具有自動(dòng)穩(wěn)幅功能的軟激勵(lì)C類(lèi)大功率射頻振蕩器

李寧+劉平

摘 要： 介紹了一種具有自動(dòng)穩(wěn)幅功能的軟激勵(lì)C類(lèi)大功率射頻振蕩器。大功率射頻振蕩器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力電子、射頻電源、低溫等離子體、高頻感應(yīng)加熱等領(lǐng)域。該大功率射頻振蕩器能夠輸出較高的輸出電壓和輸出功率，并且通過(guò)對(duì)輸出電壓采樣控制MOS管的靜態(tài)工作點(diǎn)，穩(wěn)定輸出電壓；另外，該設(shè)計(jì)電路起振時(shí)工作在AB類(lèi)狀態(tài)，穩(wěn)定工作時(shí)在自動(dòng)穩(wěn)幅電路的作用下進(jìn)入C類(lèi)工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了C類(lèi)射頻振蕩器的軟激勵(lì)。最后通過(guò)仿真和實(shí)物電路測(cè)試了電路性能，并給出了振蕩器輸出電壓、輸出功率與MOS管工作狀態(tài)關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式。

關(guān)鍵字： 軟激勵(lì)； C類(lèi)振蕩器； 大功率振蕩器； 自動(dòng)穩(wěn)幅

中圖分類(lèi)號(hào)： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）15?0153?04

Class C high?power RF oscillator with soft excitation

and automatic amplitude?stabilized functions

LI Ning， LIU Ping

（School of Information Engineering， Zhengzhou University， Zhengzhou 450001， China）

Abstract： A Class C high?power RF oscillator with soft excitation and automatic amplitude?stabilized functions is introduced in this paper. High?power RF oscillator has been widely used in the fields of power electronics， RF power， low temperature plasma， high?frequency induction heating and so on. By sampling the output voltage， the oscillator introduced in this paper can output higher voltage and power， control the quiescent operating point of MOSFET and stabilize the output voltage. Moreover， the the designed circuit works in Class AB mode when it starts oscillation， after that， the automatic amplitude?stabilized circuit makes the oscillator work in Class C mode when it enters stable woring status. The soft excitation function of Class C high?power RF oscillator was achieved. The performance of the whole circuit was tested in simulation and material object experiments. The empirical formula about output voltage， output power and working model of MOSFET is offered in this paper.

Keywords： soft excitation； Class C oscillator： high?power oscillator； automatic amplitude?stabilization

不需要外加輸入信號(hào)，便能自行產(chǎn)生輸出信號(hào)的電路稱(chēng)為振蕩器[1]。作為一種基本的電路結(jié)構(gòu)，振蕩器能夠依靠自激振蕩將直流電源轉(zhuǎn)換成交流電源。隨著技術(shù)的發(fā)展，大功率振蕩器作為一種高頻功率源已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，如電力電子技術(shù)中的大功率射頻電源[2]、低溫等離子體的激發(fā)、工業(yè)用高頻加熱設(shè)備和醫(yī)用的電療儀器等。本文介紹一種用MOSFET作為功率放大器件，并且具有自動(dòng)穩(wěn)幅功能的軟激勵(lì)C類(lèi)大功率射頻振蕩器；最后分析了振蕩器輸出電壓、輸出功率與MOS管工作狀態(tài)的關(guān)系，并給出了經(jīng)驗(yàn)公式。

1 電路工作原理

本設(shè)計(jì)的電路原理圖如圖1所示。整體電路結(jié)構(gòu)分為三個(gè)部分：偏置電路，諧振功率放大電路，自動(dòng)穩(wěn)幅電路。直流電源[VCC，]電阻[R1，][R2]構(gòu)成偏置電路，為MOS管提供合適的靜態(tài)工作點(diǎn)；電感[L2]和[L3]為濾波電感，穩(wěn)壓二極管[D5，][D6]將柵極電壓限制在-5～+5 V，保護(hù)MOS管的安全。MOS管，電感[L1，]電容[C1]和[C2]構(gòu)成諧振功率放大器，其中電感[L1，]電容[C1]和[C2]構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)，為電容式三端振蕩器[3]；正反饋電壓取自電容[C2]的兩端；橋式整流濾波電路，比例運(yùn)算放大電路和三極管構(gòu)成自動(dòng)穩(wěn)幅電路。

