基于OrCAD／PSpice的晶體振蕩電路設(shè)計仿真

摘要：通過對電容三點式振蕩電路和石英晶體振蕩器等效電路的計算分析，設(shè)計并改進(jìn)了石英晶體振蕩器電路。在OrCAD／PSpice環(huán)境中完成了電路的時域和頻域仿真分析，對影響振蕩電路起振特性的因素進(jìn)行了探討，進(jìn)一步驗證了PSpice電路仿真設(shè)計的合理性和可靠性。給出了發(fā)生電路的振蕩、穩(wěn)幅波形，測量了振蕩周期和振蕩頻率，并與理論值做出比較。結(jié)果表明，設(shè)計的振蕩電路波形好，振蕩頻率穩(wěn)定，易于實現(xiàn)，可廣泛應(yīng)用于工程設(shè)計領(lǐng)域。
關(guān)鍵詞：OrCAD／PSpice；正弦波；石英晶體振蕩器；電路仿真

0 引言
隨著微電子、計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，電子產(chǎn)品開發(fā)都實現(xiàn)了電子設(shè)計自動化。Cadence公司的OrCAD／PSpice就是其中功能強(qiáng)大的一種專用電路仿真軟件；它可對給定參數(shù)的復(fù)雜電路進(jìn)行直流、交流分析、瞬態(tài)分析、參數(shù)掃描和蒙特卡羅分析等，在電路設(shè)計初級階段進(jìn)行功能和性能的驗證。本文以具體的振蕩電路對PSpice仿真過程作深入探討，對電子電路特性進(jìn)行仿真分析，為電路優(yōu)化設(shè)計提供可靠的理論依據(jù)。

1 電容三點式振蕩電路
圖1為利用反饋原理設(shè)計的電容三點式振蕩電路，又稱科爾皮茲(Colpitts)振蕩器。圖中晶體管放大電路構(gòu)成主網(wǎng)絡(luò)，直流電源對電路提供偏置，LC并聯(lián)諧振回路構(gòu)成正反饋選頻網(wǎng)絡(luò)。其中C1，C2和Ce分別為高頻耦合電容和旁路電容；C3，C4為回路電容；L是回路電感；C4端接回基極構(gòu)成正反饋，反饋系數(shù)F=C3／C4。在不考慮寄生參數(shù)的情況下，據(jù)正弦振蕩的相位條件，振蕩頻率(單位：MHz)為：

在Capture CIS中繪制電路原理圖，各元件參數(shù)如圖1所示，對電路瞬態(tài)分析，進(jìn)行時域仿真，仿真時間選擇5μs，設(shè)置Maximum step為10 ns，執(zhí)行仿真命令，在Probe中可清晰地看到電路的起振過程和光滑的輸出波形，起振時間約為1．0μs，如圖2所示。

剛接通電源時電路中存在各種寬頻譜擾動，頻率近似為LC選頻網(wǎng)絡(luò)諧振頻率的分量才能通過反饋網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生反饋電壓；經(jīng)線性放大和反饋不斷循環(huán)，振蕩電壓不斷增大。但晶體管線性范圍有限，隨著振幅增大放大器逐漸進(jìn)入飽和或截止區(qū)，增益逐漸下降；當(dāng)環(huán)路增益下降到1時，振幅停止增長，振蕩電路達(dá)到平衡，進(jìn)入等幅振蕩狀態(tài)。
由圖可知，T=4．902-4．811=0．091 μs，f0=1／T≈10．98 MHz。與理論計算值比較，頻率失真主要是因為電路非理想特性的影響，如晶體管內(nèi)部參數(shù)、分布電容、分布電感等。