（物理电子学专业论文）功率mosfet射频振荡器稳定性的研究.pdf

摘要 摘要 振荡器伴随着科技的发展，已经广泛的应用于各类电子产品中，它的发展 也逐渐呈现出多元化的趋势，其中大功率、高频化的振荡器是其发展的一个重 要方向，这种振荡器能够产生功率较大的射频能量，用于等离子体源的激发、 热处理装置以及大功率发射机等众多领域。振荡器实现将直流能量转化为交流 能量的功能主要是由射频功率放大电路完成的，放大电路也随之呈现出大功率、 高频化、高效率的发展趋势，这对其核心的功率器件提出了更高的要求，本课 题选用功率m o s f e t 作为功率器件，它广泛应用于中、高频范围，在频率超过m h z 的领域范围内其它器件无法替代。 本论文主要的任务是设计一个具有幅度稳定功能的功率m o s f e t 射频振荡 器，要实现振荡器输出幅度稳定，通常采用负反馈控制的方法，将振荡器输出 的幅度转变为与之相对应的控制信号，通过反馈控制来实现振荡器输出幅度的 稳定。然而，负反馈电路虽然能够改良振荡电路的性能，但是它也可能产生自 激振荡，该振荡可能会使输出幅度比没有加负反馈电路前更加不稳定，使振荡 器输出类似于调幅波的波形，无法达到稳幅的目的，面对这个问题，就要求对 整个振荡电路做稳定性的分析，找出调整电路的方法，避免反馈环路产生白激 振荡，从而达到稳幅的目的。 本文主要从三个方面进行了电路的分析和设计。首先，设计了一个输出功 率为1 0 0 w ，频率为1 3 5 6 m h z 的射频功率振荡器，通过对静态工作点的设置， 使振荡电路由起振时的a b 类工作状态转变到稳定振荡时的c 类工作状态；其 次，采用自动增益控制( a g c ) 电路，通过将检测出的振荡器输出幅度转化为 与之相对应的控制量，通过控制功率m o s f e t 的栅源电压来使射频功率振荡器 输出的幅度稳定；第三，通过对整个设计电路的传递函数分析，采用劳斯判据 来判断电路是否稳定，根据判断结果，采用调节反馈电路中三极管发射极电阻 阻值的方法，避免a g c 环路产生自激振荡，使整个电路工作在稳定的状态，从 而达到了稳定振荡器输出幅度的目的。 关键词：振荡器射频幅度稳定自动增益控制传递函数稳定性 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , o s c i l l a t o rh a sb e e nw i d e l yu s e d i nv a r i o u se l e c t r o n i cp r o d u c t s a n dt h ed e v e l o p m e n to fo s c i l l a t o ri sp r e s e n t i n gt h e d i v e r s i f i e dt r e n d s ，a m o n gw h i c ho s c i l l a t o rw i t hh i g h p o w e ra n dh i g hf r e q u e n c yi sa n i m p o r t a n td e v e l o p m e n td i r e c t i o n t h i sk i n do fo s c i l l a t o r c a np r o d u c eh i g h e rr f e n e r g yt h a tc a nb eu s e di nm a n yf i e l d s ，l i k ee x c i t i n go fp l a s m as o u r c e ，h e a tt r e a t m e n t d e v i c e ，h i g h p o w e r e dt r a n s m i t t e ra n de t c o s c i l l a t o r sf u n c t i o nt ot r a n s i td c t oa c e n e r g yf o r mi sr e a l i z e db yr fp o w e ra m p l i f i e rc i r c u i t ，w h i c hi sa l s op r e s e n t i n gh i g h p o w e r , h i g hf r e q u e n c ya n dh i g he f f i c i e n c yt r e n d ，w h i c hp u tf o r w a r dh i g h e rr e q u e s tt o t h ec o r ep o w e rd e v i c e t h i sp a p e rt a k et h ep o w e rm o s f e ta st h ep o w e rd e v i c e ， w h i c hi sw i d e l yu s e di nm e d i u ma n dh i g hf r e q u e n c yr a n g ea n dc a nn o tb er e p l a c e