為了方便電路起振，當(dāng)電路起振時(shí)工作在AB類(lèi)狀態(tài)，當(dāng)電路穩(wěn)定工作后，振蕩器在自動(dòng)穩(wěn)幅電路的控制下，自動(dòng)從AB類(lèi)工作狀態(tài)進(jìn)入C類(lèi)工作狀態(tài)。自動(dòng)穩(wěn)幅電路一方面通過(guò)從輸出電壓采樣，將采樣信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂菩盘?hào)，控制MOS管的靜態(tài)工作點(diǎn)，達(dá)到穩(wěn)幅的目的；另一方面自動(dòng)穩(wěn)幅電路在電路未穩(wěn)定工作時(shí)負(fù)責(zé)將電路從AB類(lèi)工作狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)镃類(lèi)工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)C類(lèi)振蕩器的軟激勵(lì)。

本設(shè)計(jì)輸入直流電壓[UDC=]200 V，輸出功率[Po=]100 W，工作頻率13.56 MHz。本設(shè)計(jì)中選擇的MOS管型號(hào)為ARF461B，其柵源極電壓[UGS]與漏極電流[ID]關(guān)系圖如圖2所示。

圖2 柵源極電壓[UGS]與漏極電流[ID]關(guān)系

2 電路參數(shù)計(jì)算

2.1 負(fù)載及諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)計(jì)算

本設(shè)計(jì)中直流輸入電壓[UDC=200] V，輸出功率[Po=100]W；當(dāng)振蕩器輸出電壓[Uo]為臨界狀態(tài)時(shí)，[Uo=200] V；振蕩器的負(fù)載阻抗值為：

[RP=12U2oPo=200 Ω] （1）

設(shè)計(jì)目標(biāo)中品質(zhì)因數(shù)[Q=5，]且并聯(lián)諧振回路品質(zhì)因數(shù)計(jì)算公式為[Q=RPωL，]并且當(dāng)諧振電路工作在臨界狀態(tài)時(shí)，[ωL=1ωC]所以諧振回路電感和電容的值分別為：

[L1=RPωQ=2002π×5×13.56×106=0.468 μH] （2）

[C=1ω2L=10.468×10-6×（13.56×106×2π）2=287.5 pF] （3）

式中：[C]為諧振回路中電容[C1，][C2]的并聯(lián)值，其中反饋電壓取自[C2，]電容[C1]和[C2]的比值就是反饋電路的反饋系數(shù)；電容[C1]和[C2]的選取需要滿足一定的條件，即反饋系數(shù)[F]的值需要滿足一定的條件，否則振蕩電路將無(wú)法起振。本設(shè)計(jì)中由于MOS管的增益比較大，遠(yuǎn)大于1，所以反饋系數(shù)[F<1，]因此有：

[F>1gmR′L=1gmRL+1gmRe0] （4）

又考慮到MOS管柵源極電壓限制和輸出電壓幅值，選擇反饋系數(shù)[F=0.009。]又由于[F=C1C2，][1C=1C1+1C2，]所以[C1=290]pF；[C2=32.23 ]nF。

2.2 偏置電路參數(shù)計(jì)算

綜合考慮輸出效率和輸出功率兩個(gè)方面，在本設(shè)計(jì)中，綜合考慮二者的影響，選擇導(dǎo)通角[4][θ=74.5°]。功率管的漏極電流用傅里葉級(jí)數(shù)分解后為：

[iC=IC0+iC1+iC2+…=IC0+IC1mcosωt+IC2mcosωt+…] （5）

式中：[IC1m]為經(jīng)過(guò)諧振網(wǎng)絡(luò)選頻后的正弦波電流的峰值，也是流過(guò)負(fù)載[RL]中的電流，[IC1m]是經(jīng)過(guò)諧振網(wǎng)絡(luò)選頻后的電流最大值，[IC1m=iCmaxα1（θ）]，其值為：

