PSPICE仿真石英晶体振荡电路docx.docx
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PSPICE仿真石英晶体振荡电路
作者：
陈拓chentuo@msxabaccn
2011年1月1日
1.概述
多谐振荡器常用来生成脉冲信号和时钟信号。
箸谐振荡器是一种自激振荡电路。
I大I为没有稳定的I••作状态，餌谐振荡器也称为无稳态电路。
多谐振荡器的工作过程可以这样简述，如果一开始多谐振荡器处J：
0状态，那么它在0状态停留一段时间后将自动转入1状态，在1状态停留一段时间后又将自动转入0状态，如此周而复始，输出矩形波，所以多谐振荡器也称矩形波发生器.由于在矩形波中某波之外的谐波分最很多，多谐振荡器也因此而得名。
在频率稳定度耍求高的场合通常采用右英晶体振荡电路构成多谐振荡器。
频率稳定度一般用频率的相对变化SAf/fi）來表示，fb为振荡频率，为频率偏移。
频率稳定度有时附加时间条件，如一小时或一日内的频率相对变化最。
女谐振荡器通过LC电路选频町以构成止弦波振荡电路。
在石英晶体振荡电路中，用右英品体取代LC振荡电路中的L、C元件组成的正弦波振荡电路，其频率稳定度町高达IO®至10』。
影响LC振荡电路振荡频率的因素主要是LC谐振冋路的Q值，Qffi越高，选频特性越好,频率越稳定。
一般LC振荡电路的Q值只有数百，而石英晶体的Q值很高,可达到数千至数万，因而石英晶体貝有优良的选频性能。
2.反馈振荡器的工作条件
振荡器是-•个反馈电路，一个反馈振荡器电路必须满足三个条件：
起振条件（保证接通电源后能逐步建立起振荡），平衡条件（保证进入维持等幅持续振荡的平衡状态）和稳定条件（保证平衡状态不因外界不稳定因素影响而受到破坏）。
2.1平衡条件
反馈振荡器的组成方框图如卜。
2.
•A
■
■
U
+
反剧网络
F
图1反馈振荡器的组成方框图
随着振荡幅度的増长，放人器的动态范14；|就会延伸到非线性区•放人器的增益将随ZF降，振幅越人，增益卜降越多，放后当反馈电压正好等r原输入电压时，振荡幅度不再增人而进入平衡状态。
（1）
放人器开环电爪増益和反馈系数的表示式分别为：
U。
进入平衡状态后口3厂此时根据式（1J）可得反馈振荡器的、卜衡条件为:
环路增益T{]（oosc）=AF=AFe^^=1
（2）
式
（2）乂町分别写成:
式（］.3）和（14）分别称为反馈振荡器的振幅平衡条件和相位平衡条件。
2.2起振条件
式
（2）是维持振荡的平衡条件，是针対振荡器进入稳态而言的。
为了使振荡器接通立流电源后能够自动起振，则要求反馈电压在相位上与放人器输入电斥相同，在幅度上则耍求
J>U“即:
AF>1
©+0f=2册0?
