CN102355205B - 一种固态射频发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率放大器及其输出电路，包括功率放大器、定向耦合器和阻抗匹配箱，其中，功率放大器的功率输出级是由两只半导体场效应管组成，将接收前级的高频功率信号进行功率放大；定向耦合器采集功率放大器的入射功率信号和阻抗不匹配时的反射功率信号，用入射功率信号进行功率的自动控制，用反射功率信号进行电路保护；阻抗匹配箱接收来自功率放大器的高频功率，进行阻抗匹配后，输出稳定的高频功率加到石英炬管负载上，实现了在电感耦合等离子体发射光谱仪中采用固体器件做成的射频发生器。本发明的固态射频发生器电路简单、稳定可靠，采用器件少，调试方便。

Description

一种固态射频发生器

技术领域

本发明涉及一种用于实现激发光源的技术，特别是涉及一种用于实现分析测试仪器中电感耦合等离子体原子发射光谱仪(简称ICP-AES)的固态射频发生器。

背景技术

当前，分析测试仪器的应用范围逐步扩大，尤其是ICP-AES已广泛应用于国民经济的各个领域。提高分析测试仪器的性能和稳定性已成为设计者、生产者和使用者的普遍需求。尤其是对ICP-AES中的激发光源，即射频发生器的输出功率、寿命、稳定性、体积等提出了更高的要求。射频发生器的稳定程度直接影响到分析测试结果的准确性，可以说，射频发生器的稳定程度是衡量ICP-AES性能的非常重要的指标之一。

然而目前，ICP-AES的射频发生器基本上都是采用电子管式的射频发生器。就其功率输出形式而言，有两种类型，一种是他激式电路，又称他激式射频发生器；另一种是自激式电路，又称自激式射频发生器。然而不管是哪一种形式的电路，射频发生器都是由电子管作为其核心部件。电子管的工作原理是，由阴极发射电子通过栅极飞向阳极，其电子流的发射能力受阴极材料和栅极材料及工艺上的限制，稳定性较差。因此，目前的电子管式射频发生器很难做出输出功率高稳定性的产品。此外，电子管电路的射频发生器体积大、笨重，电子管本身寿命只有1 000个小时左右。这些不利因素大大限制了射频发生器性能的提高，更影响了分析测试仪器的整体性能。随着ICP-AES的不断发展对射频发生器的稳定性要求越来越高，电子管式射频发生器很难满足上述要求。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种有效提高ICP-AES射频发生器稳定性的系统和方法，使输出功率稳定性达到0.1％以下。同时，使整机体积减小1/3，重量减少1/2，节约了几百瓦的电子管灯丝加热耗能，从而能够提高射频发生器的性能，并提高ICP-AES的整机水平。

为了达到上述目的，本发明提供一种固态射频发生器及其功率放大器，用半导体场效应管(MOSFET)代替电子管，完成了ICP-AES的射频发生器重大改进，提高了射频发生器的稳定性和整机的测试精度。

本发明提供一种功率放大器及其输出电路，包括功率放大器、定向耦合器和阻抗匹配箱，其中，功率放大器利用两只半导体场效应管，将接收到前级的高频功率信号进行功率放大；定向耦合器，用来采集功率放大器的输出功率信号(对于定向耦合器来说即是入射功率信号，以下称该信号为入射功率信号)和阻抗不匹配时的反射功率信号，用入射功率信号进行功率的自动控制，用反射功率信号进行电路保护；阻抗匹配箱，来自功率放大器的高频功率通过定向耦合器，在阻抗匹配箱进行阻抗匹配后，输出稳定的高频功率，加到石英炬管负载上。

其中，两只半导体场效应管组成推挽式功率放大器，并以他激、推挽方式工作。

其中，功率放大器包括推动变压器、推挽式功率放大器、输出变压器，其中，前级产生的射频功率信号接入推动变压器的初级，推动变压器的次级连接推挽式功率放大器；推挽式功率放大器将高频功率放大后通过输出变压器将功率输出到阻抗匹配箱。

其中，推挽式功率放大器包括两个电容和两只半导体场效应管，推动变压器的次级通过两个电容分别接到两只半导体场效应管的栅极，两只半导体场效应管的源极接地、漏极接输出变压器的初级。