db y o t h e rd e v i c e si nt h ef r e q u e n c yr a n g eo v e rt h em h zf r e q u e n c y t h em a i nt a s ko ft h i st h e s i si st od e s i g nar fp o w e rm o s f e to s c i l l a t o rw h i c h h a s t h es t a b l ea m p l i t u d ef u n c t i o n t or e a l i z et h es t a b i l i t yo fo s c i l l a t o ro u t p u t a m p l i t u d e ，t h em e t h o do fn e g a t i v ef e e d b a c k i s u s u a l l ya d o p t e d ，w h i c hc h a n g e s o s c i l l a t o r so u t p u ta m p l i t u d ei n t ot h ec o r r e s p o n d i n gc o n t r o ls i g n a l ，a n dr e a l i z e st h e s t a b i l i t yo fo u t p u ta m p l i t u d eb y f e e d b a c kc o n t r o l l i n g t h o u g h ，t h en e g a t i v ef e e d b a c k c i r c u i tc a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h eo s c i l l a t i n gc i r c u i t ，i tc a ne m e r g et h e p h e n o m e n o no fs e l f - e x c i t e do s c i l l a t i o nw h i c hc o u l dm a k et h eo u t p u to fa m p l i t u d e m o r eu n s t a b l et h a nt h ec i r c u i tw i t h o u tn e g a t i v ef e e d b a c k ，m a k et h eo s c i l l a t o r a m p l i t u d ew a v eo u t p u ts i m i l a rt o t h ew a v e f o r mo fm o d u l a t i o nw a v e ，a n dc a n n o t r e a c ht h ep u r p o s eo fs t e a d ya m p l i t u d eo u t p u t c o n f r o n t e dw i t ht h i sp r o b l e m ，t h e w h o l es y s t e mo fo s c i l l a t i n gc i r c u i ts h o u l db ea n a l y z e df o rs t a b i l i t y , f i n d i n go u tt h e m e t h o do f a d j u s t i n gc i r c u i tt or e a c ht h ep u r p o s eo fs t e a d ya m p l i t u d eo u t p u t t h ec i r c u i ti sm a i n l ya n a l y z e da n dd e s i g n e df r o mt h r e ea s p e c t si nt h i sa r t i c l e f i r s t l y , ah i g h - p o w e ro s c i l l a t o rw i t hf r e q u e n c y1 3 5 6 m h z a n do u t p u tp o w e r1 0 0 wi s d e s i g n e d t h r o u g hs e t t i n gt h es t a b l ew o r k i n gp o s i t i o n ，t h ew o r k i n gs t a t eo ft h e o s c i l l a t o ri st r a n s i t e df r o mc l a s s a ba ts t a r t i n g - - o s c i l l a t i n gm o m e n tt oc l a s s - - ca ts t a b l e o s c i l l a t i n gm o m e n t s e c o n d l