丙类倍频器的设计与仿真

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1、丙类倍频器的设计与仿真 摘要：基于晶体管丙类功率放大器的原理，设计晶体管丙类倍频器，给出了倍频器中基极偏置电路元件参数设计过程。利用Multisim软件对所设计电路进行了仿真，通过调整LC并联回路的谐振频率实现对输入信号的三倍频，根据输出信号的频谱图提出进一步优化电路的方法。仿真说明应用Multisim软件辅助设计丙类倍频器，可以使电路设计更加直观高效。关键词：倍频器；谐振；基极偏置；丙类放大中图分类号：TN771?34文献标识码：A文章编号：1004?373X202103?0088?03DesignandsimulationofclassCfrequencymultiplierSUNDong

2、?yanCollegeofElectronicInformationandOpticalEngineering，NankaiUniversity，Tianjin300071，ChinaAbstract：AclassCfrequencymultiplierwithatransistorisdesignedbasedontheprincipleofclassCpoweramplifier.Thedesignprocessofthecomponentvaluesofthebasebiascircuitareprovided.Multisimsoftwareisusedtosimulatethecir

3、cuitandtheresonantfrequencyofLCtankmultiplecircuitisadjustedtotriplethefrequencyoftheinputsignal.Theoptimizingmethodofthecircuitisproposedaccordingtothefrequencyspectrumoftheoutputsignal.ThesimulationresultshowsthatwiththeaideddesignofMultisim，thedesignofclassCfrequencymultiplierwillbemoreintuitivea

4、ndefficient.Keywords：frequencymultiplier；resonance；basebias；classCpoweramplifier0引言在无线电发射机等电子设备的中间级，常需要通过倍频器使输出信号的频率比输入信号频率成整数倍增加，不仅使工作频率提高，在调频系统中还可扩大频偏。倍频器按工作原理可以分为丙类倍频器和参量倍频器两大类1?2。丙类倍频器利用晶体管的非线性电阻效应，基于丙类放大器工作原理，用选频回路将输入正弦波的某次谐波选出，从而实现倍频功能。晶体管在非线性区工作时，折线分析法是较方便的工程计算方法，但频率进入中频和高频区便会由于晶体管的内部物理过程，使实际

5、值与计算数值可能有很大的不同【3】，往往是对晶体管电路的学习和应用中遇到的难点问题。在非线性电路的设计中利用先进的仿真软件可以在对参数理论计算的根底上，更快捷高效地实现电路的设计和优化，在教学上起到理论学习和实践能力培养的作用4?5。Multisim软件是美国国家仪器公司推出的一种功能强大的电路设计与仿真软件，包含丰富的电子元件库并可以自建仿真模型，有各类使用方便的虚拟仪器，既可对模拟或数字电路分别进行仿真，也可进行数模混合电路仿真6?8。特别是包含在射频电路设计中常用的可调电感、可调电容等可调元件，在仿真过程中可以实时调节元件参数，非常适合需要调谐的丙类放大电路的设计仿真9?11。本文首先介

6、绍丙类倍频器原理，然后利用Multisim软件设计并仿真一个三倍频电路。1丙类倍频器原理丙类倍频器的工作原理和丙类谐振式功率放大器的工作原理相同，电路图可用图1表示，不同的是输出谐振回路调谐于输入频率的谐波频率，因而集电极上呈现的交变电压的频率为输入频率的倍频。图1中，基极电路的电压间有以下关系：vBE=vb+VBB=Vbmcost+VBB1参看图2，iC为：iC=gCVbmcost+VBB-Vth，VbmcostVth-VBB2集电极电流流通角C满足：VbmcosC=Vth-VBB因而有：C=arccosVth-VBBVbm3将式3代入式2得：iC=gCVbmcost-cosC，t-2k0对