=0丄2,…）————（6）
式（5）和（6）分别称为反馈振荡器的起振振幅条件和起振相位条件。
2.2稳定条件
振荡器在丁•作过程中，不町避免地要受到各种外界因素变化的影响，如电源电斥波动、温度变化、噪声卡扰等。
这些不稳定因索将引起放人器和回路的参数发生变化，结果使丁@。
）或5@。
）变化，破坏原來的平術条件。
2.2.1振幅稳定条件
要使振幅稳定，振荡器在其'卜衡点必须典有阻止振幅变化的能力，这就耍求在半衡点附
近T（吗）随T（O）o）的变化率为负值,即:
<0
这就是振幅稳定条件。
其屮口=仏是平衡点。
2.2.2相位的稳定条件
为了保证相位稳定，要求振荡器的相频特性（pg。
）在振荡频率点应見冇阻止相位变化的能力，这就耍求5@0）曲线在S附近应为负斜率」牡
。
好0）<0
沁％
这就是相位的稳泄条件。
3.LC三点式正弦波振荡器
图2是LC三点式振荡器原理电路。
图2三点式振荡器廉理电路
Jt中Xbe、Xce和Xbc均为电抗原件。
町以看出，Xbe、Xce和Xbc构成了决定振荡频率的并联谐振回路，同时也构成了正反馈所需的反馈网络。
在不考偲晶体管电抗效应的情况卜，振荡频率近似等回路的谐振频率。
那么，在回路处丁谐振状态时，回路呈纯阻性，有：
兀+耳+兀=0
由上式町见，Xbc必须与Xbe（Xce）为性质和反的电抗元件。
根据图中规定的正方向，放人器的输出电压与苴输入电压反相，即甲3）=齐、而反馈电压又是输出电压在Xbc,Xbe支路中分配在Xbe上的电压,即：
Z7/=—&__U
'丿（兀+出）°M°
为了满足相位平衡条件，（Pf@）=兀。
由上面的分析町知1,在三点式电路中.LC|u|路屮与发射极相连接的两个电抗元件必须为同性质，另外一个电抗兀件必须为界性质。
这就是三点式电路组成的相位判据，或称为三点式电路的组成法则。
与发射极相连接的两个电抗尤件同为电容时的三点式电路.称为电容三点式电路，也称为考毕兹（Colpitts）电路，图3。
与发射极柑连接的两个电抗元件同为电感时的三点式电路,称为电感三点式电路，也称为哈特莱（Hartley）电路，图4。
==
C1—II——~
图3电容三点式掘荡器氐理电路
4.电源为电压源时LC振荡电路的相关公式
4.1LC串联谐振电路
图5是LC串联谐振电路。
图5LC串联谐振电路及其电抗待性曲线
串联谐振电路的谐振频率：
/.—!
—
2ny[LC
品质因数泄义：
电感器或电容器在谐振时产生的电抗功率与电阻器消耗的平均功率Z比，称为谐振时的品质因数。
品质因数Q值愈人电路对谐振时的响应越好。
4.2LC并联谐振电路
图6是LC并联谐振电路。
厂
LM
<4（1
图6LC并联谐振电路及其电抗特性曲线
并联谐振电路的谐振频率:
并联谐振电路之品质因数:
5.石英晶体振荡器的等效线路及参数
石英晶体（QuartzCiystal）的外观图片实例见图7。
5.1石英晶体的代表符号.等效电路和电抗特性
将右•英晶体振荡器转换成振荡频率附近的ButterworthMnDyke（BVD）等效电路。
在这个等效电路屮，主要仃四个主耍参数：
静态电容Co（StaticCapacitance，也称并联电容ShuntCapacitance动态电容C（MotionalCapacitance）»动态电感L（MotionalInductance）及动态电阳R（MotionalResistance^也称等效串联电阳.EquivalentSenesResistance）<>卜图为石英胡体的符号、等效电路和电抗特性。
（2）并联谐振频率fp（parallelresonancefrequency）当f>Fs时，L-C-R支路呈感性，与Co产生并联谐振。
力二Ajl+（C/C°）
因此:
][C+C。
17#lcCq
衣1是典型的仃英晶体参数，通过观察这些数据対右英晶体的参数会仃初步的认识。
数
据引自仙童（Fairchild）公司的应用注释ApplicationNote340（AN340）。
农1典型石英胡体参数