y , u s i n ga na u t o m a t i cg a i n c o n t r o lc i r c u i t ，t h r o u g h t r a n s i t i n gt h eo u t p u ta m p l i t u d eo ft h eo s c i l l a t o ri n t ot h ec o r r e s p o n d i n gc o n t r o l l i n g p a r a m e t e r , c o n t r o l l i n gt h eg a t e s o u r c ev o l t a g eo ft h ep o w e rm o s f e t , i tc a nm a k et h e o u t p u ta m p l i t u d eo fr fp o w e ro s c i l l a t o rs t a b l e t h i r d l y , b ya n a l y z i n go ft h ew h o l e d e s i g n e dc i r c u i t 。t r a n s f e rf u n c t i o na n da d o p t i n gr o y c ec r i t e r i o n ，i tc a nj u d g et h a t w h e t h e rt h ec i r c u i ti ss t a b l eo rn o t a c c o r d i n gt ot h e j u d g m e n t ，b ya d j u s t i n gt r a n s i s t o r e m i t t e rr e s i s t a n c e sv a l u ei nf e e d b a c kc i r c u i t ， s e l f - e x c i t e do s c i l l a t i o nc a nb ea v o i d e d i na g c l o o p ，w h i c hm a k e st h ew h o l ec i r c u i tw o r ki ns t a b l es t a t e ，a n d 如r t h e rr e a l i z e s t h ep u r p o s eo fs t a b l ea m p l i t u d eo u t p u to ft h e o s c i l l a t o r k e yw o r d s ：o s c i l l a t o r , r a d i o - f r e q u e n c y , a m p l i t u d es t a b i l i t y , a u t o m a t i cg a i nc o n t r o l ， t r a n s f e rf u n c t i o n ，s t a b i l i t y i i i l 绪论 1绪论 振荡器是自动地将直流能量转换为具有一定波形参数的交流振荡信号的装 置。它从诞生之r 至今，已经历时1 个多世纪，伴随着科技的发展，振荡器的 发展逐渐呈现出多元化的趋势，其中大功率、高频化的振荡器是其发展的一个 重要方向。而稳定的振荡幅度足振荡器应用的非常关键的指标，幅度稳定技术 往往都是高性能振荡器需要采用的技术。本论文主要的任务是设计一个具有幅 度稳定功能的功率m o s f e t 射频振荡器。 1 1 振荡器的历史与发展 振荡器作为最基本的电路最早出现在1 9 1 2 年，此时的振荡器使用真空电子 管，通过输入与输出电路之间的电磁耦合将输出的能量提供给输入端，以保持 整个振荡器的持续振荡，其振荡频率等于谐振回路的频率；此时的振荡器采用 的都是变压器耦合方式，这种方式有两种结构形式，一种是a r m s t r o n g 振荡裂， 该振荡结构被用于a r m s t r o n g 发明的世界上第一台超外差接收机中，在该接收机 中，混频器将其它输入的信号与振荡器产生的j 下弦波相乘得到了频率变换的信 号，其电路结构如图1 1 所示，它是带有在输入与输出实现电磁耦合的并联谐振 电路的振荡器结构；与此同时，德国的m e i s s n e r 提出了另一种振荡拓扑结构， 它是用在输出与输入实现电磁耦合的并联谐振电路的变压器耦合振荡器，如图 1 2 所示，这种振荡结构被称为m e i s s n e r 振荡器【2 】。 c 图1 1a r m s t r o n g 振荡器电路结构图1 2m e i s s n e r 振荡器电路结构 上世纪4 0 年代末，振荡器技术伴随着半导体器件的发明，又产生了新一轮 的技术变革，在1 9 6 0 至1 9 8 0 年期间产生了一大批优秀的电路拓扑结构，比如 h a r t l e y 振荡器，c o l p i t t s 振荡器，以及s e i l e r 振荡器，c l a p p 振荡器，这些振荡 l 绪论 器的电路结构沿用至今。