本文利用图形化的PSpice计算机辅助设计CAD工具Cadence OrCAD Capture 9.2对LC正弦振荡器进行计算机设计和仿真。希望通过这个设计实例，给无线电爱好者在使用计算机辅助设计电路方面一点帮助。
本刊曾在2002年第6、7期上对PSpice软件学生版进行过介绍，其下载地址为http：//www.cadencepcb.com/products/downloads/PSpicestudent/default.asp。
LC振荡器是指以LC振荡回路作为选频网络的反馈振荡器，它可以产生几十千赫至几百兆赫的正弦振荡信号。本文选用一款电容串联改进型三点式振荡器，称为克拉泼振荡器。这里，三点式振荡器指的是LC回路的三个端点与晶体管三个电极直接连接的振荡器。而克拉泼电路是对普通三点式振荡器的一种改进，它将反馈信号的决定因素与振荡频率的决定因素相互分离，从而提高了振荡频率的稳定度。
本实验电路见图1。在该电路中，电容C1和C2作为电路的反馈环路，对振荡回路的能量损耗进行补充，保证振荡器工作在稳定的状态，所以称为反馈振荡器。可见，该电路反馈系数F=C1/（C1+C2）不能太小，否则不能保证能量的充足补充。另一方面，在C3较小的情况下，电路的振荡频率主要由L1、C3决定，有f≈1/（2π L1×C3）。这样就将反馈环路与振荡回路相互隔离，提高振荡频率的稳定度；当反馈环路的元件有所改变时，振荡频率不会有很大的变化。
下面，结合CAD工具，介绍该电路的设计和仿真过程。
首先，在确定了实验用电路的基本形式后，将电路输入到PSpice中。其中，振荡电路需要在最初阶段加入一个尖脉冲，来仿真实际实验时接通电路瞬间的电压跳变。因此，在使用12V直流电源Vdc的基础上，可以利用SOURCE库中的VPULSE元件（见图2）。在其参数中，需要利用V1（初值）和V2（改变后的值），以及TD（尖脉冲来临的时刻），其他参数使用PSpice默认值。我们选用V1=-1V，V2=0V以及TD=1μs的VPULSE。将VPULSE与普通的Vdc串联，就可以得到符合实际的、能够对振荡器有一个初激励的电压源。
接下来，需要对晶体管的参数进行调整。为了保证该电路使用各种晶体管都能正常工作，将电路中的晶体管模型作如下修改：在电路中的晶体管上单击右键，选择“编辑PSpice模型”。按照如下的技术指标进行修改：IS=10-15A，βF=120，rbb'=5Ω，CJC0=1pF，CJe0=3pF，tF'=1ns（fT=160MHz），VA=100V。对应在PSpice模型中，参数语句应该更改为：Is=ie-15Vaf=100βF=120 Cjc=1p Cje=3p t F=1n R b=5。其余参数使用PSpice模型的默认值即可。这样，就消除了不同晶体管之间的差异，使电路对晶体管具有了一般性。
然后，确定各个元件的参数。这里，首先应该确定电路的静态工作点，保证晶体管工作在放大区，满足振荡器的要求。然后再确定反馈环路C1、C2和LC振荡环路L1、C3的参数。由上面讨论可知，反馈系数F不能太小，因此这里选择C1=120pF、C2=680pF，使F=0.15；而选择LC回路时，要保证C3较小，因此选择L1=100μH、C3=6pF，得到振荡频率约为6.5MHz。各确定电路的参数如图1所示。
完成了上面的输入步骤后，就可以进行仿真了。点击设计面板上方的“创建仿真文件”，选择仿真时间为30μs，进行时域仿真，仿真文件设置见图3。然后，利用PSpice提供的探头测量工具，放置在L1电感的两端，测量其上的电压差，作为输出信号，得到的仿真波形如图4所示。达到稳定状态时，正弦信号峰峰值达10V，可以满足一般需要。为了检查该信号的频率，利用仿真波形界面上方的FFT按键（见图5），然后适当调整坐标轴范围，就能够得到该信号清晰的频谱，见图6。从频谱图中，可以看到频率为6.90MHz的正弦信号功率最大，这就是振荡器的正弦振荡输出信号。与上面的理论近似计算相比，误差为6.0％，主要由理论公式的近似性产生。
本电路使用的元件和结构都较简单，在计算机模拟通过了电路的设计后，就可以按照电路图组装出实际的电路。由于实际情况与理论存在不可避免的差异，因此需要对实际电路分级测量，进行相应的校准。而实际的LC回路的参数L1、C3也需要在实际测量过程中经过校准，才能最后确定；在对频率的准确性要求高的场合，比如载波信号的生成，更是如此。因此，计算机仿真虽然对电路的设计起了基础性的作用，但实际电路的调整还是不能避免的。
利用计算机仿真，最大的好处是可以帮助我们对电路各个参数的作用作一定的研究。比如，在该电路中，调节电路中C3的值，可以改变振荡器输出信号的频率；而适当改变C1和C2的值以及它们的比例关系，还可以改变电路的起振点；适当改变R2可以改变晶体管的静态工作点，对振荡频率和振荡幅度产生影响。这里，上述各种情况的仿真验证留给读者完成。读者还可以使用同样的设计方法，对电路进行更深入的讨论。
（刘奇佳）