本發(fā)明屬于測試分析儀器射頻發(fā)生器領(lǐng)域，特別涉及一種全差分驅(qū)動的射頻發(fā)生器，適用于電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(icp-oes)和電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(icp-ms)等儀器，是激發(fā)和維持等離子體的能量來源。

背景技術(shù)：

目前，電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(icp-oes)和電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(icp-ms)在檢測領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，在現(xiàn)代鋼鐵、化工、冶金、材料、生物、環(huán)境、醫(yī)藥衛(wèi)生等領(lǐng)域的元素成分和含量分析測試中起著重要的作用。作為等離子體能量來源的射頻發(fā)生器的性能直接影響著儀器整體的分析和測試性能。

由于icp射頻發(fā)生器通常工作在幾百瓦至幾千瓦的功率，形成的等離子體中心電勢也較高，這對于提高儀器的整體分析性能是十分不利的。就icp-ms而言，實(shí)驗表明，若能將等離子體的中心電勢降為零，其分析元素的靈敏度將得到相當(dāng)?shù)奶岣摺?/p>

當(dāng)前，固態(tài)它激式射頻發(fā)生器的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，其在頻率穩(wěn)定性和功率穩(wěn)定性方面有著相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢，但是它激式射頻發(fā)生器需要單獨(dú)的匹配器來配合等離子的激發(fā)和維持，匹配器的體積與射頻發(fā)生器本身的體積相當(dāng)，而且其阻抗匹配調(diào)節(jié)速度也較慢，一般為2～3秒。隨著相關(guān)射頻技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，目前自激式射頻發(fā)生器在頻率穩(wěn)定性和功率穩(wěn)定性方面取得了相當(dāng)?shù)陌l(fā)展，而且自激式射頻發(fā)生器不需要單獨(dú)的匹配器來完成等離子的激發(fā)和維持，其阻抗匹配的速度僅為10毫秒左右。相比于它激式射頻發(fā)生器，其體積可以減小至原來的一半，而且匹配速度是它激式射頻發(fā)生器的200～300倍。這對于儀器的小型化和儀器整體分析性能的提高起到了至關(guān)重要的作用。

同時，為了適應(yīng)更復(fù)雜的基體，高功率的射頻發(fā)生器也是必須的。

所以低的等離子體電勢、小體積、大功率、高速匹配是目前射頻發(fā)生器追求的目標(biāo)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種全差分驅(qū)動的射頻發(fā)生器，解決等離子體電勢較高的問題，同時結(jié)合了鎖相環(huán)(pll)技術(shù)和多路功率合成技術(shù)，使得射頻發(fā)生器阻抗匹配速度更快，功率范圍更大，可以更好地激發(fā)和維持等離子體，能夠適應(yīng)更復(fù)雜的基體。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案：

本發(fā)明提供一種全差分驅(qū)動的射頻發(fā)生器，該射頻發(fā)生器包括主控電路1、直流電源2、pll信號發(fā)生電路3、驅(qū)動電路4、功率分配器5、第一功率放大電路6、第二功率放大電路7、第一阻抗匹配電路8、第二阻抗匹配電路9和負(fù)載線圈10；其中：

主控電路1控制整個射頻發(fā)生器電源的供給、pll信號的產(chǎn)生、功率的控制和電路的保護(hù)；

直流電源2為pll信號發(fā)生電路3、驅(qū)動電路4、第一功率放大電路6和第二功率放大電路7提供直流工作電壓；

pll信號發(fā)生電路3連接驅(qū)動電路4，驅(qū)動電路4經(jīng)功率分配器5分別連接第一功率放大電路6和第二功率放大電路7；第一功率放大電路6和第二功率放大電路7分別連接第一阻抗匹配電路8和第二阻抗匹配電路9；

第一阻抗匹配電路8和第二阻抗匹配電路9分別將第一功率放大電路6和第二功率放大電路7產(chǎn)生的射頻信號傳送至負(fù)載線圈10的兩端；

pll信號發(fā)生電路3產(chǎn)生的信號頻率由pll信號發(fā)生電路3的兩路輸入信號，即第一相位信號11和第二相位信號12的相位差決定；

其中，第一相位信號11取自一路負(fù)載線圈10的輸入，即第一阻抗匹配電路8或第二阻抗匹配電路9的輸出；第二相位信號12取自一路功率放大電路的輸出，即第一功率放大電路6或第二功率放大電路7的輸出；