其中，输出变压器的初级中心抽头接到直流电源上，输出变压器的次级一端接地，另一端输出高频功率。

其中，阻抗匹配箱包括一个电感线圈、一个固定电容、两个可调电容和一个感应工作线圈，电感线圈按自耦升压方式接入，固定电容和一个可调电容起阻抗匹配作用，另一个可调电容起调谐作用。

其中，阻抗匹配箱电感线圈的一端接地，另一端接三个电容的公共端，其中起阻抗匹配作用的固定电容和一个可调电容的另一端接地，起调谐作用的另一个可调电容的另一端与感应工作线圈串联后接地。

其中，阻抗匹配箱的输入端是电感线圈的中心抽头，电感线圈起升压作用。

其中，定向耦合器通过采集入射高频功率的电流和电压信号，将电流和电压信号经过整形滤波后通过乘法器得到输出功率值信号，用该信号进行功率的自动控制；定向耦合器通过采集反射高频功率的电流和电压信号，将电流和电压信号相位叠加后得到反射功率值信号，该反射功率值信号将对负载不匹配状态下的反射功率过载进行电路自动保护。

其中，功率放大器的输出，用50Ω同轴电缆馈线，穿过定向耦合器，接到阻抗匹配箱的输入端。

本发明的固态射频发生器还进一步包括对功率放大器的输入功率的幅值用压电控制衰减器的衰减量进行控制；对功率放大器的输出功率失谐状态用安全保护控制电路进行控制，第一步是控制功率放大器的栅偏压，第二步是切断信号源。

其中，功率控制和安全保护执行电路接收定向耦合器产生的入射功率，对压电控制衰减器的衰减量进行控制。

其中，安全保护控制电路接收定向耦合器的反射功率值信号，控制功率放大器的输出功率及切断信号源。

其中，当反射功率值信号超过设定的阈值时，安全保护控制电路向功率控制和安全保护执行电路输出控制信号，从而进一步控制压电控制衰减器的衰减量。

本发明采用的MOSFET是半导体固态器件，因此用此器件做成的射频发生器称为固态射频发生器。本发明的固态射频发生器电路简单、稳定可靠，采用器件少，调试方便。最大输出功率可达1400瓦，输出功率稳定性可达0.1％以下。完全满足ICP-AES对射频发生器的要求。由于采用MOSFET代替电子管完成了对射频发生器的改造，使整机性能大大提高，同时减少了整机体积约1/3，减轻了重量的1/2，节电约30％。由电子管电路改进到固态器件电路组成的射频发生器是一个质的飞跃，大大提高了ICP-AES整机的性能。

附图说明

为了更好地理解本发明的技术内容，将结合以下附图做出详细的说明。

图1是根据本发明的一个实施例的功率放大器及其输出电路的框图；

图2是根据本发明图1所示的功率放大器及其输出电路的一个实施例的电路图；

图3是根据本发明的一个实施例的固态射频发生器的框图；

图4是根据本发明图3所示的固态射频发生器的一个实施例的电路图。

具体实施方式

如图1所示，根据本发明的一个实施例，固态射频发生器的功率放大器及其输出电路包括：功率放大器5、定向耦合器6和阻抗匹配箱7。其中，功率放大器5是用两只MOSFET管采用他激、推挽方式工作，将高频功率信号进行放大并输出到下一级；定向耦合器6采集功率放大器5的入射功率信号和负载不匹配状态下的反射功率信号，用入射功率信号进行功率的自动控制，用反射功率信号进行电路保护；来自功率放大器5的高频功率通过定向耦合器6，在阻抗匹配箱7进行阻抗匹配后，将稳定的高频功率加到石英炬管负载上。

图2是根据本发明图1所示的功率放大器及其输出电路框图的一个实施例的电路图。高频功率信号源产生的高频功率信号接入功率放大器的推动变压器T₇的初级，推动变压器T₇的次级连接推挽式功率放大器。推挽式功率放大器由电容C₂₈、C₂₉和两只MOSFET管Q₈、Q₉组成。推动变压器T₇的次级通过电容C₂₈、C₂₉分别接到Q₈、Q₉的栅极，Q₈、Q₉的源极接地，Q₈、Q₉的漏极接输出变压器T₈的初级，输出变压器T₈的初级中心抽头接到直流电源上，输出变压器T₈的次级一端接地，另一端输出高频功率，用50Ω同轴电缆穿过定向耦合器，接到阻抗匹配箱的输入端。