叮以看出c。
>>c・所以Ks。
5.2晶体振荡器传输响应的测量
照片屮是8MHz晶体振荡器的传输响应，右图是HP3585频谱/网络分析仪的抓图。
被测试的晶体涓楚地显示出一个;I；联谐振点，在8,000,2i0Hz（COUNTER80002501Hz）处,这一点仃最小阻抗，対丿MJ：
最人传输幅度。
接卜来人约在频率高出l*Hz处，冇一个并联谐振点,这一点有最大阻抗，对应于最小传输幅度。
然后是一些更高频率的响应，但幅度较低这些谐振是山其他晶体振动模式产生的寄生谐振，通常与机械间断仃关，我们通常不关心这些谐振，因为振荡器将被设计为锁定在主谐振上。
5.3电路工作在fs还是在fs与fp之间
现在我们知道利用石英晶体的谐振频率右話与b我们怎样确定电路工作在哪个谐振频率呢？
5.3.1在石英晶体上串联一个电容
在实际应用中,通常串入一个用于校止振荡频率的小电容Cs，如图10所示。
图10m入i个用丁校正振荡频率的小电容Cs新的谐振频率为：
由此看出：
C$-0时fn=fp；C$—>s时（n=fs°
调节Cs町以使厶在fs和/pZ间变化。
1）当石英晶体发生串联谐振时.频率在厶，它呈纯阻性，相移是0。
若把右英晶体作为放人电路的反馈网络，并起选频作用，只要放人电路的相移也足0,则满足相位条件，形成串联型石英晶体正弦波振荡电路。
2）当石英晶体频率在厶与AZ间，石英晶体呈感性，町将它与两个C构成电容三点式正弦波高频振荡电路，形成并联型石英晶体正眩波振荡电路。
图11是石英晶体各谐振点的位置。
Inductive
Capacitive
图11石英品体乞谐振占的位代
5.3.2在石英晶体上并联一个电容
如图12.在石英品体两端并联一个电容，通常为30pF左右。
Cs
图12并联一个用于校正振荡频率的小电容Cl
2（Co+C2）]
5.3.3负载电容和频率牵引
在右英晶体上串联或并联的电容都口」以看作负我电容（LoadCapacitance）,负我电容对频率的影响如图13所示。
图13a）单独的晶体尤件b）晶体元件和负载电容5用联c）品体元件与负栈电容Q并联
负载电容是从晶体的两个引脚向电路系统看去电路所呈现的全部仃效电容，它与晶体尤
件起决定晶体在电路上的工作频率，用负技电容改变品体频率称为晶体频率牵引。
无论是负载电容与晶体元件出联还是并联，负较电容对负较谐振频率的影响都是相同的.用下式能计算相对负载谐振频率偏移:
5.4石英晶体的标称频率
晶体外壳所标注的频率通常称为标称频率，它既不是串联谐振频率也不是并联谐振频率，而是在外接负载电容时测定的频率，数值介丁•串联谐振与并联谐振频率Z间。
通常通过负载电容校准.使电路工作在标称频率。
6.石英晶体振荡器
6.1石英晶体振荡器的电路结构
将石英晶体引入普通多谐振荡器就能构成JI•仃很高频率稳定性的石英晶体多谐振荡器。
多谐振荡器就是矩形波发生器,矩形波可以分解成无穷多个正孩波分童,只有频率为石英晶体谐振频率的正弦波分最可以通过石英晶体，形成正反馈，而其它正弦波分最无法通过石英晶体，通过石英晶体的正弦波分帚被反相器转换成频率相同的矩形波。
用逻辑门电路和石英晶体能构成振荡频率很稳定的脉冲波形，通常用在数字逻辑电路中，作为时钟脉冲信号。
石英品体振荡器有两种电路结构：
串联型胡体多谐振荡器和并联型石英晶体振荡器。
6.1.1串联型晶体多谐振荡器
图14是串联型晶体多谐振荡器电路图。
图14串联型晶体多谐振荡器电路图
将谐振频率选在串联谐振频率人处，巾联谐振时电抗为0,电路呈纯阻性，晶体设置在正反馈回路，构成串联型石英晶体振荡器。
在串联型晶体多谐振荡器电路中，R是偏置电阻，便反相器G1的静态时工作点落在电压传输特性曲线的线性区，以利起振，晶体串在正反馈回路。
电路屮Voi和Vs近似为止弦,经G3整形后变成方波。
6.1.2并联型晶体多谐振荡器
在并联型胡体多谐振荡器屮垠常见的是三点式胡体振荡器，石英胡体以电感的形式出现在电路中。