[IC1m=UDCRL=1 A] （6）

當(dāng)[θ=75o]時(shí)， [α1（θ）=0.455]，所以MOS管漏極電流最大值為：

[ICM=IC1mα1（θ）=2.2 A] （7）

由圖2可知當(dāng)柵源極電壓[UGS>3 V]時(shí)，MOS管導(dǎo)通；在實(shí)際的電路測(cè)量中，當(dāng)柵源極電壓[UGS=]3.2 V時(shí)，MOS管導(dǎo)通；又由圖1可知，當(dāng)漏極電流[ICm=2.2 V]時(shí)，對(duì)應(yīng)的柵源極電壓[UGS=4.5 V。]設(shè)振蕩電路的靜態(tài)工作點(diǎn)為[Eg，]反饋信號(hào)為[Uf=Ufmaxcos θ，]導(dǎo)通角[θ≈75°；]由靜態(tài)工作點(diǎn)方程可得：

[Ufmaxcosθ+Eg=UGS（th）=3.2 V] （8）

[Ufmax+Eg=UGSmax=4.5 V] （9）

由式（8），（9）可求出[Eg=2.74] V，[Ufmax=1.76] V。因此振蕩電路的靜態(tài)工作點(diǎn)小于開(kāi)啟電壓，所以正常工作時(shí)振蕩器處于C類(lèi)工作狀態(tài)，此時(shí)反饋信號(hào)為[Uf=1.76cosθ。]

如圖1所示為偏置電路的電路結(jié)構(gòu)。其中[R1]和[R2]為偏置電阻，通過(guò)分壓為MOS管提供合適的穩(wěn)定工作狀態(tài)，靜態(tài)工作點(diǎn)[R7，][R8]和[C1]構(gòu)成電流源電路，這部分電路的作用一是在電路起振后將電路的工作狀態(tài)從AB類(lèi)切換到C類(lèi)，另一方面還能改變MOS管的靜態(tài)工作點(diǎn)，以達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓幅度的目的。

剛起振時(shí)由于振蕩電路工作在AB類(lèi)狀態(tài)，所以柵源極電壓[UGS]應(yīng)大于3.2 V；在本設(shè)計(jì)中，在剛起振狀態(tài)設(shè)計(jì)柵源極電壓為4 V。當(dāng)電路起振后轉(zhuǎn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)，晶體管[C1]導(dǎo)通，對(duì)偏置電阻[R2]分流，降低MOS管的柵源極電壓。計(jì)算過(guò)程為：

[UGS1=R2R1+R2] （10）

[IR2=UGS2R2=1.34 mA] （11）

式中：[UGS1=4]V，[UGS2=2.74]V，[R1=100]kΩ。

流過(guò)晶體管[C1]集電極的電流為：

[IC1=UGS1-UGS2R2=0.62 mA] （12）

晶體管的放大倍數(shù)[β=40]，集電極?發(fā)射極飽和壓降[VCE（sat）=0.2]V，基極—發(fā)射極飽和壓降[VBE（sat）=0.6]V。由此可得晶體管基極電流為：

[UBE=R7Ib1+VBE（sat）+R8IC1=1.24 V] （13）

2.3 自穩(wěn)幅電路參數(shù)計(jì)算

采樣電壓為諧振電容[C2]兩端的電壓，所以其值為[Uf=1.76cosθ，]所以整流濾波電路輸出電壓[uo1=1.8]V；設(shè)計(jì)中運(yùn)用的比較放大電路為差分比例運(yùn)算電路，差分放大電路的兩路輸入為[uo1]和[uBEF；]其中[uo1]為整流濾波輸出電壓，[uBEF]為基準(zhǔn)電壓，差分比例運(yùn)算放大電路計(jì)算公式為：

