具体描述
内容简介
本书从实用性和先进性出发,较全面地介绍电子线路的基本设计方法和CAD软件的应用,电路包含线性和非线性两部分,是与模拟电子电路、通信电子电路和电子线路CAD等理论课程相配套的教材。全书分为4部分内容:PSpice设计软件简介、基础性分析设计与仿真、综合性设计与仿真、LTSpice设计平台简介,共编排了31个设计仿真任务。其中LTSpice为较新的电路设计仿真软件,该软件除了用于教材设计内容外,还可供高频电路的课程设计及毕业设计等教学方面选用。此外,书中还对各电路的电路结构、工作原理、性能参数、技术指标等理论知识进行简单介绍。 作者简介
林弥,博士,毕业于浙江大学,2004年3月至今,在杭州电子科技大学电子信息学院任教。参与编写了《通信电路实验与设计》,参加了杭州电子科技大学《模拟电子电路》校级精品课程建设,已在各类期刊上发表论文若干篇。通信电子电路实验教学模式改革与实践获杭州电子科技大学2012年优秀教学成果奖二等奖 目录
目 录
第1章 PSpice设计软件简介 1
1.1 电路图的绘制 1
1.1.1 启动OrCAD Capture CIS 1
1.1.2 绘制元器件 2
1.1.3 信号源与接地 5
1.1.4 互连线绘制 7
1.1.5 节点编号 7
1.1.6 滤波器简介 9
1.2 PSpice电路分析 10
1.2.1 直流分析 10
1.2.2 交流小信号分析 14
1.2.3 瞬态分析 15
1.2.4 傅里叶分析 17
1.2.5 温度分析 17
1.2.6 参数扫描分析 18
1.3 PSpice器件模型和元件的创建 19
1.3.1 PSpice Model Editor模型编辑
器的使用 19
1.3.2 编辑元件符号 23
1.3.3 添加库 25
1.4 实例 26
1.4.1 单级小信号晶体管放大电路 26
1.4.2 基于MC1496的调幅电路 38
1.4.3 基于TDA2030集成芯片的音频
功放电路 49
1.4.4 CMOS放大电路 55
1.5 本章小结 61
第2章 基础性分析设计与仿真 62
2.1 二极管特性分析与仿真 62
2.1.1 学习目的 62
2.1.2 二极管特性及工作原理 62
2.1.3 仿真任务 63
2.1.4 分析要求 65
2.1.5 思考题 66
2.2 晶体三极管和场效应管特性分析
及仿真 66
2.2.1 学习目的 66
2.2.2 器件特性及工作原理 66
2.2.3 仿真任务 68
2.2.4 分析要求 69
2.2.5 思考题 70
2.3 基本的单管放大器分析与仿真 70
2.3.1 学习目的 70
2.3.2 单管放大电路工作原理及性能
指标 70
2.3.3 仿真任务 70
2.3.4 分析要求 73
2.3.5 思考题 73
2.4 负反馈放大电路分析与仿真 73
2.4.1 学习目的 73
2.4.2 负反馈放大电路工作原理及性
能指标 73
2.4.3 仿真任务 74
2.4.4 分析要求 77
2.4.5 思考题 77
2.5 差分放大电路分析与仿真 77
2.5.1 学习目的 77
2.5.2 差分放大电路工作原理及性能
指标 77
2.5.3 仿真任务 78
2.5.4 分析要求 81
2.5.5 思考题 81
2.6 集成运算放大器分析与仿真 81
2.6.1 学习目的 81
2.6.2 集成运放电路工作原理及性能
指标 81
2.6.3 仿真任务 82
2.6.4 分析要求 84
2.6.5 思考题 84
2.7 RC网络分析设计与仿真 84
2.7.1 学习目的 84
2.7.2 RC网络工作原理及性能指标 84
2.7.3 仿真及设计任务 85
2.7.4 分析要求 88
2.7.5 思考题 88
2.8 LC谐振回路分析设计与仿真 88
2.8.1 学习目的 88
2.8.2 LC网络工作原理及性能指标 88
2.8.3 设计任务及参数指标 90
2.8.4 设计要求 91