根据交流接地方法的不同，三点式晶体振荡器又町以分为皮尔斯（Pierce）振荡器、科尔皮兹（Colpitts）振荡器和克拉普（Clapp）振荡器,它们的结构如图15所示。
它们都是电容三点式电路。
相比较皮尔斯电路较好•因此在实际皿用屮多采用它。
图16是常用的并联型晶体多谐振荡器电路图，是皮尔斯电路。
该电路的工作频率并不在谐振点上，而选在厶和/pZ间，使晶体呈现电感性，以便形成电容三点式振荡。
实际使用中以并联石英晶体振荡器与COMS单反相器组成的电路（PierceCrystalOsc山ator皮尔斯和英晶体振荡器）故为简单、常用。
许*MCU都用这种形式，一般反相器和偏置电阻是集成在MCU屮的，见图17。
图17反相器74HC04和石英帖体振荡器组成的谐掠电路
反相器U1A与负反馈偏置电阻R组成单级反相枚人器，相移为180°。
这种由CMOS反相器和石英品体组成的振荡电路口仃和'疋的振荡频率，一般可达1ori（r数駅级。
6.2基本原理
其实这个电路就是典型的电容三点式振荡电路，xi是晶体，作为电路中的反馈尤件，相当丁三点式里而的电感（石英晶体丁作在几与/p^fnJ时相当于一个人电感），C1和C2就是电容，74HCO4和人电阻R实现CMOS反向放人电路，反相放人器「•作在线性放人状态，当电路振荡频率接近右英晶体的半联谐振频率时，满足振荡条件。
人家可以参考高频电子线路书里的三点式电容振荡电路进行分析。
在这里74HC04不是作为数字电路的反柑器使用，而是作为反向模拟放人器使用。
所以,74HC04必需耍并联个电阻，不然它将处J•饱和区或截止区，而不是册人区。
R相当F三极管的偏置作用，让74HC04处丁•放人区域，这时74HC04就是一个反相器放人器。
计输入的直流电位保持在恰好让输出处FH和L电平的中间状态，就可以当反向放人器来用了:
用1R1-10M的电阻即可实现.用CMOS反相器，输入阻抗高,相比晶体管电路更容易稳定振荡。
接下來用通俗的方法讲解一下这个三点式振荡电路的工作原理。
人家知道一个正弦振荡电路要振荡的条件是，系统放人倍数人于1,这个容易实现；并片.相位满足360。
.
卜•面讲讲这个相位问题：
74HC04因为是反相器，也就是说实现了180°移相，那么就石耍Cl,C2和Y1再实现180°移相就可以，恰好，卅Cl,C2,Y1形成谐振时，能够实现180移相，这个人家町以解方程等，把Y1当作一个电感來做。
也可以用电容电感的特性，比如电容电用落后电流90°,电感电压超前电流90°来分析，都是町以的。
6.3Cl、C2对稳定性的影响
Cl、C2这两个电容是晶振的负载电容，一般在儿十皮法。
它会影响到晶振的谐振频率和输出幅度。
当C1增人时,C2端的振幅增强，当C2降低时，振福也增强。
冇些时候Cl,C2不焊也能起振，这并不是说没有Cl,C2,而是因为芯片引脚的分布电容起到了Cl,C2的作用，因为本来Cl,C2就不需耍很人。
接卜来分析这两个电容对振荡稳定性的影响。
因为74HC04的电压反馈是靠C1的，假设C1过人，反馈电压过低，不稳定；假设C1过小，反馈电压过高，储存能届过少，容易受外界干扰，也会增加辐射影响外界。
C2的作用对C1恰好相反。
【大I为我们布板的时候，假设双面板，比较厚的，那么分布电容的影响不是很大,假设在高密度多层板时，就需要考虑分布电容,尤其是VCO之类的振荡电路,更应该考虑分布电容。
-•般晶体在基频卜泯高频率只能做到30MHz附近，最商的也只ff40MHz,更髙的-•般采用晶体的3次倍频，这个时候晶体的接法比较特殊，需要采用一定的选频网络，图18,这个选频网络需耍匸作在3次倍频上，这样才能保证稳定工作。
但一般还是建议采用基频晶体,所以客八在采购高频晶体时，需要问消楚厂家是垄频还是倍频，超过40MHz的人部分都是倍频了。
图18不同频率范皿晶体的应用电路
7.PSPICECMOS反相器放大器仿真
本文使用CaptureCISLiteEdition9.2绘制电路图，用PSpiceLiteVersion9.2仿真.
