●提供配套電子課件、程序代碼等●將電路與模擬電子電路仿真分析實驗整閤,實行貫通教學●兼顧文本輸入和電路圖輸入兩種仿真模式●模擬電路分析與設計並重●推導BJT和MOS器件的等效電路模型,並對其SPICE模型參數進行說明●增加行為級仿真分析實例●突齣實際應用,強調電路性能指標的分析與設計●遵循循序漸進的規律
本書從電路與模擬電子電路的計算機輔助分析與設計的基本概念齣發,係統介紹用PSpice仿真軟件分析與設計電子電路的技術及方法;以電路理論與模擬電子電路課程中的基本定律和典型單元電路為例,介紹具體電路的描述方法及性能指標的仿真方法與步驟;電路仿真時采用以SPICE文本輸入仿真為主,文本輸入法和Capture電路圖輸入法相結閤的方式進行,對采用電路圖輸入法仿真的實例同時給齣對應的PSpice仿真程序,並對仿真結果進行理論分析;在此基礎上,以運算放大器及其應用電路設計為例,詳細討論模擬電路的綜閤仿真設計與優化方法。 全書共6章,主要包括:概論,電路元器件描述,電路特性分析與點命令,電路基礎仿真分析,綫性電子電路仿真分析,電子綫路PSpice仿真設計。本書提供配套電子課件、仿真程序代碼等。 本書可供物理類、電子信息類專業的本、專科生使用,也可供從事電路分析、模擬電路分析與設計的工程技術人員學習、參考。
楊維明,博士,湖北大學計算機與信息工程學院教授。學士畢業於北京理工大學無綫電技術,碩士畢業於華中科技大學通信與信息係統,博士畢業於北京工業大學微電子學與固體電子學。現任教育部中南地區高等學校電子電氣基礎課教學研究會理事。長期講授本科生微波技術基礎、電子信息技術導論、數字電路、模擬電路PSpice仿真等課程。
第1章 概論 1
1.1 傳統的電子電路設計 1
1.2 電子電路CAD技術 1
1.2.1 電子電路CAD流程 1
1.2.2 電子電路CAD技術優勢 2
1.2.3 電子電路仿真程序的構成 3
1.3 OrCAD/PSpice軟件簡介 4
1.3.1 SPICE發展曆程 4
1.3.2 OrCAD/PSpice支持的元器件類型與電路分析特性 4
本章小結 8
習題 8
第2章 電路元器件描述 9
2.1 PSpice輸入描述語句 9
2.2 常用無源器件的描述 12
2.3 常用有源器件的描述 16
2.3.1 二極管模型及描述 16
2.3.2 雙極型晶體管(BJT)模型及描述 19
2.3.3 MOSFET模型及描述 25
2.3.4 結型場效應管描述 32
2.3.5 GaAs MESFET描述 33
2.4 電源的描述 35
本章小結 39
習題 39
第3章 電路特性分析與點命令 40
3.1 直流分析 40
3.1.1 基本原理 40
3.1.2 點命令 40
3.1.3 靈敏度分析 45
3.2 交流小信號分析 47
3.2.1 基本原理 47
3.2.2 點命令 47
3.2.3 噪聲分析 50
3.3 瞬態分析 52
3.3.1 基本原理 52
3.3.2 點命令 53
3.3.3 傅裏葉分析 55
3.4 溫度分析 56
3.5 任選項 56
3.6 容差分析 57
3.6.1 濛特卡羅分析 58
3.6.2 最壞情況分析 61
3.7 通用參數掃描分析(.STEP) 62
3.8 函數定義語句 64
3.9 分析放大電路主要性能指標的方法 65
3.9.1 增益的點命令設置方法 65
3.9.2 輸入電阻、輸齣電阻 65
3.9.3 最大不失真輸齣幅值 65
3.9.4 功率 66
3.9.5 頻帶 66
本章小結 66
習題 66
第4章 電路基礎仿真分析 68
4.1 電路基本定理仿真分析 68
4.1.1 基爾霍夫定律應用與仿真分析 68
4.1.2 疊加定理應用與仿真分析 71
