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两种改进型考毕兹振荡器的仿真设计

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两种改进型考毕兹振荡器的仿真设计(毕业设计52页、19695字)
摘要:无线通讯系统的蓬勃发展推动了射频集成电路的研究与开发,如今单片集成的振荡器已经成为市场的主流,但是对分立的振荡器电路结构性能的研究是单片集成的振荡器的设计基础。本论文对EDA软件Orcad9.2进行了系统的研究,从而掌握了改进型西勒振荡器和串联晶体振荡器的仿真设计方法。首先根据电路的性能指标,对两种改进型考毕兹振荡器电路参数进行工程估算,然后利用软件对估算的电路进行进一步的精确仿真分析。对Seiler电路,在调节静态工作点,反馈系数及置换不同的振荡管的基础上,分析观察其对起振情况、振荡频率、输出频率及输出波形的影响;对于串联晶振电路,在调节负载电阻、静态工作点的基础上,观测振荡器幅度和振荡频率的稳定度,并对两种电路进行粗略的比较。最后通过调整电路的参数,从而达到优化电路参数的目的,以使电路的各项性能指标满足预期的设计要求。

关键字:电子设计自动化;西勒振荡器;晶体振荡器;仿真

 

Simulation Design of two modified oscillator circuits
Abstract: The vigorous development of wireless communication systems has promoted the research and development of radio frequency integrated circuits. Nowadays monolithic oscillator has become the mainstream of market. The research on the properties of discrete circuit of oscillator is the design basis of integrate circuit oscillator. In this dissertation,the simulation design of Seiler oscillator and crystal oscillator circuit is studied by using EDA software Orcad9.2. Firstly, the circuit parameters are estimated for the two modified oscillator circuits according to the performance index. Then the accurate simulation analysis for the estimated circuits is obtained by using EDA software Orcad9.2. For Seiler Oscillator circuit, the conditions for oscillation, the output frequency and its waveform are analyzed and observed by adjusting the static working point, feedback coefficient, and replacement of different transistors. For Crystal Oscillator Circuit, the oscillation amplitude of oscillator and the stability of frequency are observed by adjusting the static working point and loaded resistance. Finally the optimum circuits of oscillator are obtained by using the simulated circuits parameters.

Keyword:  EDA,  seiler oscillator,  crystal oscillator,  simulation

 


目  录
第1章  绪  论 1
1.1  概述 1
1.2  目的及意义 1
1.3  该课题的任务及指导思想 2
1.4  主要技术指标 3
第2章  振荡器的原理 4
2.1  西勒振荡器的原理 4
2.1.1  振荡器的起振 4
2.1.2  LC振荡器的简单介绍 6
2.2  石英晶体振荡器的基本原理 9
2.2.1  石英晶体振荡器的结构 9
2.2.2  压电效应 9
2.2.3  符号及等效电路 9
第3章  Pspice仿真结果及分析 11
3.1  Pspice软件介绍 11
3.2  西勒振荡器的仿真 14
3.2.1  西勒振荡器的参数估算 14
3.2.2  西勒电路的Pspice仿真及结果 17
3.3  串联晶体振荡器的仿真 31
3.3.1  串联晶体振荡器的参数估算 31
3.3.2  串联晶体振荡器的Pspice仿真及结果 33
3.4  两种电路的比较 38
总  结 40
致  谢 41
参考文献 42
附录1  β的取值 43
附录2  Q2N2222的参数 44
附录3  硬件电路测试方法 45
 
