三倍频器设计解读.doc

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： 090405021 学生姓名： 指导教师： 教师职称： 讲师 起止时间： 2012.6.292012.7.8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 日辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 （论 文）目录第一章 倍频器工作原理分析11.1工作原理11.2晶体管倍频原理电路、工作状态及其特点2第二章 丙类倍频器功效分析4第三章 三倍频器的主要质量指标73.1 变频增益73.2 失真和干扰73.3 选择性73.4噪声系数7第四章 电路设计与仿真8第五章 设计分析与总结10参考文献1111第一章 倍频器工作原理分析1.1工作原理倍频器（Frequency double）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。主振器放大或倍频放大或倍频图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 n=1LrCr（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ns上，n不宜过大，否则电流太小（2）LC 选频网络选出ns分量，滤除大于或小于ns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nPoIcnm=iCmaxn()Vbm可能导致B-E结击穿；若nQe10n，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ub=ubmcostuc=ucnmcosnt而晶体管极间瞬时电压可写成为ube=vbb+u bmcostuce=vcc-ucnmcost式中 ,ucnm 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Pon=12VcmIcnm=12Vccimaxncn=PonP=12VcmIcnmVccIco=12gnc式中 gn=IcnmIco=ncnoc由余弦脉冲分解系数可知 ,无论导通角c为何值,c均小于1c,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c的选取上,必须满足c=120/n因为 n=2时, c=60, 2c=0.536为最大值;有n=3时, c=40 3c=0.276为最大值。所以,三倍频器的c应取40 。这样,对应的输出功率和效率达最大。这时与c=120时的放大器输出功率相比较有：Po2Po1=n60no120=0.52Po2Po1=n40no120=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c越小。为了减小c，就必须倍频器的基极反向偏压-Vbb。 Vbb加大后基极激励电压Vbm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4.1 3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，20092高频电子线路.林春芳.北京：高等教育出版社，20023电子技术课程设计.彭介华.北京：高等教育出版社，19974常用电子电器电路精选.曲学基.武汉：电子工业出版社，19915电子技术实验与课程设计.蔡忠法.杭州：浙江大学出版社，20036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。6、黑发不知勤学早，白首方悔读书迟。颜真卿7、宝剑锋从磨砺出，梅花香自苦寒来。8、读书要三到：心到、眼到、口到9、玉不琢、不成器，人不学、不知义。10、一日无书，百事荒废。陈寿11、书