4.1.3 戴維南定理仿真分析 75
4.1.4 諾頓定理仿真分析 78
4.2 電路暫態仿真分析 81
4.2.1 一階RC電路的零輸入響應 81
4.2.2 一階RC電路的零狀態響應 84
4.2.3 一階綫性電路的全響應(三要素法)分析 87
4.3 正弦交流電路仿真分析 89
4.3.1 低通RC電路的頻率響應 89
4.3.2 高通RC電路的頻率響應 92
本章小結 95
習題 95
第5章 綫性電子電路仿真分析 99
5.1 共射放大電路分析 99
5.2 差分放大電路分析 104
5.3 集成運算放大器應用 114
5.3.1 有源積分電路 114
5.3.2 比較器電路 116
5.3.3 簡易信號發生器 118
5.3.4 比例運算電路設計 121
5.4 MOS電路分析 122
5.4.1 單管MOS放大電路 122
5.4.2 CMOS單級放大電路 124
5.4.3 CMOS差分放大電路 127
5.5 直流穩壓電源設計和仿真分析 130
5.5.1 整流濾波電路 130
5.5.2 串聯反饋式穩壓電路 131
5.6 負反饋放大電路仿真分析 134
5.6.1 晶體管負反饋放大電路仿真分析 134
5.6.2 綜閤負反饋放大電路仿真分析 139
本章小結 142
習題 143
第6章 電子綫路PSpice仿真設計 147
6.1 微弱信號放大器設計 147
6.2 CMOS運算放大器設計與仿真 153
6.2.1 MOS電流鏡基本原理 154
6.2.2 CMOS運算放大器設計 155
6.2.3 CMOS運算放大器仿真 159
6.3 晶體管多級放大電路設計 163
6.4 高頻微弱聲音識彆電路設計 167
6.5 PSpice輔助電路優化設計 171
6.5.1 優化設計原理 171
6.5.2 優化設計實例 173
本章小結 178
習題 178
參考文獻 182
前 言
在電路與模擬電路實驗中,引入PSpice仿真軟件進行虛擬仿真實驗,可大大節省實驗成本,緩解實驗室建設經費緊張的矛盾;同時可增強實踐平颱的靈活性,淡化硬件設計和軟件設計的界綫,優化知識結構。
掌握PSpice電路仿真方法,有利於拓寬思路、開闊視野,不斷提高電子設計與創新能力。但是,若以介紹電路仿真軟件的操作方法與步驟為主綫來討論電路仿真,不利於深入理解電路與模擬電路的原理及應用;另一方麵,若僅討論電路仿真分析方法,缺少電子電路的綜閤仿真設計與優化示例,不利於學生掌握電子電路設計及應用技術,也不利於學生綜閤設計能力的培養。
在理論教學實踐中,編者發現不少學生在學習模擬電路時感覺到睏難,主要原因是電路基礎理論沒有掌握好,不能將電路基礎理論及電路分析方法應用到模擬電路的學習中。實驗課程教學中,我們發現若單純介紹模擬電路的仿真方法,缺少對電路直流分析、交流分析、瞬態分析三大電路特性分析原理與內涵的介紹,也不利於學生對電路分析本質的理解。在開設模擬電路仿真實驗課之前,先開設電路基礎仿真實驗課,是一種選擇方案。但本人在多年的實驗教學中也發現,“電路基礎仿真實驗”與“模擬電路仿真實驗”課程橫跨兩個學期,會導緻不少學生不能將兩門課程知識有效地銜接,影響瞭實驗教學效果。
若將“電路理論”與“模擬電路”兩門課程整閤,實現貫通教學,或許能解決這一實際問題。在這方麵,教育部電工電子基礎課程教學指導委員會主任委員、東南大學王誌功教授率先進行瞭改革和探索,編寫瞭《電路與電子綫路基礎》教材,起到瞭示範效應,也收到瞭良好的教學效果。編者認為,電路與模擬電路作為一門技術基礎課程,在實驗環節進行整閤也是必要和可行的。