2.8.5 思考题 91
2.9 单调谐小信号放大器分析设计与
仿真 91
2.9.1 学习目的 91
2.9.2 单调谐小信号放大电路工作
原理及性能指标 91
2.9.3 设计任务及参数指标 93
2.9.4 设计要求 93
2.9.5 思考题 94
2.10 丙类调谐功率放大器分析设计
与仿真 94
2.10.1 学习目的 94
2.10.2 丙类功放工作原理及性能
指标 94
2.10.3 设计任务及参数指标 95
2.10.4 设计要求 96
2.10.5 思考题 96
2.11 倍频器电路分析设计与仿真 96
2.11.1 学习目的 96
2.11.2 倍频器电路工作原理及性能
指标 96
2.11.3 设计任务及参数指标 97
2.11.4 设计要求 97
2.11.5 思考题 97
2.12 石英晶体振荡器电路分析设计
与仿真 97
2.12.1 学习目的 97
2.12.2 石英晶振电路工作原理及
性能指标 97
2.12.3 设计任务及参数指标 99
2.12.4 设计要求 99
2.12.5 思考题 99
2.13 二极管调幅电路分析设计与
仿真 99
2.13.1 学习目的 99
2.13.2 二极管调幅电路工作原理 99
2.13.3 设计任务及参数指标 100
2.13.4 设计要求 100
2.13.5 思考题 100
2.14 二极管峰值包络检波电路分析
设计与仿真 101
2.14.1 学习目的 101
2.14.2 二极管包络检波器工作原理
及性能指标 101
2.14.3 设计任务及参数指标 104
2.14.4 设计要求 104
2.14.5 思考题 104
2.15 单失谐回路斜率鉴频器分析
设计与仿真 104
2.15.1 学习目的 104
2.15.2 单失谐回路斜率鉴频器工作
原理及性能指标 105
2.15.3 设计任务及参数指标 106
2.15.4 设计要求 107
2.15.5 思考题 107
2.16 本章小结 107
第3章 综合性设计与仿真 108
3.1 波形发生器电路的设计与仿真 108
3.1.1 设计内容 108
3.1.2 设计要求及参数指标 108
3.1.3 设计提示 108
3.2 共射-共集组合放大器的设计与
仿真 109
3.2.1 设计内容 109
3.2.2 设计要求及参数指标 109
3.3 心电放大器的设计与仿真 109
3.3.1 设计内容及参数指标 109
3.3.2 设计要求 109
3.3.3 设计提示 109
3.4 直流稳压电源的设计与仿真 110
3.4.1 设计内容 110
3.4.2 设计要求及参数指标 110
3.4.3 设计提示 110
3.5 开关稳压电源的设计与仿真 111
3.5.1 设计内容 111
3.5.2 设计要求 111
3.6 基于运放的压控振荡器设计与
仿真 112
3.6.1 设计内容 112
3.6.2 设计要求 112
3.7 高电平调幅电路的设计与仿真 112
3.7.1 设计内容 112
3.7.2 设计要求及参数指标 112
3.7.3 设计提示 113
3.8 基于变容二极管的压控振荡器
设计与仿真 113
3.8.1 设计简介 113
3.8.2 设计内容 113
3.8.3 设计要求及参数指标 114
3.8.4 设计提示 114
3.9 差分峰值斜率鉴频器在集成电路
中的应用与设计 115
3.9.1 设计内容 115
3.9.2 设计提示 115
3.9.3 设计要求及参数指标 116
3.10 小功率调频发射机电路的设计
与仿真 116
3.10.1 设计内容 116
3.10.2 设计要求及参数指标 117
3.10.3 设计提示 117
3.11 集成锁相环应用电路的设计
与仿真 117
3.11.1 设计内容 117
3.11.2 设计要求及参数指标 118
3.11.3 设计提示 118
3.12 无线广播调幅发射系统的设计
与仿真 119
3.12.1 设计内容 119
