丙类倍频器的设计与仿真

孙冬艳

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办法。仿真表明应用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?373X（2014）03?0088?03

Design and simulation of class C frequency multiplier

SUN Dong?yan

（College of Electronic Information and Optical Engineering， Nankai University， Tianjin 300071， China）

Abstract： A class C frequency multiplier with a transistor is designed based on the principle of class C power amplifier. The design process of the component values of the base bias circuit are provided. Multisim software is used to simulate the circuit and the resonant frequency of LC tank multiple circuit is adjusted to triple the frequency of the input signal. The optimizing method of the circuit is proposed according to the frequency spectrum of the output signal. The simulation result shows that with the aided design of Multisim， the design of class C frequency multiplier will be more intuitive and efficient.

Keywords： frequency multiplier； resonance； base bias； class C power amplifier

0 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基础上，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=Vbmcosωt+VBB] （1）

参看图2，[iC]为：

[iC=gC（Vbmcosωt+VBB-Vth）， Vbmcosωt>Vth-VBB] （2）

集电极电流流通角[θC]满足：

[VbmcosθC=Vth-VBB]

因而有：

[θC=arccosVth-VBBVbm] （3）

将式（3）代入式（2）得：

[iC=gCVbm（cosωt-cosθC）， ωt-2kπ<θC] （4）

集电极电流[iC]的最大值为：

[ICm=gCVbm（1-cosθC）] （5）

利用傅里叶级数分解，[iC]可表示为：

[iC=ICmcosωt-cosθC1-cosθC=ICmα0（θC）+ICmα1（θC）cosωt+…+ICmαn（θC）cosnωt] （6）

由图2可看出[iC]为余弦电流脉冲，其形状可由[ICm]和[θC]两个参数确定。由式（6）可知集电极电流[iC]中包含直流分量、基波分量和丰富的谐波分量。由于图1中集电极经过LC谐振回路接到[VCC，]若谐振回路在功放工作时调谐于某谐波频率，因而谐振回路对电流的此谐波频率分量呈现的电阻最高，而对于电流脉冲中的直流分量、基波分量和其他各次谐波分量，谐振回路呈现的阻抗的模很小，因而集电极电压变化为频率为此谐波的正弦电压，谐振功率放大器就成了倍频器。

图1 倍频器电路原理图

图2 集电极电流和基极输入电压的关系

倍频器的集电极效率可表示为：

[ηC=12ξαn（θC）α0（θC）=12ξgn（θC）] （7）

式中[n]为倍频数。从式（7）可知需适当选取[θC]值使[αn（θC）]值尽可能大，不同的倍频次数最佳流通角也是不同的，最佳[θC]值可用[120°n]计算[3]。[θC]在实际电路中可以通过改变基极偏置电压或改变基极激励电压的幅度来调整。基极偏置电压可采用集电极直流电源经电阻分压后提供固定偏置，也可采用自给偏压电路来获得，自给偏压只能提供反向偏压。在图1中，[VBB>0]对应正向基极偏压，[VBB<0]对应反向偏压。在固定偏置基础上加入发射极自给偏置，相当于一个负反馈可稳定偏置电压。

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，若要提高倍频次数，可将倍频器级联起来使用。

2 三倍频电路设计

利用Multisim软件，设计一个输入为24 MHz正弦波，输出为72 MHz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=]24 MHz，[L1]和[C4]构成的并联谐振回路应调谐在三倍频[3fi=]72 MHz。电感[L1=]0.1 μH，电容[C4]采用150 pF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72 MHz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，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=VCC·R2R1+R2，][Rb=R1·R2R1+R2，][VCC=5 ]V。

输入回路中[vBE=VBB-IB0Rb-IE0Re+Vbmcosωt。]

三倍频电路的最佳流通角[θC=40°，]因此有： [cosθC=0.766，][α0（θC）=0.147，][α3（θC）=0.165 1。]

选用三极管2N5769，参数[fT=650] MHz，在[fb=]24 MHz时计算电流放大倍数[β=fTfb=27。]

设基极体电阻[r′bb=20 Ω，]基射级阈值电压[Vth=0.6]V，输入端交流信号有效值为0.2 V，即输入信号振幅[Vbm=2×0.2=0.28]V。则：

[IBm=Vbm（1-cosθC）r′bb=3.28 mA]

[ICm=βIBm=88.56 mA]

[IB0=α0IBm=0.48 mA]

[IC0=α0ICm=13.02 mA]

[IC3=α3ICm=14.62 mA]

[IE0=IB0+IC0=13.50 mA]

在[ωt=θC]时，有[VBB-IB0Rb-IE0Re+VbmcosθC=Vth，]可以得到：

[VBB-IB0Rb-IE0Re=0.38]

令[Re=20]Ω，得到[VBB-IB0Rb=0.65，]实际取[R1=]6.2 kΩ，[R2=3]kΩ，根据所取元件值得到实际的[VBB=1.63]V，[Rb=2.02]kΩ。

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72 MHz处的信号具有最大幅度，图5为此时的频谱图，72 MHz频率分量幅度为13.5 dB，在24 MHz、48 MHz和96 MHz的频率分量幅度分别为-31 dB、-20.5 dB和-16.7 dB，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。电路设计过程表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。

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