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引言

振荡器是一种能自动将直流电源能量转换为交变振荡信号的转换电路,无需外加激励信号,就能产生频率、波形、幅度完全由电路自身参数决定的交流信号。正弦波振荡器作为信号源被广泛应用于各种电子设备中。如广播、电视、无线通信中用来产生载波信号;电子测量和自动控制系统中用来产生基准信号。

随着微电子技术、大规模集成电路和计算机技术的迅猛发展,电子产品研制和开发都采用了计算机辅助分析和设计(CAA/CAD)技术,实现了电子设计的自动化(EDA)。Cadenee公司的OrCAD/PSpice就是其中功能强大的一种专用电路仿真软件。它可以对给定参数的众多元器件构成的电路进行直流分析、交流小信号分析、瞬态分析、参数扫描分析和蒙特卡罗(Monte Carlo)分析及最坏情况(Worst Case)分析,在电路设计的初级阶段进行功能和性能的验证,取代了大量的仪器仪表和手工计算。本文结合具体电路对PSPICE仿真过程做一个深入探讨,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。

本文引用地址: http://embed.21ic.com/hardware/circuit/201806/63990.html

1 典型的正弦波振荡电路

1.1 起振条件和平衡条件

反馈型振荡器(Feedback Oscillator)是基于放大与反馈的机理而构成的,主要由主网络与反馈网络构成一个闭合环路。

其中分别是反馈电压、输入电压、输出电压和激励源。建立振荡的振幅起振条件为

;相位起振条件为φT(w)=2nπ。因为放大器的非线性,随着振幅增大,放大器增益下降。当环路增益时,振荡器达到平衡进入等幅振荡状态,实现自激振荡。

1.2 电容三点式振荡电路设计

图1所示为利用反馈原理设计的一个电容三点式振荡器,又称考毕兹振荡器。

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,偏置电压经过直流工作点分析在电路中表示出来。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,L1是回路电感。在不考虑寄生参数的情况下,根据正弦振荡的相位条件,振荡频率计算公式为:

C4端接回基极构成正反馈,反馈系数为F=C3/C4。电容三点式振荡器的优点为电容对晶体管非线性特性产生的高次谐波呈现低阻抗,所以反馈电压中高次谐波分量很小,因此输出波形接近于正弦波。

2 电路的仿真分析

2.1 起振过程振荡曲线分析,即电路的瞬态分析(Time Domain Transient)

在Capture CIS中绘制电路的原理图如图1,各元件参数如图中所示。对波形发生电路进行时域仿真就是仿真电路的输出波形,因此应选择瞬态分析方式。仿真时间选择5 μs,并设置Maximum step(最大步长)为10 ns,以输出光滑的振荡波形。执行仿真分析命令,可以在Probe中清晰地看出正弦波发生电路的起振过程。
图2即为out点输出波形,从中可见起振时间约为1.0 us。根据仿真波形分析起振过程如下:在刚接通电源时电路中存在各种扰动,这些扰动均具有很宽的频谱,但是只有频率近似为LC选频网络谐振频率fo的分量才能通过反馈网络产生较大的反馈电压。由于环路增益T>1,经过线性放大和反馈的不断循环,振荡电压会不断增大。然而由于晶体管的线性范围是有限的,随着振幅的增大放大器逐渐进入饱和区或截止区,增益逐渐下降。当放大器增益下降而导致环路增益下降到1时,振幅增长过程停止,振荡器达到平衡,进入等幅振荡状态。

改变横坐标将波形放大,利用标尺功能测得波形极大点时间坐标如图3中所示。通过计算可发现波形周期不稳定:B-A=2.303 3-2.190 5=0.112 8 us,C-B=2.409 3-2.303 3=0.1060us,D-C=2.5107-2.409 3=0.101 4us,E-D=2.621 0-2.510 7=0.110 3 us;即波形频率fo稳定度不高fo=1/T≈4/(E-A)=9.29 MHz。与理论计算值比较,频率的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。


2.2 波形的频域分析,即傅立叶分析(Fourier Analysis)和傅立叶变换

正弦振荡电路产生的正弦波总是存在非线性失真,即振荡输出正弦波中除了基波之外还存在着各次谐波。仿真分析非线性失真可以利用傅里叶分析的功能。Probe的傅里叶变换是对信号波形的所有数据均进行快速傅里叶变换(FFT,Fast Fourier Transform),并将结果以曲线形式显示出来。对图2的输出波形点击Trace/Fourier菜单命令,屏幕显示傅立叶变换的幅频特性如图4所示。利用标尺功能测得频率为9.50 00MHz时的谐波分量幅值最大为4.355 3 V。

若需查看具体的傅里叶系数,还应在PSPICE中设置傅里叶分析。在瞬态分析中选中傅里叶分析(Perform Fourier Analysis),PSpice傅里叶分析是以瞬态分析结束前一个周期内的仿真结果为基础进行分析,并且这里的周期是由在傅里叶分析时设置的参数所决定的,即用户给定的“Center”(中心频率或称基波频率)的倒数。
设置基波频率为9.50meg(MHz),谐波次数为默认值9,输出变量为V(out)。谐波失真度定义为各次谐波分量总的有效值与基波分量有效值之比,即

谐波失真度越大说明振荡波形的非线性越严重。

在执行分析后打开输出数据文件,可以查看傅里叶分析所得出的具体数据如表1所示。从表中可见基波成分最强,其幅值为4.296 V。而总的谐波失真系数为1.764492E+01PERCENT。

3 改进型电容三点式振荡电路

由以上研究已知电路振荡频率不仅取决于LC回路,还与电路寄生参数等非理想特性有关。晶体管极间电容分别与两个回路电容并联,从而影响振荡频率;晶体管的参数又随环境温度、电源电压的变化而变化,因此其频率稳定度不高。为了提高图2振荡电路的频率稳定度,可对电路做如图5所示的改进。

由于极间电容分别与C3、C4并联,所以为了减小晶体管与回路的耦合,加大回路电容C3、C4的值,同时为了不影响振荡频率在回路中增加一个与L串联的电容C5。各电容取值须满足C3>>C5,C4>>C5。在须要改变振荡频率时如果调节C3会引起振荡幅度下降,难于起振,为解决这一矛盾,在电感两端并联一个小的可变电容C6。这样回路等效电容CΣ≈C5+C6,于是。由此可见,电路的频率几乎与C1、C2无关。
从图6中可以看出周期稳定性明显增强:B-A=150.701-150.617=0.084 us.C-B=150.787-150.701=0.086 us,D-C=150.871-150.787=0.084 us,E-D=150.955-150.871=0.084 us,即频率稳定度明显提高一个数量级。

4 结束语

本文利用正反馈原理设计了典型的电容三点式振荡电路,并在此基础上对电路进行了改进,以提高振荡波形的频率稳定度。通过基于OrCAD/PSpice的仿真分析,以图像可视化的方式显示了电路起振过程及输出波形,并通过仿真验证了改进的效果,电路输出波形好,谐波分量小,达到了预期效果。基于Pspice的电路仿真设计快捷、直观,避免了传统设计方法为了确定元件参数进行的复杂运算。

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