3.12.2 设计要求及参数指标 119
3.12.3 设计提示 119
3.13 超外差式接收系统的设计与
仿真 119
3.13.1 设计内容 119
3.13.2 设计要求及参数指标 120
3.14 本章小结 120
第4章 LTSpice设计平台简介 121
4.1 电路图绘制Schematics Capture 122
4.1.1 Schematics Capture的电路
原理图结构 122
4.1.2 Schematics Capture的基本
操作 122
4.1.3 电路图绘制举例 125
4.2 电路性能分析 130
4.3 器件模型与电路图模块化设计 137
4.3.1 外部器件的SPICE模型导入
方法 138
4.3.2 原理图的模块化设计 140
4.4 控制面板的设置 143
4.5 集成可调基准电压源和DC-DC
降压开关电源的仿真 146
4.5.1 基于LT1431的可编程基准
电压源 146
4.5.2 基于TL431的基准电压源 148
4.5.3 DC-DC降压开关稳压电源
仿真 150
4.6 丙类功率放大器的设计与仿真 153
4.7 振幅调制与解调电路仿真 157
4.7.1 振幅调制电路设计与仿真 157
4.7.2 解调电路仿真 162
4.8 设计思考题 165
4.9 本章小结 165
附录A PSpice库简介一 166
附录B PSpice库简介二 168
附录C LTSpice的点命令(Dot
Commands)功能简表 169
附录D LTSpice电路器件符号索引简表 170
附录E AD633的SPICE模型文件 171
参考文献 175 前言/序言
《电子线路SPICE设计与仿真》 内容简介 本书致力于为广大电子工程领域的从业者、研究者以及在校学生提供一本关于使用SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)进行电子线路设计与仿真的全面而深入的指南。SPICE作为一款功能强大的电路仿真软件,是现代电子设计流程中不可或缺的工具。通过掌握SPICE,工程师能够高效地验证电路性能,优化设计参数,预测潜在问题,从而大大缩短产品开发周期,降低制造成本,并提升产品质量。 本书并非一本枯燥的技术手册,而是以实际应用为导向,从基础概念讲解到高级技巧应用,层层递进,力求让读者在轻松理解 SPICE 精髓的同时,能够迅速将其应用于实际的电路设计工作中。我们深知,理论知识的掌握需要与实践相结合,因此,本书贯穿了大量的实际电路案例分析,涵盖了模拟电路、数字电路以及数模混合电路等多个领域,旨在帮助读者建立起完整的仿真设计思维。 第一部分:SPICE仿真基础与入门 在这一部分,我们将从最基础的概念讲起,为读者打下坚实的 SPICE 仿真基础。 SPICE 仿真软件概述:首先,我们会简要介绍 SPICE 的发展历程、不同版本的特点(如 PSpice, LTspice, HSPICE 等)以及它们在电子设计中的地位和作用。我们将强调 SPICE 作为一种数学模型,如何通过数值计算来描述和预测电路的行为。 SPICE 基本工作流程:本书将详细阐述 SPICE 仿真的基本工作流程,包括原理图输入、网表生成、仿真设置、运行仿真以及结果分析。我们将引导读者理解网表(Netlist)的结构和意义,这是 SPICE 仿真能够运行的核心。 SPICE 元件模型:理解 SPICE 如何模拟真实世界的电子元件至关重要。我们将深入讲解 SPICE 中各种基本元件(电阻、电容、电感、二极管、三极管、MOSFET、运算放大器等)的模型描述方式。这部分将涉及元件的数学模型、参数的意义以及如何根据实际器件选择合适的模型。 SPICE 分析类型:SPICE 提供了多种强大的分析功能,以满足不同的设计需求。本书将详细介绍并分析各种主要的分析类型: 直流工作点分析(DC Operating Point Analysis, .OP):用于确定电路在无交流信号输入时的稳态工作状态,如各器件的直流电压和电流。 