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，設計并改進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行了探討，進一步驗證了PSpice電路仿真設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。結果表明，設計的振蕩電路波形好，振蕩頻率穩(wěn)定，易于實現，可廣泛應用于工程設計領域。
關鍵詞：OrCAD／PSpice；正弦波；石英晶體振蕩器；電路仿真

0 引言
    隨著微電子、計算機技術的快速發(fā)展，電子產品開發(fā)都實現了電子設計自動化。Cadence公司的OrCAD／PSpice就是其中功能強大的一種專用電路仿真軟件；它可對給定參數的復雜電路進行直流、交流分析、瞬態(tài)分析、參數掃描和蒙特卡羅分析等，在電路設計初級階段進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，對電子電路特性進行仿真分析，為電路優(yōu)化設計提供可靠的理論依據。

1 電容三點式振蕩電路
    圖1為利用反饋原理設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成主網絡，直流電源對電路提供偏置，LC并聯諧振回路構成正反饋選頻網絡。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端接回基極構成正反饋，反饋系數F=C3／C4。在不考慮寄生參數的情況下，據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，各元件參數如圖1所示，對電路瞬態(tài)分析，進行時域仿真，仿真時間選擇5μs，設置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選頻網絡諧振頻率的分量才能通過反饋網絡產生反饋電壓；經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入飽和或截止區(qū)，增益逐漸下降；當環(huán)路增益下降到1時，振幅停止增長，振蕩電路達到平衡，進入等幅振蕩狀態(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，如晶體管內部參數、分布電容、分布電感等。

2 石英晶體振蕩電路
    石英晶體振蕩器是利用石英晶體壓電效應制成的一種諧振器件；圖3是其等效電路，Lq，Cq為晶片振動時的等效動態(tài)電感和電容，Rq等效為晶片振動時的摩擦損耗，C0為靜態(tài)電容。

    由電路模型知，石英晶體有兩個諧振頻率。串聯上支路發(fā)生串聯諧振時的頻率：
   
    由于C0很小，諧振等效阻抗近似為Rq，呈純阻性，其阻值很小。當頻率高于fs小于fp時。串聯上支路呈感性，并與C0發(fā)生并聯諧振，其諧振頻率：
   
    式中C為C0和Cq串聯后的電容。
    由上述分析；石英晶體工作在略高于呈感性的頻段內，用來作為三點式電路中的回路電感，構成并聯晶體振蕩器；工作在fs上，等效為串聯諧振電路，構成串聯晶體振蕩器。設計并聯型石英晶體振蕩器如圖4所示。

    振蕩電路的選頻網絡由石英晶體和C3，C4組成。振蕩頻率可表示為：
   
    振蕩頻率基本由晶體固有頻率決定，與C’的關系很小，即由電容C1，C2不穩(wěn)定而引起的頻率漂移很小，振蕩頻率穩(wěn)定度很高。在Orcad／PSpice中對電路進行瞬態(tài)分析，Probe中可清晰地看到晶體振蕩發(fā)生電路的穩(wěn)幅波形，如圖5所示。

    由上圖分析可知：振蕩波形穩(wěn)定，振蕩周期T=1．589 660-1．589 560=0．000 1 ms，f0=1／T≈10 MHz，與理論值基本一致。

3 改進型石英晶體振蕩電路
    為增加石英晶體振蕩電路的實用性，外接一可調小電容Cs作為微調電容，用于校正振蕩頻率，Cs應比Cq大。接入Cs得到新的串聯諧振頻率：
   
    串入Cs后并不影響并聯諧振頻率，當Cs→0時，fs’=fp；當Cs→∞時，fs’=fs；實際使用中用Cs作為微調電容，可使fs’在fs和fp之間的一個小范圍內調整。在仿真調試中發(fā)現C5=8 pF時可輸出良好的波形，電路和波形如圖6所示。

    由圖7分析可知：振蕩波形很穩(wěn)定，振蕩周期為T=1．633 425-1．633 325=0．000 1 ms，f0=1／T≈10 MHz，與無Cs基本一致。

4 結語
    本文在電容三點式振蕩電路基礎上設計并改進了石英晶體振蕩電路；通過OrCAD／Pspice仿真分析，以圖像可視化方式顯示了電路起振過程及輸出波形，并通過仿真驗證，電路輸出波形好，諧波分量小。基于PSpice電路仿真設計快捷、直觀，避免了傳統設計方法為確定元件參數進行的復雜運算。