h a r t l e y 将振荡器结构进行了一系列的改进，创造出属 于自己的振荡器拓扑结构，称为h a r t l e y 振荡器，此拓扑结构与m e i s s n e r 振荡器 电路非常相似p j ，不同之处在于h a r t l e y 振荡器的电感l 有一个附加的输入端来 代替变压器，运用电感反馈来获得反馈信号，其结构图如图1 3 ( a ) 所示；众所 周知的电感三点式也可以用米表示h a r t l e y 振荡器，其结构如图1 3 ( b ) 所示， h a r t l e y 振荡器电路结构是信号发生电路的一次伟大突破，得到了广泛的推广和 运用。 c c ( a )( b ) 图1 3h a r t e y 振荡器电路结构 l 1 同h a r t l e y 振荡器采用电感反馈来获得输入信号不同，c o l p i t t s 振荡器通过电 容反馈来获得输入信号，如图1 4 ( a ) 所示【4 1 。我们所熟知的电容三点式也可以 用来表示c o l p i t t s 振荡器，其结构如图1 4 ( b ) 所示。 l l c 1 ( a ) ( b ) 图1 4c o l p it t s 振荡器电路结构 c 2 c l a p p 振荡器是c o l p i t t s 振荡器的改进形式，为了稳定振荡器的频率，将 c o l p i t t s 振荡器的谐振电感变成由可变电容g 和电感l 串联组成的电路结构，此 结构之所以能够稳定振荡器的频率，是因为与单个电感相比，它的电抗值随频 率变化的更快，c l a p p 振荡器电路图如图1 5 所示。在c l a p p 振荡器的基础上， 在电感l 上并联一个可变电容，这样可以改变振荡频率，这样结构的振荡器有 2 1 绪论 着较宽的频率调节范嗣，这种振荡器叫做s e i l e r 振荡器，其电路图如图1 6 所示。 c v 图1 5c l a p p 振荡器电路结构图1 6s e i l e t 振荡器电路结构 v a c k a r 振荡器是c l a p p 振荡器的改进形式，如图1 7 所利5 】【6 】，该电路拓扑 结构有着较宽的频率调节功能，输出幅度比较恒定且可能拥有覆盖全部调谐范 围的振荡器品质因数的最人值。 l c v l c v 2 图1 7v a c k a r 振荡器电路结构 在设计功率放大器时，为了增强输出的功率，晶体管经常采用推挽式结构， 这种思想也可以用来设计振荡器。如图1 8 ( a ) 所示，该电路是以两个单端 m e i s s n c r 振荡器为基础构成的，其中晶体管交替接通和断开，由于有一个晶体管 的栅极电压与另一个晶体管的漏极电压同相，所以不需要利用次级线圈翻转相 位。而图1 8 ( b ) 所示的电路是以两个单端s e i l e r 振荡器电路结构为基础构成的。 l 绪论 c 图1 8 推挽式振荡结构 1 2 振荡器大功率问题的提出 伴随着科技的发展，振荡器的发展逐渐呈现出多元化的趋势，已经广泛的 应用于发射机、接收机、导航、雷达、医疗仪器、计算与测量仪器等各类电子 产品中【丌，其中大功率、高频化的振荡器是其发展的一个重要方向，例如：在无 线通信领域，发射机中所需要的载波正弦电压信号频率越来越高；在一些医疗 仪器和热处理装置中，负载热处理所需要的能量就是高频大功率的电制8 1 。高频、 大功率的振荡电路也正是本文所要研究的内容之一。 众所周知，射频功率放大电路与正反馈环路共同构成了射频功率振荡器， 因为功率的转化是由射频功率放大电路完成的，所以对功率放大器件的要求与 普通的放大器件有着本质的区别，这罩要求的功率放大器件控制的功率相对较 大，这就需要器件具备能够承受足够大的电流值和足够高的耐压值的能力，除 此之外，还要求功率器件具有一定的开关速度以及工作频率，这样才能使器件 的功率损耗降低，才能使放大电路正常工作，根据这些要求，可以选取功率 m o s f e t 作为放大器件，与其它元器件对比，它有着开关损耗小、热稳定性优 良、高频性能好、输入阻抗高、开关速度高、驱动电路简单、驱动功率小、无 二次击穿等优点。功率m o s f e t 是一种电压控制型器件，其漏极电流的大小可 以通过控制它的栅源电压得到改变，它的应用非常广泛，尤其是在中、高频范 围，在频率超过m h z 的应用领域中，它是其它器件所不能代替的【9 】。 本文所要设计的射频功率振荡器，实际上是在频率很高的条件下实现直流 能量转变为交流能量的大功率转换过程，而这其中关键的电路就是承担着能量 4 l 绪论 变化功能的功率放大电路，且在功率放大电路上耗散的功率直接影响着整个振 荡器转换能量的这种效率，设直流供电电源的功率为昂，圪其中的一部分被功 率管消耗掉了，消耗掉的这部分功率为最，另一部分则变成了输出的功率易， 则功率管的效率为： ，7 ：墨：j l( 1 ) 1 “ 弓只+ 只 从式( 1 1 ) 中可知，要想提高珑的值，就要减少耗散功率p 的值，设管子 的漏极( 集电极) 导通角为口，电压为y ，电流为f ，那么： 足= 瓦1 f v d m t = l f o f v d c a t ( 1 2 ) 由式( 1 2 ) 可知，秒值越高，耗散功率越大，反之，口值越小，e 值越 小，按照导通角目的不同，功率放大电路可工作在不同的状态下。