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。