图2中，定向耦合器用于采集功率放大器的入射功率信号和负载不匹配状态下的反射功率信号。装在同轴电缆馈线上的定向耦合器是由L₉、C₃₈、C₃₉和L₁₀、C₄₁、C₄₂、C₄₃两组取样方式组成。L₉、C₃₈、C₃₉取出入射功率电流和电压信号，经整流滤波后，接到乘法器U₁的输入端，U₁的输出端得到输出功率值信号，对功率放大器进行功率的自动控制。L₁₀、C₄₁、C₄₂、C₄₃采集的电流和电压信号，经相位叠加后，可得到反射功率值信号，该反射功率值信号将对负载不匹配状态下的反射功率过载进行自动保护。

图2中，阻抗匹配箱通过定向耦合器接收来自功率放大器的高频功率，在阻抗匹配箱进行阻抗匹配后，加到石英炬管负载上，完成点燃电感耦合等离子体(简称ICP)的工作。阻抗匹配箱由电感线圈T₉、高频瓷介电容C₄₅、空气可调电容C₄₆、真空可调电容C₄₇以及感应工作线圈L₁₁组成。穿过定向耦合器的高频功率输出接入匹配电路的输入端，即电感线圈T₉的抽头处。电感线圈T₉的一端接地，另一端接C₄₅、C₄₆和C₄₇的公共端。C₄₅、C₄₆另一端接地，C₄₇的另一端与感应工作线圈L₁₁串联后接地。感应工作线圈L₁₁中心插入石英炬管，当高频功率通过感应工作线圈L₁₁产生交变磁场时，石英炬管内氩原子在电火花的引导下进行放电产生ICP。特别提出的是，电感线圈T₉的插入起到升压作用，从而使ICP的点燃变得很容易。

根据本发明，图3显示了包含图1所示的功率放大器及其输出电路的固态射频发生器的一个实施例。

图3中，石英晶体振荡器1由石英晶体组成，产生一定的振荡频率。该振荡频率经由整形电路2滤除高次谐波获得纯正的正弦波传输给压电控制衰减器3。压电控制衰减器3收集来自功率控制和安全保护执行电路10的压电控制信号，通过该压电控制信号对来自整形电路2的高频信号的衰减量进行控制，从而有效的控制了输入到前置放大器4的输入信号的幅值，并最终实现对固态射频发生器输出功率的控制。前置放大器4的输出功率加到功率放大器5中，经功率放大器5进行功率放大。功率放大器5是由两支MOSFET管组成的推挽式功率放大器。功率放大器5的输出功率信号通过定向耦合器6时，定向耦合器6采集功率放大器5的高频入射功率信号和反射功率信号的数据，以产生入射和反射的控制信号。功率放大器5的高频功率通过同轴电缆馈线穿过定向耦合器6，接入到阻抗匹配箱7的输入端。高频功率在阻抗匹配箱7进行阻抗匹配后，加到石英炬管负载8上，完成点燃ICP的工作。步进电机气体流量等受控系统12向阻抗匹配箱7注入可变电容的控制信号，步进电机改变可变电容的容量，从而实现输出阻抗的匹配和电路的谐振，确保MOSFET管在低电流安全状态下工作。阻抗匹配箱7输出的高频功率加到石英炬管负载8上，在石英炬管负载8内通入氩气，并引入电火花后，氩原子在高频磁场下电离为正负相等的离子称为等离子体。由于电离放电过程产生大量的热能，在石英炬管内的氩原子电离放电过程称为点火，点燃后的ICP就像火炬一样，称之为等离子炬。

图3中，定向耦合器6耦合的入射功率信号，加到功率控制和安全保护执行电路10，控制压电控制衰减器3的衰减量以达到控制放大器的输出功率稳定。定向耦合器6耦合的反射功率信号加到安全保护控制电路9中，安全保护控制电路9控制功率放大器5中的MOSFET管的工作状态，使功率放大器5的输出功率控制在一定范围内，此保护称为一级保护。当反射功率信号在一级保护状态下，仍超过设定的阀值时，安全保护控制电路9输出另一路控制信号，通过功率控制和安全保护执行电路10加到压电控制衰减器3上，使压电控制衰减器3断开频率源的输出。与此同时，安全保护控制电路9还输出又一路控制信号加到微处理器和控制电路11中，使微处理器产生中断，该中断信号通过步进电机气体流量等受控系统12使ICP火炬熄灭。这一保护电路称为二级保护。