基於以上考慮,我們編寫瞭這本PSpice仿真實驗教材,將電路基礎與模擬電路仿真分析實驗整閤,實行貫通教學。全書以電子電路的分析與設計為主綫,通過典型實例,介紹瞭基於PSpice仿真軟件的模擬電子電路的仿真分析與設計方法:第1章主要介紹電子電路仿真軟件的組成原理,以及電路仿真的方法和基本流程,指齣PSpice仿真軟件包含Capture電路圖輸入和SPICE語言文本輸入兩種仿真方法;第2章和第3章是PSpice文本輸入仿真程序設計基礎,第2章主要介紹基於SPICE語言文本格式的電路描述方法,第3章主要介紹基於SPICE語言的電路仿真命令格式;由於電路理論是模擬電路分析的基礎,因此本書在介紹模擬電路仿真分析(第5章)之前,先介紹電路基礎仿真分析方法(第4章),第4章主要以電路圖輸入仿真分析為主,第5章則根據電路的結構特點選擇文本輸入或電路圖輸入仿真,所有以電路圖輸入仿真的實例,都同時給齣瞭對應的SPICE文本仿真程序代碼;為提高學生的設計應用能力,第6章增加瞭集成運算放大器的設計和仿真優化,以及微弱信號放大、音頻識彆電路、晶體管多級放大電路等內容,其篇幅與第5章相當。
本書的編寫,一方麵使學生掌握集成電路和電子電路計算機輔助分析與設計工具的操作和使用方法,掌握利用PSpice進行電子電路輔助分析與設計的一般方法,另一方麵,幫助學生更深入地學習和理解電路與模擬電子電路課程中各章節內容的原理、特點及應用,提高分析問題和解決問題的能力,擴展知識麵,通過逼真的特性麯綫更全麵地理解書本上很抽象的概念,使電路理論與模擬電子電路理論的學習達到事半功倍的效果,為今後從事集成電路和係統設計打下良好的基礎。
本教材的特點如下。
1)電路圖輸入和文本描述兩種仿真方式兼顧。因為當今流行的IC設計工具涉及圖形和文本兩種電路描述方式,仿真編譯結果均以文本格式的網單文件給齣,因此在這本專業基礎教材中以介紹文本輸入仿真方法為主,文本輸入和電路圖輸入兩種仿真模式兼顧。
2)將電路與模擬電子電路實驗內容整閤,使教材內容前後銜接更好、更係統。
3)模擬電路分析與設計並重。電路分析是設計的基礎,而缺乏設計與仿真實例,也不利於學生更好地掌握模擬電路基礎理論及提高設計應用能力。
4)推導瞭BJT和MOS器件的等效電路模型,並對其SPICE模型參數進行瞭說明,因為這兩種器件模型是放大電路仿真分析與設計的重要基礎。
5)增加瞭行為級仿真分析實例,為讀者在進行電路設計方案選擇時提供快捷的參考。
6)突齣實際應用,強調電路性能指標的分析與設計。書中無論是單元電路分析實例,還是綜閤設計仿真實例,都與實際應用緊密結閤;仿真時強調電路性能指標分析與仿真方法相結閤,性能指標設計與仿真優化相結閤。
7)遵循循序漸進規律。內容安排上,先介紹電路基礎仿真,再介紹模擬電路仿真;仿真方式上,先介紹電路圖輸入仿真,再介紹SPICE文本輸入仿真;循序漸進,逐步深入,符閤學生知識結構和認知發展規律。
雖然本書主要介紹電路理論和模擬電子電路的PSpice仿真分析與設計方法,但必須指齣,PSpice仿真軟件也可用於數字電路和高頻電路課程的仿真實驗。如今,已有專門針對數字電路仿真和高頻電路仿真的EDA軟件,這已經超齣瞭本書討論的主題。
全書共含6章。第1章、第2章、第3章由楊維明編寫;第4章由諶雨章編寫;第5章、第6章由楊維明和諶雨章共同編寫。編者感謝在本書編寫過程中提供幫助和指導的有關企業專傢和工程師,他們是武漢博而碩微電子有限公司總裁張軼偉高工、武漢濱湖電子有限責任公司楊武韜工程師等。本書提供配套電子課件、仿真程序代碼等,請登錄華信教育資源網(http://www.hxedu.com.cn)注冊下載,也可聯係本書編輯(wangxq@phei.com.cn)索取。
由於編者的知識水平有限,書中難免存在不妥之處,誠懇希望讀者批評指正。
編者郵箱:20040416@hubu.edu.cn
編 者
2016年6月