MOSFET即MetalOxideSemiconductoi'FieldEffectTransistor金屈氧.化物半导体场效应韶体管。
CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor）,互补金属氧化物半丫体，电压控制的一种放人器件。
是组成CL4OS数字集成电路的基本单元。
CMOS由PMOS管和NMOS管共同构成，由J：
PMOS与NMOS在特性上互补，因此称为CMOS。
CMOS的特点是低功耗。
由J：
CMOS屮一对MOS组成的门电路在瞬间要么PMOS导通、耍么NMOS导通、要么都截至，比线性的三极管（BJT）效率要高得多，因此功耗很低。
CMOS的基本电路单尤是反相器（Inverter）。
CMOS反相器一般影用「数字电路的髙低电平转换Z用，而由它具仃高输入阻抗以及高反馈阻抗的特性，将它用作模拟倡兮放人器使用时，在某-•频带范围內可得到相当高的电压增益。
7.1CMOS的电压传输特性介紹
CMOS的基本组态是由一対PMOS和NMOS晶体管互补组成的非门，如图19。
CMOS的其传输特性曲线如图20,线性区的屮点为静态工作点。
图21是共源交流放人器。
图19CMOS非门的基本结构图20COM非门的电爪传输特性曲线图21共源交流放人器
从CMOS的电压传输特性曲线町知，在高低电平转换过程屮存在一个线性放人区，K与小信号放人器和运算放人器的传输特性相似，因此.只要将苴工作点设置在线性丁作区的中点，即VDD/2处，就町以将CMOS非门构成线性放人器。
-般非门构成的放人器如图22所示。
Rf
图22单级非门构成的放大器
图19是图22电路反相器的内部结构，苴中Rf是反馈偏置电阻，用来设置静态丁作点,R尸10M时，放人器的増益约为2330倍。
7.2CMOS反相放大器仿真
用PSPICE仿真图16左图时,不能直接用非门模型,例如74HC04的模型，因为非门是数字电路模型。
要紂到止确的仿典结果耍用图16右图，即用CMOS反柑放人器代桥非门74HC04。
下面我们用PSPICE仿真CMOS反相放人器。
7.2.1电路图
•创建新项目
1打歼OrCADCaptureCISLiteEditiono
2.创建一个新项II：
File>New>Projecto
3输入项目的名字，例如MyCMOSInverter・生成的项Fl文件的扩展名为opj。
4,选择AnalogorMixed-AD模拟或混合-AD.
