Eine Möglichkeit wäre im Chip:
Du erzeugst eine analoge Spannung mit deinem Poti und lässt den AVR diese Spannung messen. (Muss ja nicht höllisch genau sein) Ich gehe mal von einer ADC-Leitung mit 10 Bit aus.
Jetzt lässt du die PWM-Signale nicht direkt erzeugen (mit der Sinus-Folge), sondern multiplizierst deine PWM-Folge mit <ADC-Wert>/1024. Damit wird die Amplitude im Chip errechnet und du hast (theoretisch) genau das selbe Signal wie ohne Poti-Konstruktion.

Warum das mit den Transistoren nicht klappt, liegt vermutlich (ich weiß es nicht genau) daran, das die Transistoren beim Einschalten vom sperrenden Zustand über den verstärkenden Zustand (Ib ~ Ic) in den übersättigten Zustand und andersherum schalten. Damit würde beim Einschalten das Signal leicht verzerrt, da erst der Transistor voll durchschalten muss.
Du solltest mal suchen nach speziellen HF-Transistoren. Vllt. lässt sich auch was mit FETs machen (die sind immer ohmisch).
Eine andere Möglichkeit wäre (je nach gewünschter Ausgangsleistung !?!) statt mit dem Transistor eine Spannung von 1V zu modulieren (mit der PWM), eine Spannung von 1 V zu modulieren (mit der Sinus-Spannung nach den Filtern) oder aber (dazu bracuhst du FETs) die Ausgangsspannung des AVRs über einen dynamischen Spanungsteiler zu jagen. (Ein Widerstand und ein FET werden in Reihe geschalten; Widerstand an Drain. An den Widerstand kommt der Ausgang des AVRs, an Source kommt Masse. Nun bestimmt die Spannung am Gate den Widerstand des FETs)

Ich hoffe geholfen zu haben.