基于OrCAD／PSpice的晶體振蕩電路設計仿真

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，設計并改進了石英晶體振蕩器電路。在OrCAD／PSpice環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。給出了發生電路的振蕩、穩幅波形，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展，電子產品開發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，對電路瞬態分析，進行時域仿真，仿真時間選擇5μs，設置Maximum step為10 ns，執行仿真命令，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，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，增益逐漸下降；當環路增益下降到1時，振幅停止增長，振蕩電路達到平衡，進入等幅振蕩狀態。
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。