[uo2=R4R3（uo1-uBEF）] （14）

[uo2=1.24]V，[uo1=1.8]V，給定的比較基準(zhǔn)電壓為[uBEG=1.4]V，所以得出電阻[R4]和[R3]的比值為3；所以選取[R3=2]kΩ，[R4=6]kΩ；又因?yàn)楸壤\(yùn)算放大電路中必須滿足參數(shù)對(duì)稱(chēng)條件[5]，即[R6R5=R4R3，]所以[R6=R4=6]kΩ，[R5=R3=2]kΩ。

3 結(jié)果與討論

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本設(shè)計(jì)對(duì)實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行了仿真測(cè)試，并制作了電路板，分析振蕩器輸出電壓、輸出功率與MOS管工作狀態(tài)的關(guān)系，并給出了經(jīng)驗(yàn)公式。

電路的仿真結(jié)果如圖3，圖4所示。

圖3 輸出電壓和電流波形圖

圖4 反饋電壓波形圖

由圖3和圖4可以看出，電路的仿真結(jié)果很好的滿足了電路設(shè)計(jì)指標(biāo)；但是漏極電流的波形諧波較大，出現(xiàn)了明顯的失真；造成這種現(xiàn)象的原因是由于電路的工作頻率較高，仿真過(guò)程中MOS管的寄生電容以及濾波電容濾波電感的影響變大造成的。

由于在200 V的輸出條件下MOS管的發(fā)熱量非常大，普通的散熱片已經(jīng)不能滿足散熱要求，需要用水冷裝置，由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，本設(shè)計(jì)只測(cè)試了在50 V輸出條件下的波形圖。波形如圖5，圖6所示。

圖5 輸出電壓波形圖

由圖5可以看出，實(shí)際的輸出電壓波形有失真，電壓波形凹陷，為典型的過(guò)壓狀態(tài)；引起輸出電壓波形失真的原因是由于電路寄生參數(shù)的影響，導(dǎo)致反饋系數(shù)變大，反饋電壓增大，如圖6所示，可以看出，反饋電壓明顯大于設(shè)計(jì)目標(biāo)，導(dǎo)致柵源極電壓增大，使放大器處于過(guò)壓狀態(tài)。另外從圖中還可以看出，由于電路寄生參數(shù)的影響，電路的振蕩頻率已經(jīng)從設(shè)計(jì)的13.56 MHz下降到7.6 MHz左右，另外在實(shí)際測(cè)量中發(fā)現(xiàn)，電路的工作頻率上下有大約0.1 MHz的波動(dòng)，即頻率不是非常穩(wěn)定，造成工作頻率下降和跳變的主要原因是由于電路工作頻率增加，電路的寄生參數(shù)開(kāi)始明顯的影響電路的性能，另外一點(diǎn)由于電路板布局的不合理造成干擾嚴(yán)重，這些都影響了電路的正常工作。

圖6 反饋電壓波形圖

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由圖2可知，MOS管的柵源極電壓與漏極電流的關(guān)系近似為一條折線。當(dāng)柵源極電壓[UGS>]4 V時(shí)，漏極電流[ID]隨著柵源電壓的增長(zhǎng)急劇增加。由前文可知，MOS管漏極電流的最大連續(xù)工作電流為6.5 A，對(duì)應(yīng)圖2中知，此時(shí)柵源極電壓[UGS=5.7]V，所以當(dāng)MOS管正常工作時(shí)必須保證柵源極電壓小于5.7 V；因?yàn)槁O電流決定于負(fù)載電流的大小，負(fù)載電流與漏極電流的關(guān)系滿足余弦脈沖分解函數(shù)，當(dāng)導(dǎo)通角固定以后，漏極電流的大小僅決定于負(fù)載電流，所以負(fù)載電流的大小對(duì)功率管的性能和安全非常重要。詳細(xì)分析過(guò)程如下：

