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[导读]摘要:通过对电容三点式振荡电路和石英晶体振荡器等效电路的计算分析,设计并改进了石英晶体振荡器电路。在OrCAD/PSpice环境中完成了电路的时域和频域仿真分析,对影响振荡电路起振特性的因素进行了探讨,进一步验证

摘要:通过对电容三点式振荡电路和石英晶体振荡器等效电路的计算分析,设计并改进了石英晶体振荡器电路。在OrCAD/PSpice环境中完成了电路的时域和频域仿真分析,对影响振荡电路起振特性的因素进行了探讨,进一步验证了PSpice电路仿真设计的合理性和可靠性。给出了发生电路的振荡、稳幅波形,测量了振荡周期和振荡频率,并与理论值做出比较。结果表明,设计的振荡电路波形好,振荡频率稳定,易于实现,可广泛应用于工程设计领域。
关键词:OrCAD/PSpice;正弦波;石英晶体振荡器;电路仿真

0 引言
    随着微电子、计算机技术的快速发展,电子产品开发都实现了电子设计自动化。Cadence公司的OrCAD/PSpice就是其中功能强大的一种专用电路仿真软件;它可对给定参数的复杂电路进行直流、交流分析、瞬态分析、参数扫描和蒙特卡罗分析等,在电路设计初级阶段进行功能和性能的验证。本文以具体的振荡电路对PSpice仿真过程作深入探讨,对电子电路特性进行仿真分析,为电路优化设计提供可靠的理论依据。

1 电容三点式振荡电路
   
图1为利用反馈原理设计的电容三点式振荡电路,又称科尔皮兹(Colpitts)振荡器。图中晶体管放大电路构成主网络,直流电源对电路提供偏置,LC并联谐振回路构成正反馈选频网络。其中C1,C2和Ce分别为高频耦合电容和旁路电容;C3,C4为回路电容;L是回路电感;C4端接回基极构成正反馈,反馈系数F=C3/C4。在不考虑寄生参数的情况下,据正弦振荡的相位条件,振荡频率(单位:MHz)为:
   
    在Capture CIS中绘制电路原理图,各元件参数如图1所示,对电路瞬态分析,进行时域仿真,仿真时间选择5μs,设置Maximum step为10 ns,执行仿真命令,在Probe中可清晰地看到电路的起振过程和光滑的输出波形,起振时间约为1.0μs,如图2所示。


    刚接通电源时电路中存在各种宽频谱扰动,频率近似为LC选频网络谐振频率的分量才能通过反馈网络产生反馈电压;经线性放大和反馈不断循环,振荡电压不断增大。但晶体管线性范围有限,随着振幅增大放大器逐渐进入饱和或截止区,增益逐渐下降;当环路增益下降到1时,振幅停止增长,振荡电路达到平衡,进入等幅振荡状态。
    由图可知,T=4.902-4.811=0.091 μs,f0=1/T≈10.98 MHz。与理论计算值比较,频率失真主要是因为电路非理想特性的影响,如晶体管内部参数、分布电容、分布电感等。

2 石英晶体振荡电路
   
石英晶体振荡器是利用石英晶体压电效应制成的一种谐振器件;图3是其等效电路,Lq,Cq为晶片振动时的等效动态电感和电容,Rq等效为晶片振动时的摩擦损耗,C0为静态电容。


    由电路模型知,石英晶体有两个谐振频率。串联上支路发生串联谐振时的频率:
   
    由于C0很小,谐振等效阻抗近似为Rq,呈纯阻性,其阻值很小。当频率高于fs小于fp时。串联上支路呈感性,并与C0发生并联谐振,其谐振频率:
   
    式中C为C0和Cq串联后的电容。
    由上述分析;石英晶体工作在略高于呈感性的频段内,用来作为三点式电路中的回路电感,构成并联晶体振荡器;工作在fs上,等效为串联谐振电路,构成串联晶体振荡器。设计并联型石英晶体振荡器如图4所示。


    振荡电路的选频网络由石英晶体和C3,C4组成。振荡频率可表示为:
   
    振荡频率基本由晶体固有频率决定,与C’的关系很小,即由电容C1,C2不稳定而引起的频率漂移很小,振荡频率稳定度很高。在Orcad/PSpice中对电路进行瞬态分析,Probe中可清晰地看到晶体振荡发生电路的稳幅波形,如图5所示。


    由上图分析可知:振荡波形稳定,振荡周期T=1.589 660-1.589 560=0.000 1 ms,f0=1/T≈10 MHz,与理论值基本一致。

3 改进型石英晶体振荡电路
   
为增加石英晶体振荡电路的实用性,外接一可调小电容Cs作为微调电容,用于校正振荡频率,Cs应比Cq大。接入Cs得到新的串联谐振频率:
   
    串入Cs后并不影响并联谐振频率,当Cs→0时,fs’=fp;当Cs→∞时,fs’=fs;实际使用中用Cs作为微调电容,可使fs’在fs和fp之间的一个小范围内调整。在仿真调试中发现C5=8 pF时可输出良好的波形,电路和波形如图6所示。


    由图7分析可知:振荡波形很稳定,振荡周期为T=1.633 425-1.633 325=0.000 1 ms,f0=1/T≈10 MHz,与无Cs基本一致。



4 结语
   
本文在电容三点式振荡电路基础上设计并改进了石英晶体振荡电路;通过OrCAD/Pspice仿真分析,以图像可视化方式显示了电路起振过程及输出波形,并通过仿真验证,电路输出波形好,谐波分量小。基于PSpice电路仿真设计快捷、直观,避免了传统设计方法为确定元件参数进行的复杂运算。

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