当秒= 1 8 0 。时， 效率为5 0 ，此时对应的工作状态为a 类工作状态；当9 = 9 0 。时，效率为7 8 5 ， 对应的工作状态为b 类工作状态；当9 0 。 秒 1 8 0 。时，效率大于5 0 d , 于7 8 5 ， 此时对应的工作状态为a b 类工作状态；当0 9 0 。时，效率大于7 8 5 ，此时 对应的工作状态为c 类工作状裂1 0 j 。一般大功率的振荡电路都设计在c 类工作 状态下。 1 3 振荡器幅度稳定问题的提出 随着振荡器的广泛应用，特别是在射频和高速的应用场合，稳定的振荡频 率、振荡幅度以及低噪声的信号输出性能都是振荡器运用的重要指标，除此之 外，振荡器还应该具有环境稳定性，顾名思义，环境稳定性是指振荡器的输出 信号的频率、幅度和相位噪声性能等一些指标不随温度的升高或者其它外界环 境的变化而发生较大的变化。根据设计振荡器的原理可知，振荡器的幅度稳定 有助于提高频率稳定，要使振荡器的噪声性能达到最佳，最重要的因素也还是 振荡器幅度的稳定【l ，因此，幅度稳定技术对设计高性能的振荡器来说非常重要， 且在一些特殊的应用场合，该技术更是得到了广泛的应用，例如：时间与频率 的计算、雷达、制导、电子对抗、宇宙通信和卫星跟踪等领域。 目前，国内外要实现振荡器输出幅度的稳定，通常采用的技术是：运用负 反馈技术，采用数模转换( d a c ) 或者模数转换( a d c ) 来测量振荡器输出幅 度的值，从而生成与之对应的控制信号，进而调节振荡器的偏置电流来控制幅 1 绪论 度的稳定【l2 】；或者采用比较器将输出幅度信号与一个基准信号比较，将比较结 果转化为控制信号来控制振荡器的输出幅度f 1 3 】f 1 4 】【1 5 1 。 目前实现振荡器输出幅度稳定所采用的方法和基本原理都足采用负反馈控 制电路，将测量得到的输出幅度的值生成与之对应的控制信号，进而来控制输 出信号的幅值。然而，负反馈电路虽然能够改良振荡电路的性能，但是它也可 能产生自激振荡【1 6 1 ，该振荡可能会使得输出幅度比没有加负反馈前更加不稳定， 输出类似于调幅波的波形，无法达到稳幅的目的，面对这个问题，就要求对整 个振荡电路做稳定性分析，找出调整电路的方法，避免反馈环路产生自激振荡， 从而达到稳幅的目的。 1 4 本文的主要工作 本课题核心的工作主要分为三个部分：设计一个功率m o s f e t 射频振荡器； 设计该振荡电路的幅度稳定电路；分析整体电路的稳定性，避免反馈环路产生 自激振荡，使电路处于稳定的工作状态下。具体的电路设计和工作安排如下所 示： ( 1 ) 功率m o s f e t 射频振荡器电路的设计：首先采用c l a p p 振荡电路结构， 设计了一个输出功率为1 0 0 w ，频率为1 3 5 6 m h z 的射频功率振荡器，然后通过 对静态工作点的设置，使振荡电路由起振时的a b 类工作状态转变到稳定振荡时 的c 类工作状态【 j 。 ( 2 ) 振荡器幅度稳定电路的设计：设计采用自动增益控制( a g c ) 电路， 通过将检测出的振荡器输出幅度转化为与之相对应的控制量，从而控制功率 m o s f e t 的栅源电压来使得射频功率振荡器输出的幅度稳定( i 引。 ( 3 ) 整体电路稳定性的分析：为了避免振荡器的反馈a g c 环路发生自激 振荡，使其输出幅度比没有加a g c 负反馈电路前更加不稳定，需要对整体电路 进行传递函数的稳定性分析计算【l9 1 ，通过分析计算，找出使振荡器处于稳定状 态下的条件，通过调整电路使整体电路工作在稳定的状态下。 在系统分析设计完成之后，运用p s p i c e 电路仿真软件对电路进行建模仿真， 并验证设计分析的正确性。 6 l绪论 1 5 本章小结 本章首先介绍了课题的应用背景、振荡器的发展历史、振荡电路结构的发 展变化以及大功率、高频化的振荡器的发展方向。其次，提出了稳定振荡器输 出幅度的重要性，以及现阶段所采用的方法和分析其系统稳定性的必要性。最 后，介绍了本文所做的核心工作。 7 2 具有稳幅功能的射频功率振荡器的改汁腻理 2 具有稳幅功能的射频功率振荡器的设计原理 2 1 振荡器的设计原理 振荡器是在没有外接输入信号的情况下，将直流能量转化为交流信号的电 路，因为振荡器是一个自启动电路，有源器件或电源开启瞬间电子噪声会引起 振荡器白激，帮助电路建立初始振荡，随着振荡幅度的增加，有源器件表现出 更大的非线性，并限制振荡幅度的增加。 2 1 1l c 谐振回路 振荡器的谐振网络是由l c 谐振回路构成的，如图2 1 所示，其中电感损耗 为r ，当丌关置于1 时，电容器充电，将开关置于位置2 时，谐振回路产生自激 振荡，磁场和电场能量相互转化，此时2 去一( 云) 2 击，由于回路有损 耗存在，所以此振荡是个衰减振荡，若要维持振荡恒定，需要不断的补充电阻， 上的能量损失，这就是l c 反馈振荡电路的基本原理【2 0 1 。 由于l c 振荡器选用并联谐振回路，因此，这里主要介绍并联谐振回路的原 理，其电路结构如图2 2 所示。 + e 1 2 l is ，- 图2 1l c 谐振网路 图2 2 并联谐振同路 并联谐振的信号源可看作一个恒流源，该恒流源由晶体管放大器提供，谐 振回路阻抗为： 2 具仃稳幅功能的射频功率振荡器的设计原理 一= = ：1 万( ，+ _ ，l ) z - 蔫j c o l 筹 r + 一j 二 通常情况下厂 时，电路呈现容性，缈值为负，当缈 c o o 时，电路呈感性，矽值为正。 电路谐振时，电流值等于： i ，旦 小妻2 等 汜5 ) c 怕“7 2 笔2 警= 级 由式( 2 5 ) 可知，并联谐振回路之所以又叫做电流谐振，是因为回路电流 等于电流源电流的q 倍，将q 的表达式代入式( 2 2 ) 变换可得： 9 2 具仃稳幅功能的射频功牢振荡器的设汁原理 从而可得出： 扛巧r 巧c2 南 6 ) 由式( 2 7 ) 可得出阻抗相角和电压之比的模分别为： 伊= 一a r g 留q ( 旦一堕) y ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 由式( 2 8 ) 和式( 2 9 ) 可得到并联谐振电路的相频特性和阻抗特性分别如 图2 3 ，图2 4 所示，由图2 4 可知，q 值较大时，曲线较尖锐，谐振回路的选择 性就较好。 晚 1 7 2 0 - 霸| 2 。两酗远 - 十，。 图2 3 相频特性 图2 4 阻抗特性 振荡器无论接哪一种负载，都会降低谐振回路的q 值，使谐振回路的选择 性变差，影响振荡电路的性能。 2 1 2 振荡器的工作条件 依据振荡器的设计原理以及它的工作特性，振荡器正常工作需要满足起振 1 0 2 具有稳幅功能的射频功牢振荡器的设计原理 条件，平衡条件以及稳定条件【2 i 】。 众所周知，振荡器实际上是一个正反馈电路，其反馈振荡模型如图2 5 所示， 振荡器电路是由正向非线性网络和反馈线性网络构成，振荡器将输出的信号经 过反馈后送到输入端，用以维持振荡器持续的振荡。 如 ，o 。 图2 5 振荡器反馈模犁 在稳态的工作模式下，振荡器需要具备一定的平衡条件，依据巴克豪森判 据： r ( 圪，o j ) = 彳( 圪，j c o ) f l ( j o ) ) = 1 ( 2 1 0 ) 其中，f l = 尝表示反馈坏路的传递函数，彳= 笋表示系统正向传递函数， lo 呲 y l n 式( 2 1 0 ) 表明，振荡器的复数环路增益等于1 ，而反馈环路的传递函数又可以 表示为： f l ( j c o ) = z ( j o ) k ( j o ) ( 2 1 1 ) 式( 2 1 1 ) 中，振荡器谐振阻抗用z 表示，z ：幺，反馈系数用k 表示， j d 埘 k = 苦，将这些复数量表示成么= 彳e x p ( 九) ，k = k e x p ( 九) ，z = z e x p ( j q k z ) 的形式，将这些表达式代入式( 2 1 0 ) 中，可以得到有关振荡器的平衡条件，即 幅度必须满足方程： 彳( ，缈) k ( 缈) z ( 彩) = 1 ( 2 1 2 ) 相位必须满足： 九+ 九+ 龙= o ，2 x ， ( 2 1 3 ) 2 具有稳幅功能的射频功斥i 振荡器的i 5 2 汁原理 式( 2 1 2 ) 为振幅平衡条件，表示在稳定工作模式下，振荡器环路增益为 1 2 2 1 2 3 1 ，在该式中，假设参量k 和z 仅与频率相关，因此，要满足式( 2 1 2 ) 就 只能选取适当的彳( 吃，c o ) 值，即只能选取适当的输出电压值吃，式( 2 1 2 ) 又可 写成： 彳( ，缈) = 1 k ( c o ) z ( c o ) ( 2 1 4 ) 如图2 6 所示为振幅平衡条件图，它给出了坏路反馈直线l k z 和振幅曲线 彳( ) 二者之间的关系，图中可知，当等于圪。时，两个曲线相交，此时代 表着稳定振荡幅度为k 。 而式( 2 1 3 ) 表示坏路所有环节的相位相加等于0 或2 n t r ，n = 1 ，2 ，振荡 频率厶的大小也由该式所决定，当各个环节的相位都等于0 时，即 丸= 丸= 尤= o ，此时的振荡频率厶。等于谐振回路的谐振频率 五= 尝= 荔习1 历，而当九。时，九= 。时，则振荡频率丘将偏移五以完全 补偿有效相移龙，其中： 办一t a n ( 2 q 等 一九 旺 式( 2 1 5 ) 中，a 0 9 = 2 n ( f o 卵- f o ) ，q 为品质因数，由式( 2 1 5 ) 可得： 等= 警 眨 2 9 1 2 2 具有稳幅功能的射频功牢振荡器的设汁坂理 式( 2 1 6 ) 表示九和品质冈数共同决定了厶。与兀的偏差，式( 2 1 5 ) 可用 图2 7 ( a ) 表示，表明f o 要e a 厶大；而且品质凶数q 越高，厶就越大，图2 7 ( b ) 所示，对于0 2 绕 弋 诹l 淑0 2 0 j o , 2 棚w ：_ ；。a 讪 ，。_ a t j 2 图2 7 厶。与f o 的关系 式( 2 1 2 ) ，( 2 1 3 ) 阐述的是平衡条件，如图2 6 所示，传递函数彳( ) 随 着输入信号圪的增大在不断的变小，当v i n = 。