三倍频器设计解读.docx

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三倍频器设计解读

辽宁工业大学

高频电子线路课程设计（论文）

题目：

3倍频器电路设计

学院：

电子与信息工程学院

专业班级：

通信091

学号：

*********

学生姓名：

指导教师：

教师职称：

讲师

起止时间：

2012.6.29——2012.7.8

课程设计（论文）任务及评语

院（系）：

电子与信息工程学院教研室：

通信教研室

学号

090405021

学生姓名

王广超

专业班级

通信091

课程设计（论文）题目

3倍频器电路设计

课程设计（论文）任务

设计内容：

1．用EWB仿真。

设计电路，输出的信号频率为输入信号频率的3倍

2．能够观察输入输出波形，并比较输入与输出信号频率的关系。

设计参数：

设输入信号频率100000Hz，幅度自定。

设计要求：

1.分析设计要求，明确性能指标。

必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。

2.确定合理的总体方案。

以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。

3.设计各单元电路。

总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。

4.组成系统。

在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。

指导教师评语及成绩

平时成绩（20%）：

答辩成绩（30%）：

论文成绩（50%）：

总成绩：

指导教师签字：

年月日

第一章倍频器工作原理分析

1.1工作原理

倍频器（Frequencydouble）是一种输出频率等于输入频率整数倍的电路，用以提高频率，如下图所示的例子。

图1.1倍频器的应用

采用倍频器以下优点：

发射机的主振频率可以降低，这对稳频是有利的。

因为振荡器的频率越高，频率稳定度就越低。

一般主振频率不宜超过5MHz。

因此，发射频率高于5MHz的发射机，一般宜采用倍频器。

在采用石英晶体稳频时，振荡频率越高，石英晶体越薄，越易震碎。

一般来说，最薄的石英晶体的固有振荡频率限制在20MHz以下。

超过这一频率，就宜在石英振荡器后面采用倍频器。

如果中间级既可以工作在放大状态，也可以工作于倍频状态，那么就可以在不扩展主振波段的的情况下，扩展发射机的波段。

这对稳频是有利的，因为振荡波段越窄，频率稳定度就越高。

倍频器的输入与输出不同，因而减弱了寄生耦合，使发射机的工作稳定性提高。

如果是高频或调相发射机，则可采用倍频器来加大频移或相移，亦即加深调制度。

在超高频段难以获得足够的功率，可采用参量倍频器将频率较低、功率较大的信号转变为频率较高、功率亦较大的输出信号。

倍频器按其工作原理可分为三类。

一类是和丙类放大器电流脉冲中的谐波经选频回路获得倍频。

第二类是利用模拟乘法器实现倍频。

第三类是利用PN结电容的非线性变化,得到输入信号频率的谐波,经选频回路获得倍频,称为参量倍频器。

当工作频率为几十MHz时,主要采用三极管丙类倍频器,而当工作频率高于１０００ＭＨＺ时,主要采用变容二极管、阶跃二极管构成的参量倍频器。

乘法器构成的倍频器主要受乘法器的上限工作频率的限制。

本次设计的3倍频器电路是一种主要采用丙类功率放大器的晶体管倍频器，即丙类倍频器。

其原理图如图1.2所示。

图1.2丙类倍频器

1.2晶体管倍频原理电路、工作状态及其特点

（一）电路：

与丙类谐振功放相似，不同点在于LrCr谐振在

（二）工作状态：

（1）应工作在欠压或临界状态

（2）一般不工作在过压状态的原因：

　a）需很大的激励功率，使功率管增益明显下降

　b）晶体管进入饱和区输出阻抗明显降低，致使下降，严重影响滤波能力

（三）特点：

（1）谐振在nωs上，n不宜过大，否则电流太小

（2）LC选频网络选出nωs分量，滤除大于或小于nωs的分量，要求滤波条件苛刻。

（3）n一般采取2或3，不宜过大，否则会导致：

若

　　可能导致B-E结击穿；

若

，LC回路难以选择，所以n一般为2或3。

（四）电路：

（1）高的倍频可以用n个二倍频或三倍频电路级联

（2）采用推挽电路：

　a）若输出电流差分，可实现奇数倍频

b）若输出电流之和，可实现偶数倍频

第二章丙类倍频器功效分析

图2.1丙类功率放大器工作原理图

图2.1是一个丙类功率放大器原理图

在丙类工作时,晶体管集电极电流脉冲中含有丰富的谐波分量。

如果把集电极谐振回路调谐在二次谐波或三次谐波频率上。

那么,放大器只有二次谐波电压或三次谐波电压输出。

这样的丙类放大器就成为二倍频器或三倍频器。

倍频器的输入、输出电压瞬时值可写为

而晶体管极间瞬时电压可写成为

式中,

为回路两端的n次谐波电压振幅。

利用高频功率放大器的分析结果,n次倍频器输出的功率和效率为

式中

由余弦脉冲分解系数可知,无论导通角

为何值,

均小于