微处理器和控制电路11是固态射频发生器的控制中心，记录固态射频发生器的工作状态并产生控制指令。微处理器和控制电路11产生的一路控制指令传送到功率控制和安全保护执行电路10，完成对功率的控制操作；微处理器和控制电路11产生的另一路控制指令传送到步进电机气体流量等受控系统12，完成对步进电机和气体流量的控制。

图3中的水压气压温度传感器组13是采集发生器各部分工作状态的传感器电路，包括冷却水压力、温度、氩气压力、电源电压和电流，水压气压温度传感器组13将采集到的信息传递到微处理器和控制电路11。电源14是用于供给发生器各部分电路工作的电源，保证各部分电路正常工作。

图4是根据本发明图3所示固态射频发生器的一个实施例的电路图。图4中，石英晶体振荡器1产生27.12MHz的振荡频率。该振荡频率经由整形电路2滤除高次谐波获得纯正的27.12MHz正弦波传输给压电控制衰减器3。其中，整形电路2是LC谐振整形电路。压电控制衰减器3通过来自功率控制和安全保护执行电路10的压电控制信号对来自整形电路2的高频信号的衰减量进行控制，从而达到对前置放大器4的输入信号的幅值进行控制。前置放大器4由两级前置放大器组成，来自压电控制衰减器3的高频功率信号经第一级Q₅放大，通过传输变压器T₂和T₃加到第2级Q₆、Q₇的栅极上，Q₆、Q₇的漏极输出通过变压器T₄、T₅和T₆加到功率放大器5的变压器T₇的初级上。前置放大器4的输出功率控制在0-50瓦。

图4中的功率放大器5是由2支MOSFET管Q₈、Q₉组成的推挽式功率放大器。Q₈、Q₉的工作电压为160-200伏，最大工作电流限制为12安培。从前置放大器4输出的射频功率信号通过变压器T₇加到Q₈、Q₉的栅极上，Q₈、Q₉的源极接地，Q₈、Q₉的漏极通过输出变压器T₈将阻抗变成50欧姆，由50欧姆同轴电缆穿过定向耦合器6加到阻抗匹配箱7上，功率放大器5的最大输出功率为1400瓦。

图4中的定向耦合器6用于采集功率放大器5的入射功率信号和阻抗不匹配时的反射功率信号，以产生入射和反射控制信号。装在同轴电缆馈线上的定向耦合器6是由L₉、C₃₈、C₃₉和L₁₀、C₄₁、C₄₂、C₄₃两组取样方式组成。L₉、C₃₈、C₃₉采集入射功率的电流和电压信号，经整流滤波后，接到乘法器U₁的输入端，U₁的输出端得到电流和电压相乘的输出功率值信号，通过功率控制和安全保护执行电路10加到压电控制衰减器3上，对前置放大器4的入射功率进行自动控制。L₁₀采集的电流信号和C₄₁、C₄₃、C₄₂采集的电压信号，经相位叠加后，可得到反射功率值信号，加到安全保护控制电路9上，对反射功率过载进行自动保护。

图4中的阻抗匹配箱7接收来自前级输出的高频功率，进行阻抗匹配后加到石英炬管负载上，完成点燃ICP的工作。阻抗匹配箱7由升压电感线圈T₉，真空可调电容C₄₇，空气可调电容C₄₆和高频瓷介电容C₄₅及感应工作线圈L₁₁组成。由于点燃ICP前和点燃I CP后的阻抗不同，可调电容C₄₆和C₄₇须跟踪调整，在确保MOSFET管在低电流安全状态下工作的同时，达到输出阻抗的匹配。电感线圈T₉是阻抗匹配箱的重要组成部分，它的作用是起到升压功能，使点燃ICP很容易实现。

图4中石英炬管负载8是由感应线圈L₁₁和石英炬管组成。L₁₁既是阻抗匹配箱7的组成部分又是石英炬管负载8的重要组成部分。高频功率通过L₁₁加到石英炬管上，在石英炬管内通入氩气，并引入电火花后，氩原子在高频磁场下电离为正负相等的离子称为等离子体。石英炬管负载8是电路的终端负载，电路中所有功能都是围绕着使ICP在27.12MHz下，输出功率在700-1400瓦稳定的工作，以保证ICP-AES射频发生器的稳定。