瞬态分析(Transient Analysis, .TRAN):模拟电路随时间变化的响应,这是最常用的分析类型之一,可用于观察信号的上升沿、下降沿、过冲、振铃等。 交流小信号分析(AC Small-Signal Analysis, .AC):用于分析电路在不同频率下的频率响应,如增益、相位裕度、带宽等,是进行滤波器设计和稳定性分析的关键。 噪声分析(Noise Analysis, .NOISE):用于计算电路的噪声贡献,评估电路的信噪比(SNR),对于低噪声放大器等设计至关重要。 傅立叶变换分析(Fourier Transform Analysis, .FOUR):用于分析电路输出信号的频谱成分,识别谐波失真等。 参数扫描分析(Parametric Sweep Analysis, .STEP):允许用户改变一个或多个元件参数,观察电路性能随参数变化的趋势,用于优化设计。 蒙特卡罗分析(Monte Carlo Analysis, .MC):用于评估电路在元件参数存在一定偏差时的性能分布情况,预测产品良率。 SPICE 控制语句与语法:本书将系统梳理 SPICE 的各种控制语句(如 .MODEL, .PARAM, .PRINT, .PLOT, .PROBE, .END 等)和语法规则,帮助读者能够准确无误地编写仿真指令。 第二部分:模拟电路的 SPICE 设计与仿真 模拟电路是电子学的基础,其设计与仿真往往更具挑战性。本部分将聚焦于模拟电路的 SPICE 设计与仿真。 直流偏置与稳偏电路仿真:如何为有源器件(如晶体管)提供稳定的直流工作点是模拟电路设计的关键。我们将通过实际案例,演示如何使用 SPICE 仿真来设计和验证各种偏置电路,如分压偏置、发射极/源极/阴极自偏置等,并分析其稳定性。 放大器设计与仿真: 单级放大器:从共射/共漏/共集放大器到共源/共漏/共栅放大器,我们将展示如何使用 SPICE 仿真来设计和优化这些基本放大器电路的增益、输入/输出阻抗、带宽等性能指标。 多级放大器:级联放大器是实现高增益和特定性能的常用方法。本书将通过仿真案例,演示如何设计和分析级联放大器的整体性能,并解决级联过程中可能出现的匹配和稳定性问题。 差分放大器:差分放大器在许多应用中扮演着重要角色。我们将深入探讨其工作原理,并利用 SPICE 仿真来分析其共模抑制比(CMRR)、输入阻抗、输出阻抗和线性度。 运算放大器(Op-Amp)应用:将重点讲解如何利用 SPICE 仿真来设计和验证各种基于运算放大器的经典电路,如同相/反相放大器、电压跟随器、加法器、减法器、积分器、微分器、比较器、有源滤波器等。我们将强调仿真在验证这些电路功能和性能上的作用。 滤波器设计与仿真: 无源滤波器:RLC 滤波器是构建基础滤波器的核心。我们将展示如何使用 SPICE 仿真来设计低通、高通、带通和带阻滤波器,并通过交流小信号分析来验证其频率响应,如截止频率、带宽、纹波系数和衰减特性。 有源滤波器:基于运算放大器的有源滤波器提供了更高的灵活性和性能。本书将详细介绍如何使用 SPICE 仿真来设计萨伦(Sallen-Key)滤波器、多路反馈(MFB)滤波器等,并分析其阻带衰减和通带平坦度。 振荡器设计与仿真:我们将通过 SPICE 仿真来探索不同类型的振荡器电路,如 RC 振荡器(移相、维恩电桥)、LC 振荡器(哈特莱、考皮兹)以及晶体振荡器。重点在于如何仿真其起振条件、输出波形、频率稳定度和失真度。 电源电路设计与仿真: 线性稳压器:如三端稳压器(78xx/79xx 系列)和低压差(LDO)稳压器。我们将演示如何使用 SPICE 仿真来分析其稳压精度、输出纹波、负载调整率和线性调整率。 开关稳压器:如降压(Buck)、升压(Boost)和升降压(Buck-Boost)拓扑。这部分将是 SPICE 仿真在电源设计中的一个重要亮点。我们将讲解如何对这些拓扑进行建模和仿真,分析其效率、瞬态响应、纹波和稳定性。 