ARF461A,通過(guò)對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置,使振蕩器的工作狀態(tài)由起振時(shí)的AB類狀態(tài)滑到穩(wěn)定時(shí)的C類放大狀態(tài)。輸出的信號(hào)通過(guò)C8,C9分壓,送入LTC5507進(jìn)行峰值檢測(cè),檢測(cè)后的峰值信號(hào)經(jīng)運(yùn)放LM324與參考電壓進(jìn)行比較后產(chǎn)生控制電壓,控制電壓經(jīng)過(guò)放大后通過(guò)對(duì)三極管的控制,來(lái)調(diào)整振蕩幅度的變化。振蕩器幅度增大時(shí),G點(diǎn)電壓將會(huì)下降,ARF461A的柵源電壓將會(huì)降低,進(jìn)而調(diào)整輸出幅度,使其輸出減小。同理,當(dāng)幅度減小時(shí),ARF461A的柵源電壓會(huì)升高,輸出幅度將會(huì)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(cè)電路的傳遞函數(shù),A3為運(yùn)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(lái)的控制電壓為Ue,通過(guò)作用于三極管,來(lái)改變ARF461A的柵源電壓,進(jìn)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(yùn)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(shuō)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(gè)頻率ω0和ωd形成拍頻,輸出電壓的幅度隨時(shí)間的變化是一個(gè)二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng),對(duì)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(xì)節(jié),忽略高頻成分和(ω0-ωd)的諧波分量,設(shè)幅度關(guān)于時(shí)間t的函數(shù)為Up(t),其拉普拉斯變換為:

2.2 峰值檢測(cè)電路的傳遞函數(shù)
    峰值檢測(cè)電路等效成一個(gè)二極管和電容器電路,如圖5(a)所示。當(dāng)U1'>U2'時(shí),VD’導(dǎo)通,反則截止。C’兩端的電壓U2’由決定,而,假設(shè)R1'<<R2',在平衡狀態(tài)下二極管導(dǎo)通角為θD,iR1’在一個(gè)周期內(nèi)的平均值為:


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(guò)閉環(huán)特征方程各項(xiàng)的系數(shù)運(yùn)用勞斯判據(jù)來(lái)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(jí)電阻R5>1.02kΩ時(shí),系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。



3 系統(tǒng)穩(wěn)定性仿真驗(yàn)證
    運(yùn)用Pspice仿真軟件對(duì)系統(tǒng)電路進(jìn)行仿真。仿真時(shí),當(dāng)R5>1.8kΩ時(shí)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài),這與理論計(jì)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(shí)忽略了一些高頻成分和諧波分量。圖6為R5=2kΩ時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)的輸出波形,輸出幅度穩(wěn)定,其結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。圖7為R5=1kΩ時(shí)的輸出波形,此時(shí)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(duì)電路進(jìn)行穩(wěn)定性分析,本文重點(diǎn)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(guò)對(duì)設(shè)計(jì)電路的傳遞函數(shù)分析,采用勞斯判據(jù)來(lái)判斷電路是否穩(wěn)定,根據(jù)判斷結(jié)果,通過(guò)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(lái)使整個(gè)電路工作在穩(wěn)定的狀態(tài),進(jìn)而達(dá)到了穩(wěn)定振蕩器輸出幅度的目的。

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