7、应正向基极偏压，VBB0对应反向偏压。在固定偏置根底上参加发射极自给偏置，相当于一个负反响可稳定偏置电压。由于集电极电流脉冲的高次谐波的分解系数总小于基波分解系数，所以，倍频器的输出功率和效率都低于基波放大器，并且倍频次数越高，相应的谐波分量幅度越小，其输出功率和效率也就越低，即同一个晶体管在输出相同功率时，作为倍频器工作，其集电极损耗要比作为基波放大器工作时大。另外，倍频次数过高，对输出回路的要求就会过于苛刻而难于实现。并且，当增高倍频次数，为了得到一定的功率输出，就需增大输入信号幅度，使得晶体管发射结承受的反向电压增大。所以，一般单级丙类倍频器采用二次或三次倍频，假设要提高倍频次数，可将倍

8、频器级联起来使用。2三倍频电路设计利用Multisim软件，设计一个输入为24MHz正弦波，输出为72MHz的丙类倍频电路。2.1电路原理图根据丙类倍频器电路原理，在Multisim软件平台选取相应的器件，构成如图3所示的实验电路。图3丙类倍频器仿真电路正弦波信号源V2的频率fi=24MHz，L1和C4构成的并联谐振回路应调谐在三倍频3fi=72MHz。电感L1=0.1H，电容C4采用150pF可调电容，在仿真过程中改变可调电容大小，观察频谱仪XSA1使输出信号频谱的最大值在72MHz处。要改变流通角的大小，可以通过改变输入信号的振幅值或者改变基极偏置来实现。2.2基极偏置电路设计为便于分析，

9、应用等效电源定理对图3的基极电路的直流供电电路进行变换并简化，如图4所示。图4输入简化电路图4中，VBB=VCCR2R1+R2，Rb=R1R2R1+R2，VCC=5V。输入回路中vBE=VBB-IB0Rb-IE0Re+Vbmcost。三倍频电路的最正确流通角C=40，因此有：cosC=0.766，0C=0.147，3C=0.1651。选用三极管2N5769，参数fT=650MHz，在fb=24MHz时计算电流放大倍数=fTfb=27。设基极体电阻rbb=20，基射级阈值电压Vth=0.6V，输入端交流信号有效值为0.2V，即输入信号振幅Vbm=20.2=0.28V。那么：IBm=Vbm1-co

10、sCrbb=3.28mAICm=IBm=88.56mAIB0=0IBm=0.48mAIC0=0ICm=13.02mAIC3=3ICm=14.62mAIE0=IB0+IC0=13.50mA在t=C时，有VBB-IB0Rb-IE0Re+VbmcosC=Vth，可以得到：VBB-IB0Rb-IE0Re=0.38令Re=20，得到VBB-IB0Rb=0.65，实际取R1=6.2k，R2=3k，根据所取元件值得到实际的VBB=1.63V，Rb=2.02k。3仿真结果运行电路进行仿真，观察输出信号的频谱图，调节可变电容C4的滑动端至72MHz处的信号具有最大幅度，图5为此时的频谱图，72MHz频率分量幅度

11、为13.5dB，在24MHz、48MHz和96MHz的频率分量幅度分别为-31dB、-20.5dB和-16.7dB，如果需要进一步抑制这些频率分量并增强电路的带负载能力，在后级要增加选频网络和功率驱动电路。图5输出信号频谱4结语通过对丙类倍频器的电路原理分析和参数计算，利用Multisim软件，实现了倍频器电路的设计，仿真分析使设计过程简便直观。电路设计过程说明对高频电路的设计采用理论计算与仿真分析结合的方式，是一个有效的途径，对高频电路的学习和应用都有极大帮助。参考文献【1】清华大学通信教研组.高频电路M.北京：人民邮电出版社，1979.【2】SAYRECW.CompletewirelessdesignM.2nded.NewYork：McGraw?HillProfessional，2021.【3】张肃文.高频电子线路M.北京：高等教育出版社，2021.【4】唐路，苗澎，田玲.Multisim在“通信电子线路实验教学中的应用J.电气电子教学学报，2021，355：64?66.