非线性电路分析: SPICE 能够有效地处理非线性电路。我们将通过仿真例子,如二极管整流电路、晶体管饱和/截止特性分析,来展示 SPICE 在非线性行为分析上的强大能力。 第三部分:数字电路与数模混合电路的 SPICE 设计与仿真 随着电子系统的复杂化,数字电路和数模混合电路的仿真变得日益重要。 数字逻辑门与触发器仿真:我们将展示如何使用 SPICE 仿真来建立和验证基本的数字逻辑门(AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR)和触发器(D 触发器, JK 触发器, T 触发器)的功能。这部分将涉及如何使用数字门级模型或晶体管级模型进行仿真。 组合逻辑与时序逻辑电路仿真:通过 SPICE 仿真,我们可以验证如加法器、减法器、译码器、多路选择器等组合逻辑电路,以及寄存器、计数器等时序逻辑电路的设计。我们将强调瞬态分析在时序验证中的应用。 数模转换器(DAC)与模数转换器(ADC)仿真:这将是本书数模混合电路部分的重要内容。我们将使用 SPICE 仿真来分析 R-2R 梯形 DAC、权电阻 DAC 的转换精度、非线性度等。对于 ADC,我们将仿真不同类型的 ADC(如逐次逼近型、并行型)的工作原理和性能指标。 数模混合系统仿真:我们将通过一个小型数模混合系统的案例,展示如何整合数字和模拟模块,并使用 SPICE 进行整体仿真。这有助于理解数字和模拟部分之间的交互以及整体系统的稳定性。 关键数字参数仿真:除了功能验证,我们还将关注数字电路的关键性能参数,如传播延迟、建立时间、保持时间、竞争(Race Condition)等,并展示如何使用 SPICE 仿真来测量和优化这些参数。 第四部分:高级 SPICE 应用与技巧 在掌握了 SPICE 的基础和常用应用后,本书将进一步介绍一些高级的应用和技巧,帮助读者更上一层楼。 参数化建模与优化:如何利用 `.PARAM` 和 `.STEP` 语句进行参数化建模,并通过迭代仿真来优化电路的性能,找到最佳的设计参数。 噪声分析的深入应用:除了基本的噪声分析,我们将探讨如何分析电路中各个噪声源的贡献,以及如何通过电路设计来降低总噪声。 模型库的构建与管理:如何导入第三方元件模型,创建自定义模型,以及如何有效地管理模型库,以支持更复杂的项目。 版图后仿真(Post-Layout Simulation):理解版图提取(Layout Extraction)的意义,以及如何进行版图后仿真来验证电路在实际制造过程中的性能,包括寄生参数的影响。 SPICE 脚本与自动化:介绍如何利用 SPICE 脚本(如 .NET, .RAW 文件)进行自动化仿真和数据处理,提高设计效率。 常见仿真错误与排除:分析在 SPICE 仿真过程中可能遇到的常见错误,如收敛问题、模型不匹配、设置错误等,并提供相应的解决方法。 实际案例研究:选取几个典型的、具有代表性的电子产品设计案例,从原理图设计、SPICE 模型选择、仿真设置到结果分析,进行详细的流程展示和深入剖析。这些案例将涵盖通信、电源、音频、嵌入式系统等多个领域,力求全面展示 SPICE 在实际设计中的强大应用价值。 结语 本书的目标是帮助读者建立起一套完整的 SPICE 仿真设计体系。我们相信,通过本书的学习,读者不仅能够熟练掌握 SPICE 仿真软件的使用,更重要的是能够培养出严谨的电路设计思维和高效的仿真分析能力。在电子产品日益精密化、复杂化的今天,SPICE 仿真将成为您在电子设计领域披荆斩棘的有力武器。我们鼓励读者在阅读本书的同时,积极动手实践,用 SPICE 解决实际设计问题,不断提升自己的专业技能。 适合读者 电子工程、微电子、通信工程等相关专业的在校学生 从事模拟电路、数字电路、嵌入式系统、电源管理等领域的工程师 对电子电路设计与仿真感兴趣的业余爱好者 本书以其严谨的内容、丰富的案例和实用的技巧,定能成为您在 SPICE 仿真设计道路上的良师益友。