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

目录

第一章倍频器工作原理分析 (1)

1.1工作原理 (1)

1.2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 (7)

3.1 变频增益 (7)

3.2 失真和干扰 (7)

3.3 选择性 (7)

3.4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 (11)

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。

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

V im与高频输入信号电压振幅V sm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

V

V A

sm

im vc

=

另一种表示方法为：

P

P A pc

s

i 高频输入信号功率

更高频输出信号功率

=

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。