設(shè)負(fù)載電流為[IL，]漏極電流[ID，]負(fù)載電阻[RL，]輸出電壓[UL，]輸出功率[P；]所以漏極電流為：

[ID=IL（α1（θ））] （15）

又因?yàn)樨?fù)載電流為：

[IL=ULRL] （16）

[P=12U2LRL] （17）

所以負(fù)載電阻和負(fù)載電流的大小決定于輸出電壓和輸出功率的選取，即設(shè)計(jì)指標(biāo)；也即漏極電流的大小依賴(lài)于設(shè)計(jì)指標(biāo)的選取，當(dāng)設(shè)計(jì)指標(biāo)合適時(shí)，才能設(shè)計(jì)出性能可靠的振蕩電路。例如當(dāng)設(shè)計(jì)指標(biāo)為輸出電壓[UL=]100 V，輸出功率[P=100]W時(shí)，輸出電阻為[RL=50]Ω，負(fù)載電流為[IL=ULRL=2]A，由式（7）知，漏極電流為[ID=4.4]A，此時(shí)由圖2知，柵源極電壓[UGS=5.2]V，已經(jīng)接近了最大柵源極電壓的限制值，所以非常容易造成MOS管的燒毀；反之，當(dāng)設(shè)計(jì)指標(biāo)為輸出電壓[UL=200]V，輸出功率[P=100]W時(shí)，輸出電阻為[RL=200]Ω，負(fù)載電流為[IL=ULRL=1]A，此時(shí)漏極電流為[ID=2.2]A，柵源極電壓為[UGS=4.5]V，遠(yuǎn)小于最大柵源極限制電壓。在本設(shè)計(jì)中由于導(dǎo)通角選取為[θ=75°，]所以[IL=0.455ID，]所以有：

[UL=0.455ID?RL] （18）

[P=12（0.455ID）2?RL] （19）

式（19）除以式（18）得：

[PUL=0.23ID] （20）

所以在設(shè)計(jì)電路指標(biāo)時(shí)，為了保證MOS管工作在安全區(qū)域，要首先確定一個(gè)合適的漏極電流值，從理論上講漏極電流值越小越好，但是當(dāng)選取的漏極電流太小時(shí)，柵源極電壓也會(huì)很小，導(dǎo)致電路不能正常起振；另外，在選擇漏極電流時(shí)，要注意到輸出電壓[UL]也不能太大，如果輸出電壓過(guò)大，將導(dǎo)致反饋系數(shù)降低，如果反饋系數(shù)降低到不能滿足起振條件[6]：[A?F>1，]也會(huì)導(dǎo)致振蕩電路的不起振。所以，電路設(shè)計(jì)指標(biāo)不能隨便選取，一定要符合上述條件。

4 結(jié) 語(yǔ)

本設(shè)計(jì)利用單管MOSFET制作了一個(gè)具有自動(dòng)穩(wěn)幅功能的軟激勵(lì)C類(lèi)大功率射頻振蕩器。輸出電壓達(dá)到了200 V，輸出功率達(dá)到了100 W，工作頻率為13.56 MHz。通過(guò)仿真分析與實(shí)物電路分析，電路的指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。另外，本設(shè)計(jì)中分析了振蕩器輸出電壓、輸出功率與MOS管工作狀態(tài)的關(guān)系，并給出了經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)今后的設(shè)計(jì)工作有很好的指導(dǎo)作用。

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[6] 曾興安，劉乃亮，陳建.高頻電路原理與分析[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007.

電路的仿真結(jié)果如圖3，圖4所示。

圖3 輸出電壓和電流波形圖

圖4 反饋電壓波形圖

由圖3和圖4可以看出，電路的仿真結(jié)果很好的滿足了電路設(shè)計(jì)指標(biāo)；但是漏極電流的波形諧波較大，出現(xiàn)了明顯的失真；造成這種現(xiàn)象的原因是由于電路的工作頻率較高，仿真過(guò)程中MOS管的寄生電容以及濾波電容濾波電感的影響變大造成的。

由于在200 V的輸出條件下MOS管的發(fā)熱量非常大，普通的散熱片已經(jīng)不能滿足散熱要求，需要用水冷裝置，由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，本設(shè)計(jì)只測(cè)試了在50 V輸出條件下的波形圖。波形如圖5，圖6所示。