第一功率放大電路6和第二功率放大電路7以電壓控制輸出電流的方式輸出兩路幅值相等、相位相差180度的全差分大功率射頻信號。

所述驅(qū)動電路4采用三級放大電路放大pll信號發(fā)生電路3產(chǎn)生的信號。

所述第一功率放大電路6和第二功率放大電路7均采用金氧半場效晶體管mosfet。

所述第一阻抗匹配電路8和第二阻抗匹配電路9將第一功率放大電路6和第二功率放大電路7的輸出阻抗與負(fù)載線圈10的輸入阻抗進(jìn)行阻抗匹配，將第一功率放大電路6和第二功率放大電路7的輸出信號最大限度地傳送至負(fù)載線圈10。

所述第一阻抗匹配電路8和第二阻抗匹配電路9完全相同。

所述負(fù)載線圈10作為射頻功率的負(fù)載，由空心銅管螺旋纏繞而成，其兩端分別接收兩路幅值相等、相位相差180度的射頻功率信號，線圈的中心電勢接近于零；在高壓點(diǎn)火器的高壓作用以及射頻磁場的作用下將氬氣或者其它氣體激發(fā)，產(chǎn)生等離子體。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明采用全差分驅(qū)動電路，使兩路幅值相等、相位相差180度的射頻信號分別作用于負(fù)載線圈兩端；將pll技術(shù)與現(xiàn)有的射頻放大電路技術(shù)相結(jié)合；通過調(diào)頻的方式達(dá)到阻抗匹配。

本發(fā)明全差分驅(qū)動射頻發(fā)生器形成的等離子體中心的電勢接近于零；采用多級驅(qū)動和多級放大的方式大大提高了射頻輸出功率的范圍，最大功率可達(dá)幾千瓦；不需要獨(dú)立的匹配器，大大減小了射頻發(fā)生器的體積；相比于傳統(tǒng)的匹配器調(diào)節(jié)方式匹配調(diào)節(jié)速度快，可控制在幾十毫秒以內(nèi)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明全差分驅(qū)動的射頻發(fā)生器的結(jié)構(gòu)框架圖；

圖2為本發(fā)明的一個實(shí)施例的pll信號發(fā)生電路3的示意圖；

圖3為本發(fā)明的一個實(shí)施例的驅(qū)動電路4的示意圖；

圖4為本發(fā)明的一個實(shí)施例的第一功率放大電路6和第二功率放大電路7的示意圖；

圖5為本發(fā)明的一個實(shí)施例的第一阻抗匹配電路8和第二阻抗匹配電路9的示意圖；

圖6為本發(fā)明的負(fù)載線圈10兩端輸入信號的波形圖。

其中的附圖標(biāo)記為：

1主控電路2直流電源

3pll信號發(fā)生電路4驅(qū)動電路

5功率分配器6第一功率放大電路

7第二功率放大電路8第一阻抗匹配電路

9第二阻抗匹配電路10負(fù)載線圈

11第一相位信號12第二相位信號

13鑒相器14環(huán)路濾波器

15壓控振蕩器vco

c1～c7為電容

l1～l2為電感

q1～q20為放大管

t1～t5為變壓器

pll_out為pll信號發(fā)生電路3的輸出信號

set_value為放大管q2偏置電壓

drive_out為變壓器t2輸出信號

vdrive1、vdrive2為變壓器t3輸出信號

rf_out1為第一功率放大電路6的輸出

rf_out2為第二功率放大電路7的輸出

rf_out1'、rf_out2'分別為第一阻抗匹配電路8和第二阻抗匹配電路9的輸出，即負(fù)載線圈10的兩路輸入

fa、fb為鑒相器13兩路輸入信號

fout為壓控振蕩器vco15的輸出信號

zin為功率放大電路輸出阻抗

zl為負(fù)載線圈輸入阻抗

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明。

本發(fā)明的全差分驅(qū)動的射頻發(fā)生器，包括主控電路1、直流電源2、pll信號發(fā)生電路3、驅(qū)動電路4、功率分配器5、第一功率放大電路6、第二功率放大電路7、第一阻抗匹配電路8、第二阻抗匹配電路9和負(fù)載線圈10。

主控電路1控制整個射頻發(fā)生器電源的供給、pll信號的產(chǎn)生、功率的控制和電路的保護(hù)。

直流電源2為pll信號發(fā)生電路3、驅(qū)動電路4、第一功率放大電路6和第二功率放大電路7提供直流工作電壓。

所述驅(qū)動電路4采用三級放大電路放大pll信號發(fā)生電路3產(chǎn)生的信號以增大驅(qū)動能力；功率分配器5將驅(qū)動電路4的輸出信號分配給第一功率放大電路6和第二功率放大電路7。

pll信號發(fā)生電路3連接驅(qū)動電路4，驅(qū)動電路4經(jīng)功率分配器5分別連接第一功率放大電路6和第二功率放大電路7；第一功率放大電路6和第二功率放大電路7分別連接第一阻抗匹配電路8和第二阻抗匹配電路9。