图4中的安全保护控制电路9，从定向耦合器6中取出的反射功率值信号，当该反射功率值信号达到电位器R₃₈设定的值时，比较器将Q₁₀截止，切断MOSFET管Q₈、Q₉的栅偏压，降低输出功率，完成一级保护。当反射功率值信号在一级保护状态下，仍超过设定的阀值时，安全保护控制电路9输出另一路控制信号，通过功率控制和安全保护执行电路10加到压电控制衰减器3上，使压电控制衰减器3断开频率源的输出。此外，安全保护控制电路9还将又一路控制信号输入到微处理器和控制电路11中，使微处理器和控制电路11产生中断，该中断信号通过步进电机气体流量等受控系统12使ICP火焰熄灭，完成二级保护。

图4中，步进电机气体流量等受控系统12内的步进电机及驱动器M₁连接阻抗匹配箱的空气可调电容器C₄₆，步进电机及驱动器M₂连接阻抗匹配箱的真空可调电容器C₄₇，当高频功率加到阻抗匹配箱时，C₄₆、C₄₇两只电容就由微处理器和控制电路11给出指令，通过步进电机的驱动电路使步进电机转动进行跟踪调谐，以保持电路在谐振状态下输出阻抗的匹配。终端负载石英炬管内所通的氩气流量也是由电子流量计受控微处理器和控制电路11来完成的。

以上所述仅为本发明的一种优选实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种功率放大器及其输出电路构成的电路系统，包括功率放大器、定向耦合器和阻抗匹配箱，其特征在于：

功率放大器包括推动变压器(T₇)、推挽式功率放大器、输出变压器(T₈)，高频功率信号源产生的射频功率信号接入推动变压器(T₇)的初级，推动变压器(T₇)的次级连接推挽式功率放大器；推挽式功率放大器将高频功率放大后通过输出变压器(T₈)将功率输出到阻抗匹配箱；其中，推挽式功率放大器包括两个电容(C₂₈、C₂₉)和两只半导体场效应管(Q₈、Q₉)，以他激、推挽方式工作，推动变压器(T₇)的次级通过两个电容(C₂₈、C₂₉)分别接到两只半导体场效应管(Q₈、Q₉)的栅极，两只半导体场效应管(Q₈、Q₉)的源极接地、漏极接输出变压器(T₈)的初级；

定向耦合器，通过采集入射高频功率的电流和电压信号，将电流和电压信号经过整形滤波后通过乘法器得到输出功率值信号，用该信号进行功率的自动控制；定向耦合器通过采集反射高频功率的电流和电压信号，将电流和电压信号相位叠加后得到反射功率值信号，该反射功率值信号将对负载不匹配状态下的反射功率过载进行电路自动保护；

阻抗匹配箱，来自功率放大器的高频功率通过定向耦合器，在阻抗匹配箱进行阻抗匹配后，输出稳定的高频功率加到石英炬管负载上。

2.根据权利要求1所述的功率放大器及其输出电路构成的电路系统，其特征在于，输出变压器(T₈)的初级中心抽头接到直流电源上，输出变压器(T₈)的次级一端接地，另一端输出高频功率。

3.根据权利要求1-2中任一项所述的功率放大器及其输出电路构成的电路系统，其特征在于，阻抗匹配箱包括一个电感线圈(T₉)、一个固定电容(C₄₅)、两个可调电容(C₄₆、C₄₇)和一个感应工作线圈(L₁₁)，电感线圈(T₉)按自耦升压方式接入，固定电容(C₄₅)和一个可调电容(C₄₆)起阻抗匹配作用，另一个可调电容(C₄₇)起调谐作用。

4.根据权利要求3所述的功率放大器及其输出电路构成的电路系统，其特征在于，阻抗匹配箱电感线圈(T₉)的一端接地，另一端接三个电容的公共端，其中起阻抗匹配作用的固定电容(C₄₅)和可调电容(C₄₆)的另一端接地，起调谐作用的另一个可调电容(C₄₇)的另一端与感应工作线圈(L₁₁)串联后接地。

5.根据权利要求4所述的功率放大器及其输出电路构成的电路系统，其特征在于，阻抗匹配箱的输入端是电感线圈(T₉)的中心抽头，电感线圈起升压作用。

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