摘要：設計了一個具有自動增益控制(AGC)的電路來穩(wěn)定射頻功率振蕩器的輸出幅度，然而在加入AGC負反饋環(huán)路之后，該環(huán)路可能會產(chǎn)生自激振蕩，使得振蕩器輸出的幅度更加不穩(wěn)定。通過對整個電路系統(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)，進而達到穩(wěn)定振蕩器輸出幅度的目的。
關鍵詞：振蕩器；射頻；自動增益控制；傳遞函數(shù)；穩(wěn)定性

    穩(wěn)定的振蕩幅度是振蕩器應用的非常關鍵的指標，幅度穩(wěn)定技術往往都是高性能振蕩器需要采用的技術，該技術在電子對抗、雷達、制導、衛(wèi)星跟蹤、宇宙通信及時間與頻率計量等領域中的應用尤其重要。目前國內(nèi)外已有一些相關的技術用于實現(xiàn)振蕩幅度的自動控制，一般所采用的方法是：通過比較器鑒別振蕩幅度超過一定值的點并通過運算放大器等電路處理將超過的量轉(zhuǎn)化為對應的控制信號來調(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)來跟蹤振蕩輸出信號幅度的大小并生成對應模擬量控制振蕩器偏流來調(diào)節(jié)輸出幅度。這些方法的基本思想都是通過一個負反饋電路，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，來控制振蕩器的輸出幅度，然而加入負反饋電路之后，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，無法達到穩(wěn)定幅度的目的。這就要求對整個電路系統(tǒng)做穩(wěn)定性分析。
    本文設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為詳細的電路設計，本設計采用克拉潑(Clapp)振蕩器結構，功率MOSFET選取ARF461A，通過對靜態(tài)工作點的設置，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)結構圖如圖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。

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2．1 射頻功率振蕩器電路的傳遞函數(shù)
    如圖2所示，設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。

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    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，對應的特征根為，如果只考慮輸出電壓的幅度，不關心高頻成分的細節(jié)，忽略高頻成分和(ω0-ωd)的諧波分量，設幅度關于時間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U1'>U2'時，VD’導通，反則截止。C’兩端的電壓U2’由決定，而，假設R1'<<R2'，在平衡狀態(tài)下二極管導通角為θD，iR1’在一個周期內(nèi)的平均值為：

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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，其結果符合設計要求。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)絡以及峰值檢波電路的傳遞函數(shù)，通過對設計電路的傳遞函數(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。