的时候，振荡处于稳定的状态， 对应的电流达到了稳定状态下的最大值，么( 圪) 的这种变化特性可以很明显的表 示出振荡起振条件就是： 协z 掣翟2 7 c 二) m 【九+ 丸+ 龙= o ， ， 。 振荡器工作除了应该要满足上面两个条件之外，还应该满足稳定条件，振 荡电路很容易受到外界环境的干扰，影响其正常工作，受到干扰后，能否继续 回到原来的平衡位置继续工作对整个电路来说至关重要，如果是不稳定平衡则 会离原来的平衡状态越来越远而停振，以下分别讨论其振幅平衡的稳定条件和 相位平衡的稳定条件。 首先讨论振幅平衡的稳定条件，晶体管具有非线性的特性，它的这种特性 能够在一定范围内稳定振荡输出幅度，不让幅度随着外界的干扰而发生变化， 如图2 6 所示，假设外界干扰使得输出幅度减小；从图中可以看出彳( ) 就会增 2 具有稳幅功能的射频功率振荡器的设i i 原理 大，彳( ) 增大，则可以阻止幅度进一步减小，而当输出幅度增大时，彳( ) 就 会减小，可阻止幅度进一步增大，可见，彳( ) 的变化趋势要与圪相反，这就 是幅度稳定条件： 塑型i o 来表示，为了使 相位平衡，就要有一个反方向的变化阻止相位引起的变化，这就是相位稳定条 籼i 】：魂街点 o ，振荡电路的相阱九+ 苁+ 龙，可得尝2 羔+ 羔+ o _ a 当l 羔i f 鼍i ，l 豢l l 鼍| 时，可得相位平衡的稳定条件为： 丝丝 o( 2 1 9 ) 并联回路正好具有这种特性，如图2 8 所示，设振荡器在相位平衡状态振荡 角频率为哆，外因使角频率增高到吱+ 彩时，回路则生产一统的相移阻止振 荡频率的增加；反之亦然。从上述分析可以得知，并联l c 谐振回路可以用来稳 定相位的变化，品质因数q 值越大，这种能力就越强。 1 4 2 具彳j 稳幅功能的射频功率振荡器的设计原理 彩。万 2 一a c o o 一 娑峨历 + 统 一统 万 2 图2 8 频率与谐振电路相位变化图 2 1 3 振荡器偏置电路的设置 软激励和硬激励：三级管的偏置电压决定着振荡特性曲线的形状，由图2 9 可知，当偏置电压b 增大时，曲线由变为，曲线表示三级管反向偏置 即b 为负数时的振荡特性曲线，它表示，当输入电压v 的峰值小于偏压时， 功率管不导通，只有当v 增大到一定值时，功率管才开始工作，所以，曲线d 的 起点不在坐标原点，反馈特性曲线与该曲线的交点为最和d ，在此情况下，振 荡器不能正常起振，这时候如果有外加信号、l ，当v 大于时，振荡器彳开始 振荡，在& 点达到稳定，这就是所谓的硬激励；像曲线和这样，从原点开 始振荡，称为软激励。由于硬激励振荡器偏置电压最是反相偏置，故此时振荡 器工作在c 类状态，导通角砟 9 0 。，一般大功率的振荡电路的都工作在硬激励 状态即c 类状态下。 2具有稳幅功能的射频功率振荡器的设计原理 ( a ) 电路 o ( b ) 振荡特性曲线 图2 9 偏置电压对振荡特性的影响 自给偏压：在设计振荡器的过程中，通常所采用固定偏压与自给偏压相结 合的偏压方式，如图2 1 0 所示，分析电路，在静态时： e b q = 一疋 ( 2 2 0 ) 使放大器处于a b 类的工作状态，故振荡器能按软激励的方式产生振荡， 但随着振荡器输出幅度的不断增加，集电极平均电流也在不断地增加，r 上产 生的压降也会增大，从而使易减小，当的值为负时，该电路就工作在c 类工 作状态，即振荡器起振时工作在a b 类状态下，工作后从a b 类状态转变到c 类 状态，其振荡特性也从软激励状态变为硬激励的状态，如图2 9 ( b ) 中的虚线 所示，这样振荡器既能够自行起振，又能高效率的工作。 1 6 2具有稳幅功能的射频功率振荡器的设计原理 图2 1 0 自给与同定偏压的产生电路 这里需要指出的是，因为随着振荡器输出幅度的不断增加，导通角逐渐减 少，集电极上的平均电流升高到某一值后不再继续升高，偏置电压不可能没 有限制的降低。 2 2 c 类功率放大器的设计原理 为了追求高效率的工作，大功率的振荡器一般在稳定的情况下都工作在硬 激励状态即c 类功率放大状态下。 + u f 一 图2 1 l 功率放大并联谐振电路 如图2 1 1 所示【2 4 】，该图为功率放大电路的并联谐振回路，设输入的信号为 1 7 2 具仃稳幅功能的射频功半振荡器的设汁原理 = c o s c o t ，晶体管两端的电流电压关系如图2 1 2 和2 1 3 所示，艮的大小对 应着不同的工作状态，当铭 u 口z 其中g 。为器件的跨导，整理后可得： = g c ( 一u 船+ u 0c o s t o t u s z ) 当研= 见时，f c = 0 ，所c o s o c ：c o s u s s + u s z u b l l 。 所以之= g 。【乙kc o s r a t 一( u b b + u 彪) 】= g c 【u 0c o s ( o t 一己c o s o a ，即： = g c c o s c o t c o s o 。】 ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) 又因为当缈f = 。