這本書簡直是為我量身定做的!我是一名剛開始接觸電子設計領域的學生,之前學過的理論知識總是感覺零散,遇到實際問題時常常無從下手。這本書就像一座燈塔,為我指明瞭方嚮。PSpice仿真部分的講解非常詳盡,從最基礎的元器件模型建立,到復雜的電路搭建和參數設置,都一步步清晰地演示。我尤其喜歡它將理論知識與實際仿真緊密結閤的方式,每次學習完一個章節的理論,都能立刻在PSpice中進行驗證,這種即時反饋極大地加深瞭我對電路工作原理的理解。書中提供的案例也十分貼切,涵蓋瞭許多實際應用中常見的電路,例如放大器、濾波器、電源等。通過親手操作仿真,我不僅掌握瞭這些電路的設計思路,還學會瞭如何分析仿真結果,找齣電路的性能瓶頸並進行優化。這本書讓我擺脫瞭“紙上談兵”的睏境,真正邁入瞭實踐的大門。
評分這本書的內容真的讓我感到驚喜。我一直對電子電路充滿瞭好奇,但苦於缺乏係統性的學習指導。這本書從最基礎的模擬電子電路知識講起,循序漸進地引導讀者瞭解各種元器件的特性和電路的基本構成。然後,它巧妙地引入瞭PSpice仿真工具,將枯燥的理論知識轉化為直觀的仿真結果。讓我印象深刻的是,書中不僅僅是教你如何操作軟件,更重要的是教會你如何“思考”電路,如何根據電路的預期功能來搭建仿真模型,以及如何通過分析仿真數據來驗證你的設計思路。其中的一些小技巧和注意事項,都是作者在實際工程經驗中總結齣來的寶貴財富,這讓我少走瞭很多彎路。這本書讓我覺得學習電子電路不再是遙不可及的,而是充滿樂趣和成就感的探索過程。
評分坦白說,我抱著試試看的心態購買瞭這本書,因為市麵上關於模擬電子電路和PSpice仿真的書籍確實不少。但這本書給我帶來瞭完全不同的閱讀體驗。它沒有像很多書籍那樣堆砌大量的公式和復雜的理論,而是用一種更加注重實際操作和結果導嚮的方式來展開。每個章節都配有清晰的電路圖和詳細的PSpice仿真步驟,並且對仿真結果的解讀也十分到位,能夠幫助讀者理解電路的實際工作狀態。我最喜歡的一點是,它不僅展示瞭如何“正確”地進行仿真,還提及瞭仿真過程中可能遇到的“陷阱”和“誤區”,以及如何去規避它們。這種“反麵教材”式的講解,反而讓我對PSpice仿真有瞭更深刻和全麵的認識,學會瞭更加嚴謹地對待仿真結果。
評分我一直覺得,理論知識隻有與實踐相結閤纔能真正發揮價值。這本書完美地做到瞭這一點。它將理論講解和PSpice仿真實踐無縫對接,讓我在學習過程中能夠不斷地驗證和鞏固所學知識。書中的每一個案例都精心設計,既能體現理論的精髓,又能展示PSpice強大的仿真能力。我尤其喜歡書中對一些經典模擬電路的深入剖析,例如運算放大器的應用、濾波器設計等,作者通過PSpice仿真,將這些電路的各種工作模式和性能指標清晰地展現齣來,讓我對它們的理解更加透徹。讀完這本書,我感覺自己不僅掌握瞭模擬電子電路的基本理論,更重要的是獲得瞭獨立進行電路設計和仿真的能力,這對我未來的學習和工作都將大有裨益。
評分作為一名有幾年經驗的模擬電子工程師,我一直想在PSpice仿真方麵有所精進,以便更高效地進行産品開發和故障排查。這本書的深度和廣度都超齣瞭我的預期。它並沒有停留在基礎的仿真操作層麵,而是深入探討瞭PSpice在復雜模擬電路設計中的高級應用,比如瞬態分析、交流小信號分析、噪聲分析、失真分析等,這些都是我在工作中經常會遇到的挑戰。書中對各種分析方法的原理進行瞭深入剖析,並結閤具體電路實例,演示瞭如何利用PSpice進行精確的參數提取和性能預測。我特彆欣賞它對模型庫的使用和自定義模型的創建的講解,這對於仿真精度和效率的提升至關重要。讀完這本書,我感覺自己對模擬電路的仿真能力有瞭質的飛躍,能夠更有信心地應對更具挑戰性的項目。
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