基于OrCAD／PSpice的晶体振荡电路设计仿真

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。