时，c l f l t a x2g c 1 一c 。s 包】，所以g c 2 f 磊z c m a 万x ，代入式 ( 2 2 5 ) 可得： ，c o s c o t c o s 伊 i c 引一x 1 二i 矿 将( 2 2 6 ) 式进行傅里叶级数分解，得： ( 2 2 6 ) = l + l 。lc o s c o t + i 。lc o s c 0 2 t + + l 。c o s a m t + ( 2 2 7 ) 如图2 1 4 所示。 4 a x 么斗良啪a 六 厶m a x 陟 、? 厂 | 厂p x - a 抓一、八 一 卜 通弋x y - ：扣 ! c 图2 1 4 集电极电流傅里叶分解波形图 1 9 缈t 2 具有稳幅功能的射频功率振荡器的设汁原理 具甲各坝糸教分别为： ，c d = 荔1 i 撕) = 等等毫产) = 乙。( 包) ( 2 2 8 ) c m l = 芴1 丘沁删( 刎屯。( 去气警m 懈q ( 幺) ( 2 2 9 ) l 一= 去丘之c o 鲫删c 纠，毫m xi 昙塑里等筹刍灵紫，l 2 t 一吒( 嚷) ( 2 3 0 ) 其中l ，l ，l ：，乙分别为直流，基波以及各次谐波的幅度值，而尖顶余 弦脉冲的分解系数为( 包) ，( 幺) ，( 晓) ，分解系数口。( 唼) 和导通角吼的对 府图形如图21 5 所示。 图2 1 5 导通角与分解系数对应图形 如图2 1 1 所示，c 并联谐振电路对的基波产生谐振，谐振时，整个回路 呈纯电阻性，其值等于邱f c ，而其它的各次谐波被选频网络滤除，回路输出基波 电压魄，谐振电阻彤上的功率即为功率放大电路的输出功率弓，其值等于： 弓= 丢l 。= 三匕。2 廓= 三1i u c m 2 ( 2 3 1 ) 2 0 2 具有稳幅功能的射频功率振荡器的设汁原理 艮与集电极电流的直流分量匕相乘可得到直流电源所提供的功率尼f ，输 出功率与电源提供的功率之比： 仉= 每2 等2 善舞2 洲) ( 2 3 2 ) u ce c ic o= a 2 。一 其中f = u 戽c m ，它为集电极的电压利用系数，而y ( 臼) = 毒罟，它为导通角吃 已，口，i l 的函数，称为波形系数，对应的波形如图2 1 5 所示。功率放大器的效率越高， 对应的导通角包则越小，当善= 1 时，功率放大电路在a ，b ，c 类工作状态下，效 率分别为： 9 = 1 8 0 。, 7 ( p ) = 1 ，仉= 5 0 ( a 类) 9 = 9 0 。，y ( o ) = 1 5 7 ，r l c = 7 8 5 ( b 类) 口= 6 0 。，y ( 秒) = 1 8 ，1 7 。= 9 0 ( c 类) 2 3自动增益控制原理 要使得振荡器的输出幅度稳定，就要使振荡器具有一个自动的幅度调整系 统，本设计采用自动增益控制( a g c ) 电路来控制振荡器输出幅度的稳定，利 用a g c 原理，当振荡器的幅值变化时，该控制电路产生与之相对应的控制量控 制放大器的增益来调整幅度的大小，即可达到稳定输出幅度的目的。 a g c 电路广泛应用于各类电路系统中，是重要的应用电路之一，它的主要 作用就是控制放大器的增益使输出信号的幅度值保持恒定，使幅度值不随外界 环境的变化而发生很大变化。当输出幅度变高时，该控制电路检测出这个变化 量控制放大电路的增益，使它的输出幅度降低；反之亦然。通常情况下，只要 是保持输出恒定的装置a g c 电路都能适用，该电路有时也称为自动电平控制 ( a l c ) 电路。本节将详细描述a g c 电路的要求，控制结构，控制方法等基本 原理。 2 3 1a g c 电路的要求和分类 a g c 电路主要需要满足以下几个方面的要求【2 5 】： 2具彳i 稳幅功能的射频功率振荡器的设计原理 ( 1 ) 适当的响应时问：a g c 电路控制幅度变化的过程中，其反应速度太快 或者太慢都不合适，反应速度过快时，a g c 电路将产生反调制现象，输出信号 将产生严重的失真；而反应速度过慢时，a g c 电路则跟不上幅度的变化。因此， 要根据信号的性质和需要，设计适当的响应时间。 ( 2 ) 较宽的控制范围：当输出幅度变化时，a g c 电路并不能完全消除它的 变化，而是将它的变化维持在某一范围内，幅度变化太小，对a g c 控制是有难 度的，这时希望幅度变化大一些，当幅度变化比较大时，a g c 电路是比较好控 制，但这表示原来所设计电路性能不高，因此，在幅度变化可接受的范围内， 幅度值变化越大越容易控制。 ( 3 ) a g c 坏路的稳定性：当外界环境因素变化时，要使自身的控制能力维 持恒定，不受外界的影响。 a g c 电路种类繁岁2 6 j ，按控制方式来分，有模拟控制，也自数字控制，本 论文采用的是模拟控制；按反馈方式分，有丌环和闭环两种反馈方式，输入端 没有输出电压的反馈叫丌环a g c 电路，反之则叫闭环a g c 电路。如图2 1 6 所 示，该结构为开环a g c 结构，它的优点是控制的幅度范围很大，缺点是对电路 内部参数的变化比较敏感，惯性大以及动作迟缓。 图2 1 6 开环a g c