第一阻抗匹配電路8和第二阻抗匹配電路9分別將第一功率放大電路6和第二功率放大電路7產(chǎn)生的射頻信號傳送至負(fù)載線圈10的兩端，為負(fù)載線圈10提供射頻能量以激發(fā)并維持等離子體。

pll信號發(fā)生電路3產(chǎn)生特定頻率范圍的正弦信號，具體的信號頻率由pll信號發(fā)生電路3的兩路輸入信號，即第一相位信號11和第二相位信號12的相位差決定；

其中，第一相位信號11取自一路負(fù)載線圈10的輸入，即第一阻抗匹配電路8或第二阻抗匹配電路9的輸出；第二相位信號12取自一路功率放大電路的輸出，即第一功率放大電路6或第二功率放大電路7的輸出。

負(fù)載線圈10的電路參數(shù)，尤其是阻抗參數(shù)在等離子體激發(fā)前后以及激發(fā)不同樣品時會發(fā)生變化，為了匹配負(fù)載線圈10阻抗的變化，使得功率放大電路產(chǎn)生的射頻信號最大限度地傳送給負(fù)載線圈10，pll信號發(fā)生電路3會相應(yīng)地調(diào)整產(chǎn)生信號的頻率，該過程是一個閉環(huán)的實(shí)時的動態(tài)調(diào)整過程，如果負(fù)載阻抗不發(fā)生變化，pll信號發(fā)生電路3會一直維持某個固定的頻率的信號，直到負(fù)載阻抗發(fā)生變化。最終輸出兩路幅值相等、相位相差180度的射頻信號，分別加載在負(fù)載線圈10的兩端，由于兩路幅值相等、相位相差180度，所以等離子體電勢將接近于零電勢，這對于提高儀器的整體分析性能相當(dāng)重要。

第一功率放大電路6和第二功率放大電路7均采用金氧半場效晶體管mosfet，以電壓控制輸出電流的方式輸出兩路幅值相等、相位相差180度的全差分大功率射頻信號，兩路射頻信號的總功率可達(dá)幾千瓦。

第一阻抗匹配電路8和第二阻抗匹配電路9將第一功率放大電路6和第二功率放大電路7的輸出阻抗與負(fù)載線圈10的輸入阻抗進(jìn)行阻抗匹配，將第一功率放大電路6和第二功率放大電路7的輸出信號最大限度地傳送至負(fù)載線圈10。第一阻抗匹配電路8和第二阻抗匹配電路9完全相同。

負(fù)載線圈10作為射頻功率的負(fù)載，由空心銅管螺旋纏繞而成，其兩端分別接收兩路幅值相等，相位相差180度的射頻功率信號，線圈的中心電勢接近于零；在高壓點(diǎn)火器的高壓作用以及射頻磁場的作用下將氬氣或者其它氣體激發(fā)，產(chǎn)生等離子體。

本發(fā)明所述的全差分驅(qū)動射頻發(fā)生器形成的等離子體中心電勢接近于零，不需要單獨(dú)的匹配器就能完成功率傳輸，功率連續(xù)可調(diào)，能夠適應(yīng)復(fù)雜的基體，匹配調(diào)節(jié)速度可控制在幾十毫秒以內(nèi)。

實(shí)施例

本發(fā)明的射頻發(fā)生器適用多個頻率段，比如13.56mhz、27.12mhz、40.68mhz等。為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明的一個實(shí)施例--27.12mhz頻段處全差分驅(qū)動的射頻發(fā)生器對本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

參照圖1所示，一種全差分驅(qū)動的射頻發(fā)生器的總體框圖，包括主控電路1、直流電源2、pll信號發(fā)生電路3、驅(qū)動電路4、功率分配器5、第一功率放大電路6、第二功率放大電路7、第一阻抗匹配電路8、第二阻抗匹配電路9以及負(fù)載線圈10。

所述全差分驅(qū)動的射頻發(fā)生器的各個模塊的直流電壓由直流電源2提供，主控電路1控制直流電源對各個模塊的電源輸出、pll信號和驅(qū)動電路信號的產(chǎn)生、功率的控制和電路的保護(hù)。

pll信號發(fā)生電路3產(chǎn)生的信號頻率由第一功率放大電路6處的第二相位信號12和第一阻抗匹配電路8處的第一相位信號11共同確定。pll信號發(fā)生電路3產(chǎn)生的信號經(jīng)驅(qū)動電路4初步放大后經(jīng)由功率分配器5進(jìn)入兩個功率放大電路，該驅(qū)動信號的大小由主控電路1根據(jù)所需功率的大小進(jìn)行控制。

經(jīng)第一功率放大電路6和第二功率放大電路7放大后的信號分別為rf_out1和rf_out2，且rf_out1和rf_out2幅值相等、相位相差180度。分別經(jīng)由第一阻抗匹配電路和第二阻抗匹配電路輸出兩路幅值相等、相位相差180度的射頻信號rf_out1'、rf_out2'，這兩路信號分別作用于負(fù)載線圈10的兩端。