圖5 輸出電壓波形圖

由圖5可以看出，實(shí)際的輸出電壓波形有失真，電壓波形凹陷，為典型的過(guò)壓狀態(tài)；引起輸出電壓波形失真的原因是由于電路寄生參數(shù)的影響，導(dǎo)致反饋系數(shù)變大，反饋電壓增大，如圖6所示，可以看出，反饋電壓明顯大于設(shè)計(jì)目標(biāo)，導(dǎo)致柵源極電壓增大，使放大器處于過(guò)壓狀態(tài)。另外從圖中還可以看出，由于電路寄生參數(shù)的影響，電路的振蕩頻率已經(jīng)從設(shè)計(jì)的13.56 MHz下降到7.6 MHz左右，另外在實(shí)際測(cè)量中發(fā)現(xiàn)，電路的工作頻率上下有大約0.1 MHz的波動(dòng)，即頻率不是非常穩(wěn)定，造成工作頻率下降和跳變的主要原因是由于電路工作頻率增加，電路的寄生參數(shù)開(kāi)始明顯的影響電路的性能，另外一點(diǎn)由于電路板布局的不合理造成干擾嚴(yán)重，這些都影響了電路的正常工作。

圖6 反饋電壓波形圖

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由圖2可知，MOS管的柵源極電壓與漏極電流的關(guān)系近似為一條折線。當(dāng)柵源極電壓[UGS>]4 V時(shí)，漏極電流[ID]隨著柵源電壓的增長(zhǎng)急劇增加。由前文可知，MOS管漏極電流的最大連續(xù)工作電流為6.5 A，對(duì)應(yīng)圖2中知，此時(shí)柵源極電壓[UGS=5.7]V，所以當(dāng)MOS管正常工作時(shí)必須保證柵源極電壓小于5.7 V；因?yàn)槁O電流決定于負(fù)載電流的大小，負(fù)載電流與漏極電流的關(guān)系滿足余弦脈沖分解函數(shù)，當(dāng)導(dǎo)通角固定以后，漏極電流的大小僅決定于負(fù)載電流，所以負(fù)載電流的大小對(duì)功率管的性能和安全非常重要。詳細(xì)分析過(guò)程如下：

設(shè)負(fù)載電流為[IL，]漏極電流[ID，]負(fù)載電阻[RL，]輸出電壓[UL，]輸出功率[P；]所以漏極電流為：

[ID=IL（α1（θ））] （15）

又因?yàn)樨?fù)載電流為：

[IL=ULRL] （16）

[P=12U2LRL] （17）

所以負(fù)載電阻和負(fù)載電流的大小決定于輸出電壓和輸出功率的選取，即設(shè)計(jì)指標(biāo)；也即漏極電流的大小依賴(lài)于設(shè)計(jì)指標(biāo)的選取，當(dāng)設(shè)計(jì)指標(biāo)合適時(shí)，才能設(shè)計(jì)出性能可靠的振蕩電路。例如當(dāng)設(shè)計(jì)指標(biāo)為輸出電壓[UL=]100 V，輸出功率[P=100]W時(shí)，輸出電阻為[RL=50]Ω，負(fù)載電流為[IL=ULRL=2]A，由式（7）知，漏極電流為[ID=4.4]A，此時(shí)由圖2知，柵源極電壓[UGS=5.2]V，已經(jīng)接近了最大柵源極電壓的限制值，所以非常容易造成MOS管的燒毀；反之，當(dāng)設(shè)計(jì)指標(biāo)為輸出電壓[UL=200]V，輸出功率[P=100]W時(shí)，輸出電阻為[RL=200]Ω，負(fù)載電流為[IL=ULRL=1]A，此時(shí)漏極電流為[ID=2.2]A，柵源極電壓為[UGS=4.5]V，遠(yuǎn)小于最大柵源極限制電壓。在本設(shè)計(jì)中由于導(dǎo)通角選取為[θ=75°，]所以[IL=0.455ID，]所以有：