第1章   绪  论
1.1   概述
目前随着电子技术的飞速发展,电子产品的应用越来越广。对电子技术的要求也是越来越高,尤其是振荡器的应用也是越来越被关注,同时也占有相当重要的地位。尤其是正弦波振荡器在无线电技术领域应用很广泛,在通信系统中,正弦波振荡器可以用来产生发射机中运载信息的载波和接收机中混频,变频或解调时所需要的本地振荡信号,在电子测量仪器中,正弦波振荡器是必不可少的基准信号源。其中应用比较广泛的是用于产生高频正弦波的西勒振荡器和石英晶体振荡器。
西勒电路在短波、超短波通信机、电视接收机等高频设备中得到非常广泛的应用。石英晶体振荡器在远程通信、卫星通信、移动电话系统、全球定位系统(GPS)、导航、遥控、航空航天、高速计算机、精密计测仪器及消费类民用电子产品中,作为标准频率源或脉冲信号源,提供频率基准,是目前其它类型的振荡器所不能替代的。
当然受移动通信、GPS设备、仪器仪表和民用消费电子等终端产品的发展影响,小型化、片式化、低噪声化、频率高精度化与高稳定度及高频化,是目前和未来摆在石英晶振面前的重要发展课题。
在软件应用方面,在电子领域主要采用电子设计自动化(EDA)技术,EDA技术的发展主要分为三大阶段:20世纪70年代到80年代初期,电子CAD理论研究发展迅速,成为电子领域的新兴学科;20世纪80年代后期,随着计算机与集成电路高速发展,CDA技术真正实现了自动化,出现了EDA产业。这阶段可以实现电路的仿真、布局布线、IC参数提取与检验等;20世纪90年代以后,微电子技术飞速发展,一个芯片可以集成百万甚至上千万个晶体管,工作速度可达到每秒几个吉字节。
PSPICE软件是较早出现的EDA软件之一。最早的Pspice是在SPICE2的基础上于1985年由MICROSIM公司推出。1998年ORCAD公司并购了MICROSIM公司,使其拥有绝佳的电路模拟能力。现在使用较多的是PSPICE9.1,工作于WINDOWS环境。
1.2   目的及意义
在现在的电子行业中,随着电子计算机技术的发展,计算机辅助设计方法已经开始逐渐进驻电子设计的领域。模拟电路中的电路分析、数字电路中的逻辑模拟,甚至是印制电路板、集成电路版图等都开始采用计算机辅助工具来提高设计效率和设计成功率。而大规模集成电路的发展,使得原始的设计方法无论是从效率上还是从设计精度上已经无法适应当前电子工业的要求,所以采用计算机辅助设计来完成电路的设计已经势在必行。同时,微机以及适合于微机系统的电子设计自动化软件的迅速发展,使得计算机辅助设计技术逐渐成为提高电子线路设计速度和质量所不可缺少的重要工具。在电子领域中采用电子设计自动化(EDA)技术具有以下的优点:
(1)缩短设计周期。采用EDA技术,用计算机模拟代替手工搭建试验电路,大大减轻了设计方案验证阶段的工作量,加速了设计进程,缩短了设计周期。
(2)提高了设计质量。与传统的数学方法想比较,电路EDA中采用元件模型更为复杂、精确,同时还克服 了传统设计方法中因仪器表接入而引起的各种误差。
(3)降低设计成本。利用EDA技术,可将传统设计过程中的设计、测试、调试等工作直接用计算机迅速而方便的进行,从而节约了大量的人力和物力资源。
(4)共享设计资源。在EDA系统中,成熟的模块设计和模型参数均放在数据库文件中,用户可直接把这些设计资源共享到网络上供其他设计者使用。
由于在现在的电子技术领域,考毕兹振荡器的应用相当广泛。西勒振荡器和串联晶体振荡器都是考毕兹振荡器的改进型,通过两种不同的改进,使二者在应用上也存在不同。本课题主要通过研究这两种振荡器在高性能仿真模拟中所表现出的性能,从而优化振荡器的设计,用以帮助在实际工程中的应用。
1.3   该课题的任务及指导思想
该课题主要任务是:掌握西勒振荡器和串联晶体振荡器电路参数的工程估算方法;掌握如何利用高级的EDA软件,基于电路的估算参数精确模拟分析,再根据分析结果对电路进行针对性的修改,直至达到设计要求;并且比较这两种振荡器的性能。通过研究这两种振荡器在高性能仿真模拟中所表现出的不同特性,有助于指导实际的工程应用。
在射频频段的电子设计中,由于半导体参数的离散性,使得晶体管的内部参数将随频率而变化,再加上分布参数的影响,使得晶体管内部结电容的影响变得显著,因此,在功能电路的设计初期,用晶体管简化的Y参数或混合∏等效模型做近似的工程估算分析。再基于复杂的仿真模型用计算机做精确的分析,不断调整电路参数,最终实现优化设计,从而在保证设计精度的同时,避开不切实际的复杂计算和烦琐的工程实验。

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