下面結(jié)合圖2到圖6對全差分驅(qū)動的射頻發(fā)生器作進(jìn)一步說明。

如圖2所示，pll信號發(fā)生電路3包括鑒相器13、環(huán)路濾波器14和壓控振蕩器vco15。當(dāng)pll信號發(fā)生電路3開始工作時，壓控振蕩器15會輸出一個初始頻率，該頻率接近于pll信號發(fā)生電路3的工作頻率(27.12mhz)。之后，鑒相器13根據(jù)壓控振蕩器15的輸出頻率fout，即鑒相器13的一路輸入信號fb和鑒相器13的另一路輸入信號(參考頻率)fa之間的相位差產(chǎn)生一個相應(yīng)的誤差電壓，該誤差電壓經(jīng)環(huán)路濾波器14濾波后用于控制壓控振蕩器15的輸出頻率。如果誤差信號表明壓控振蕩器15的頻率fb低于參考頻率fa，則環(huán)路濾波器14調(diào)節(jié)控制電壓以提高壓控振蕩器15的輸出頻率；相反，若誤差信號表明壓控振蕩器15的頻率fb高于參考頻率fa，則環(huán)路濾波器14調(diào)節(jié)控制電壓以降低壓控振蕩器15輸出頻率。這樣，鑒相器13產(chǎn)生的誤差電壓首先會引導(dǎo)壓控振蕩器15的頻率和參考頻率嚴(yán)格一致，然后保持恒定的相位差，且維持頻率一致。

如圖3所示，為實(shí)施例中驅(qū)動電路4的示意圖，本實(shí)施例中采用三級驅(qū)動的方式。pll信號發(fā)生電路3的輸出信號pll_out信號經(jīng)第一級放大管q1放大后進(jìn)入第二級放大管q2，q2是增益可調(diào)的放大器，其增益由主控電路1的set_value電壓值來控制，然后經(jīng)傳輸線變壓器t1進(jìn)入由放大管q3和放大管q4組成的第三級放大電路，放大管q3和放大管q4的輸出經(jīng)變壓器t2合成后輸出drive_out。在替代實(shí)施例中，可以根據(jù)需要選擇不同數(shù)量不同類型的三極管、mosfet芯片以及這些組件和配置之外的組件和配置來實(shí)現(xiàn)。

如圖4所示，為第一功率放大電路6和第二功率放大電路7的示意圖，本實(shí)施例中功率放大器采用的方式為變壓器耦合的推挽式ab類工作方式，推挽式功率放大器中，負(fù)載電流的所有偶次諧波被消除，減小了輸出電壓的失真和總的諧波失真。該實(shí)施例中將mosfet分成了兩組,每組八個。第一組為q5～q12，其中q5～q8的驅(qū)動信號來自vdrive2，q9～q12的驅(qū)動信號來自vdrive1，q5～q8與q9～q12工作于ab類放大模式。第二組為q13～q20，其中q13～q16的驅(qū)動信號來自vdrive2，q17～q20的驅(qū)動信號來自vdrive1，q13～q16與q17～q20工作于ab類放大模式。t4和t5為合成器，分別將q5～q12和q13～q20合成輸出，得到兩路幅值相等，相位相差180度的大功率信號rf_out1和rf_out2。在替代實(shí)施例中，可以根據(jù)需要選擇不同數(shù)量不同類型的mosfet，采取不同的變壓器繞制方式，以及這些組件和配置之外的組件和配置來實(shí)現(xiàn)。

如圖5所示，為第一阻抗匹配電路8和第二阻抗匹配電路9的示意圖，為了使得從信號源即第一功率放大電路6和第二功率放大電路7輸出到負(fù)載線圈10實(shí)現(xiàn)最大可能的功率轉(zhuǎn)移，阻抗匹配通常是必需的，即功率放大電路輸出阻抗zin和負(fù)載線圈輸入阻抗zl阻抗匹配。在這個實(shí)施例中采用的是l型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。兩路阻抗匹配電路的輸出信號rf_out1'和rf_out2'幅值相等，相位相差180度，作用于負(fù)載線圈的兩端，在替代實(shí)施例中，可以根據(jù)需要選擇不同形式的匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，比如“t”形或者“π”形結(jié)構(gòu)，也可以選擇不同的元件數(shù)量和組合，例如有時為了實(shí)現(xiàn)更好的帶寬或者較高的q值可以采用多級級聯(lián)的匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

如圖6所示，為rf_out1'和rf_out2'兩路輸出信號的波形圖。兩路信號幅值相等，相位相差180度。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。