5.在Location框中输入项目路径。
点击OK。
6在CreatePSpiceProject对话框打丿f时，选择"CreateBlankPi*oject
•绘制电路图
如果我们不能确定所需的尤件在哪个库中，町以选中所有的库，在Parti本框中逐个输入元件的名字，例如Mbrea,Capture会口动补足名字后面的字母，并且在Part列衣中用“元件/库”的格式指出元件所在的库,在右下显示角元件的电路图。
从图中我们知道,元件MbreakN在BREAKOUT库中。
图23从脈理图元件库中找我们需要的元件
MOSFET模型的符号位于breakoutolb库中,仿真模型位Fbreakoutlib库中.NMOS和PMOS的名字分别是MbreakN和MbreakP。
放置好MOSFET符号后我们碍耍定义MOSFET的参数，图24是NMOSSE的参数定义。
图24NMOSFET参数定义
在这里不设置参数L和W也町以仿％但是MOSFET垠基本的参数，我们设置JW的LI的是顺便熟悉一下MOSFET域慕本的参数。
在屈性表中修改参数L和W,我们只耍输入值即可。
这两个参数默认不显示，如果想显示，例如参数L=15u,可以在属性窗II中选
OreadCapture—LiteEdition一[Propei
FileEditVieirPlaceMacr«）AccessoriesOpti
⑵團ElIX|^|IB|<|；2||MhrftakP
SCHEMATICITransferchar▼
■
WewColumn・.・|Appl
isplay..）ieletePropertjFill
一
•
•
L|M
llame
IIRB
1
④SCHEMATICI:
PAGE1:
M1
川850
图25改变参数的显示属性
L、W分别是MOS场效应晶体管沟道的长、宽。
图26参数L.W的示总图IDS与W成正比，与L成反比.见卜•式：
SPICE仿ftMOSFET参数很铁在本文中不再做过的说明•请参考仃关文献。
绘制完成的电路见图27。
•生成网表文件
在仿真Z前先耍生成网衣文件。
执行菜单命令PSpice>CreateNetlist,生成的网农文件,见图28。
索sourceMYCHOSINVERTER
M
_M1
N00322
M0689200MbreakN
+
\=1.5u
+
W-2u
V
VI
NO6892
0OUdc
11
工2
N00322
N06892N06972N06972
+
L-l.5u
+
W=2u
V.
V2
N06972
05Vdc
r"
"rl
0W003221MEG
MtoreakP
图28CMOS反相器测试电路的网衣文件
7.2.2直流静态工作点仿真
1打卄原理图，在PSpice菜单I：
选IfNewSimulationProfile®
2.在文本框Name屮输入一个描述性的名字，例如Bias。
3从Inhei'itFrom列农【I〔选择none并点击Create。
4SimulationSetting仿真设置窗II扌「开时，对J：
AnalyisType分析类型，选择BiasPoint偏置点并点击OK。
图29直流静态工作点仿貞设置
5运行仿真：
PSpice>Run。
6—个状态窗II将打开，让你知道是否仿真成功，如果月错，町資看仿真输出文件,或SessionLog窗I」。
7.为了看到II流偏置点的仿真结果，你叮以打开仿莫输出文件或返回原理图并点击V
图标（偏置电斥显示）和I图标（偏置电流显示）显示电斥和电流，见图30。
为了检査电流方向，你必须查看网衷：
电流的正方向是从节点1流到节点2（见上而仃关电流方向的注释）。
图30血流静态「•作点0j貞结果
723直流传输特性曲线
为了找到介适的静态丁作点，对电路进行0和5vzmj的电压源扌「I描。
1从Pspice菜单创建一个新的NewSimulationProfile仿其配賈文件；我们将称它为Transfercharacteristics,InlieritFrom还是none。
2
我们做fl流打描DCsweep：
输入将彼打描的电压源的名字：
VI,分别指定开始ffi、结束值和步距：
0、5和001V，让VI从35V做线性变化，步长为001V（见图31）o
3在反相器的输入和输出端各放置一个探针，见图3J
图32放玄测试探针
4
运行仿ftPspice>Run。
PSpice将产生一个包含电路中所有电床和电流值的输出文件。
图33直流传输特性曲线
从图中可以看出，静态工作点设置在25V最介适，通常是VCC/2。
直实在这里VI用什么源都没有关系，后面我们将VI换成正弦信号源做瞬态分析时,再执行Transfercharactenstics仿真配置文件结果是一样的，
7.2.4瞬态分析（时域分析）
我们将VI换为正眩信号•源做瞬态分析，偏移VOFF设置静态工作点为25V.幅度为05V.频率为lO
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