[UL=0.455ID?RL] （18）

[P=12（0.455ID）2?RL] （19）

式（19）除以式（18）得：

[PUL=0.23ID] （20）

所以在設(shè)計(jì)電路指標(biāo)時(shí)，為了保證MOS管工作在安全區(qū)域，要首先確定一個(gè)合適的漏極電流值，從理論上講漏極電流值越小越好，但是當(dāng)選取的漏極電流太小時(shí)，柵源極電壓也會(huì)很小，導(dǎo)致電路不能正常起振；另外，在選擇漏極電流時(shí)，要注意到輸出電壓[UL]也不能太大，如果輸出電壓過(guò)大，將導(dǎo)致反饋系數(shù)降低，如果反饋系數(shù)降低到不能滿足起振條件[6]：[A?F>1，]也會(huì)導(dǎo)致振蕩電路的不起振。所以，電路設(shè)計(jì)指標(biāo)不能隨便選取，一定要符合上述條件。

4 結(jié) 語(yǔ)

本設(shè)計(jì)利用單管MOSFET制作了一個(gè)具有自動(dòng)穩(wěn)幅功能的軟激勵(lì)C類(lèi)大功率射頻振蕩器。輸出電壓達(dá)到了200 V，輸出功率達(dá)到了100 W，工作頻率為13.56 MHz。通過(guò)仿真分析與實(shí)物電路分析，電路的指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。另外，本設(shè)計(jì)中分析了振蕩器輸出電壓、輸出功率與MOS管工作狀態(tài)的關(guān)系，并給出了經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)今后的設(shè)計(jì)工作有很好的指導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)

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[2] 徐立群，李哲英，鈕文良.射頻與微波晶體管振蕩器設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

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[5] 童詩(shī)白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2009.

[6] 曾興安，劉乃亮，陳建.高頻電路原理與分析[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007.

電路的仿真結(jié)果如圖3，圖4所示。

圖3 輸出電壓和電流波形圖

圖4 反饋電壓波形圖

由圖3和圖4可以看出，電路的仿真結(jié)果很好的滿足了電路設(shè)計(jì)指標(biāo)；但是漏極電流的波形諧波較大，出現(xiàn)了明顯的失真；造成這種現(xiàn)象的原因是由于電路的工作頻率較高，仿真過(guò)程中MOS管的寄生電容以及濾波電容濾波電感的影響變大造成的。

由于在200 V的輸出條件下MOS管的發(fā)熱量非常大，普通的散熱片已經(jīng)不能滿足散熱要求，需要用水冷裝置，由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，本設(shè)計(jì)只測(cè)試了在50 V輸出條件下的波形圖。波形如圖5，圖6所示。

圖5 輸出電壓波形圖

由圖5可以看出，實(shí)際的輸出電壓波形有失真，電壓波形凹陷，為典型的過(guò)壓狀態(tài)；引起輸出電壓波形失真的原因是由于電路寄生參數(shù)的影響，導(dǎo)致反饋系數(shù)變大，反饋電壓增大，如圖6所示，可以看出，反饋電壓明顯大于設(shè)計(jì)目標(biāo)，導(dǎo)致柵源極電壓增大，使放大器處于過(guò)壓狀態(tài)。另外從圖中還可以看出，由于電路寄生參數(shù)的影響，電路的振蕩頻率已經(jīng)從設(shè)計(jì)的13.56 MHz下降到7.6 MHz左右，另外在實(shí)際測(cè)量中發(fā)現(xiàn)，電路的工作頻率上下有大約0.1 MHz的波動(dòng)，即頻率不是非常穩(wěn)定，造成工作頻率下降和跳變的主要原因是由于電路工作頻率增加，電路的寄生參數(shù)開(kāi)始明顯的影響電路的性能，另外一點(diǎn)由于電路板布局的不合理造成干擾嚴(yán)重，這些都影響了電路的正常工作。