也就是在同样条件下,丙类倍频器的输出功率都低于丙类放大器的输出功率和效率。

    为了提高输出功率和效率,丙类倍频器在导通角

的选取上,必须满足

=120/n因为n=2时,

=60°,

=0.536为最大值;有n=3时,

=40°·

=0.276为最大值。

所以,三倍频器的

应取40°。

这样,对应的输出功率和效率达最大。

这时与

=120°时的放大器输出功率相比较有：

=0.52

=0.35

由此可见，在采用最佳通角值的情况下，二次倍频器的输出功率只能约等于它作为放大器时的1/2，三次倍频器的输出功率只能约等于它作为放大器时的1/3。

同样由效率公式可以推出它的效率也随着倍频次数n的增加而下降。

由以上的讨论可见，随着倍频次数n的增大，它的输出功率与效率下降。

同时，n越高，最佳的

越小。

为了减小

，就必须倍频器的基极反向偏压-

。

加大后基极激励电压

也加大。

对于晶体管电路来说，增加激励电压与偏压，就可能是发射结的反向偏压超过击穿电压。

所以单级丙类倍频器一般只作为二倍频器或三倍频器使用。

若要提高倍频次数,可以采用多级丙类倍频器来实现。

第三章三倍频器的主要质量指标

3.1变频增益

二倍频器输出电压振幅

与高频输入信号电压振幅

之比，成为变频电压增益或变频放大倍数，表示如下：

变频电压增益

另一种表示方法为：

显然，边频增益高对提高接收机的灵敏度有利。

3.2失真和干扰

失真有频率失真和非线性失真。

由于非线性还会产生组合频率、交叉调制与互相调制、阻塞和易倒混频干扰。

这些是二倍频器产生的特有干扰。

3.3选择性

接收有用信号，排除干扰信号的能力决定于高频输出回路的选择性是否良好。

3.4噪声系数

二倍频器的噪声系数对接收设备的总噪声系数影响很大，应尽量低。

这就要求很好的选择所用器件和工作点电流。

第四章电路设计与仿真

输入信号为幅值为10V的正弦交流信号，频率为任务所要求的100KHZ。

经计算变频电路中的电感分别取值0.531uH,1mH,电容分别取值1uF，0.531uF。

直流电压为12V，为晶体管集电极提供偏压，滤波电路滤除杂波，使输出稳定。

整体电路如图4.1.

图4.13倍频器涉及电路图

将该电路在EWB环境下进行仿真模拟，滤波器显示如图4.2：

图4.2电路仿真结果示波器显示

示波器显示图中，位于上侧的是输出信号，下侧为输入的正弦信号。

由图形可分析知，输入信号为100KHz,输出信号频率为300KHz,达到了3倍频的设计参数要求，输出图形没有较明显的失真，基本满足了设计要求。

第五章设计分析与总结

本次设计的要求是设计一个3倍频器电路，即输出信号频率是输出信号频率的3倍。

在晶体管倍频器和参数倍频器中选择栏晶体管倍频器。

晶体管倍频器以晶体管放大电路为基础组成频率放大电路。

其中包含了倍频电路与滤波电路，分别进行频率放大与频率选择。

电路中以12V直流电源为晶体管提供集电极偏压，电容与电感的参数值均为计算所得。

总体电路设计完成之后，在EWB环境中进行仿真模拟，调试校正，调得最佳状态。

从图中解析，输出信号达到了300KHZ，是输入信号的3倍，达到了设计要求，幅值增益与衰减也在允许范围内，基本符合了设计任务的要求。

但是，仿真结果中，输出信号出现了类似于振荡的失真与衰减，经调整参数后仍无法消除。

分析后认为，可能是由于晶体管的静态工作点不够理想所致，应设法予以减小。

参考文献

[1]高频电子线路.张肃文.北京：

高等教育出版社，2009

[2]高频电子线路.林春芳.北京：

高等教育出版社，2002

[3]电子技术课程设计.彭介华.北京：

高等教育出版社，1997

[4]常用电子电器电路精选.曲学基.武汉：

电子工业出版社，1991

[5]电子技术实验与课程设计.蔡忠法.杭州：

浙江大学出版社，2003

[6]现代电子技术实践课程指导.谢云,易波.北京：

机械工业出版社，2003

读书的好处

1、行万里路，读万卷书。

2、书山有路勤为径，学海无涯苦作舟。

3、读书破万卷，下笔如有神。

4、我所学到的任何有价值的知识都是由自学中得来的。

——达尔文

5、少壮不努力，老大徒悲伤。

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7、宝剑锋从磨砺出，梅花香自苦寒来。

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心到、眼到、口到

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10、一日无书，百事荒废。

——陈寿

11、书是人类进步的阶梯。

12、一日不读口生，一日不写手生。

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14、书到用时方恨少、事非经过不知难。

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15、读一本好书，就如同和一个高尚的人在交谈——歌德

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