圖6 反饋電壓波形圖

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由圖2可知，MOS管的柵源極電壓與漏極電流的關(guān)系近似為一條折線。當(dāng)柵源極電壓[UGS>]4 V時(shí)，漏極電流[ID]隨著柵源電壓的增長(zhǎng)急劇增加。由前文可知，MOS管漏極電流的最大連續(xù)工作電流為6.5 A，對(duì)應(yīng)圖2中知，此時(shí)柵源極電壓[UGS=5.7]V，所以當(dāng)MOS管正常工作時(shí)必須保證柵源極電壓小于5.7 V；因?yàn)槁O電流決定于負(fù)載電流的大小，負(fù)載電流與漏極電流的關(guān)系滿足余弦脈沖分解函數(shù)，當(dāng)導(dǎo)通角固定以后，漏極電流的大小僅決定于負(fù)載電流，所以負(fù)載電流的大小對(duì)功率管的性能和安全非常重要。詳細(xì)分析過(guò)程如下：

設(shè)負(fù)載電流為[IL，]漏極電流[ID，]負(fù)載電阻[RL，]輸出電壓[UL，]輸出功率[P；]所以漏極電流為：

[ID=IL（α1（θ））] （15）

又因?yàn)樨?fù)載電流為：

[IL=ULRL] （16）

[P=12U2LRL] （17）

所以負(fù)載電阻和負(fù)載電流的大小決定于輸出電壓和輸出功率的選取，即設(shè)計(jì)指標(biāo)；也即漏極電流的大小依賴(lài)于設(shè)計(jì)指標(biāo)的選取，當(dāng)設(shè)計(jì)指標(biāo)合適時(shí)，才能設(shè)計(jì)出性能可靠的振蕩電路。例如當(dāng)設(shè)計(jì)指標(biāo)為輸出電壓[UL=]100 V，輸出功率[P=100]W時(shí)，輸出電阻為[RL=50]Ω，負(fù)載電流為[IL=ULRL=2]A，由式（7）知，漏極電流為[ID=4.4]A，此時(shí)由圖2知，柵源極電壓[UGS=5.2]V，已經(jīng)接近了最大柵源極電壓的限制值，所以非常容易造成MOS管的燒毀；反之，當(dāng)設(shè)計(jì)指標(biāo)為輸出電壓[UL=200]V，輸出功率[P=100]W時(shí)，輸出電阻為[RL=200]Ω，負(fù)載電流為[IL=ULRL=1]A，此時(shí)漏極電流為[ID=2.2]A，柵源極電壓為[UGS=4.5]V，遠(yuǎn)小于最大柵源極限制電壓。在本設(shè)計(jì)中由于導(dǎo)通角選取為[θ=75°，]所以[IL=0.455ID，]所以有：

[UL=0.455ID?RL] （18）

[P=12（0.455ID）2?RL] （19）

式（19）除以式（18）得：

[PUL=0.23ID] （20）

所以在設(shè)計(jì)電路指標(biāo)時(shí)，為了保證MOS管工作在安全區(qū)域，要首先確定一個(gè)合適的漏極電流值，從理論上講漏極電流值越小越好，但是當(dāng)選取的漏極電流太小時(shí)，柵源極電壓也會(huì)很小，導(dǎo)致電路不能正常起振；另外，在選擇漏極電流時(shí)，要注意到輸出電壓[UL]也不能太大，如果輸出電壓過(guò)大，將導(dǎo)致反饋系數(shù)降低，如果反饋系數(shù)降低到不能滿足起振條件[6]：[A?F>1，]也會(huì)導(dǎo)致振蕩電路的不起振。所以，電路設(shè)計(jì)指標(biāo)不能隨便選取，一定要符合上述條件。

4 結(jié) 語(yǔ)

本設(shè)計(jì)利用單管MOSFET制作了一個(gè)具有自動(dòng)穩(wěn)幅功能的軟激勵(lì)C類(lèi)大功率射頻振蕩器。輸出電壓達(dá)到了200 V，輸出功率達(dá)到了100 W，工作頻率為13.56 MHz。通過(guò)仿真分析與實(shí)物電路分析，電路的指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。另外，本設(shè)計(jì)中分析了振蕩器輸出電壓、輸出功率與MOS管工作狀態(tài)的關(guān)系，并給出了經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)今后的設(shè)計(jì)工作有很好的指導(dǎo)作用。

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