具体描述
內容簡介
本書從實用性和先進性齣發,較全麵地介紹電子綫路的基本設計方法和CAD軟件的應用,電路包含綫性和非綫性兩部分,是與模擬電子電路、通信電子電路和電子綫路CAD等理論課程相配套的教材。全書分為4部分內容:PSpice設計軟件簡介、基礎性分析設計與仿真、綜閤性設計與仿真、LTSpice設計平颱簡介,共編排瞭31個設計仿真任務。其中LTSpice為較新的電路設計仿真軟件,該軟件除瞭用於教材設計內容外,還可供高頻電路的課程設計及畢業設計等教學方麵選用。此外,書中還對各電路的電路結構、工作原理、性能參數、技術指標等理論知識進行簡單介紹。 作者簡介
林彌,博士,畢業於浙江大學,2004年3月至今,在杭州電子科技大學電子信息學院任教。參與編寫瞭《通信電路實驗與設計》,參加瞭杭州電子科技大學《模擬電子電路》校級精品課程建設,已在各類期刊上發錶論文若乾篇。通信電子電路實驗教學模式改革與實踐獲杭州電子科技大學2012年優秀教學成果奬二等奬 目錄
目 錄
第1章 PSpice設計軟件簡介 1
1.1 電路圖的繪製 1
1.1.1 啓動OrCAD Capture CIS 1
1.1.2 繪製元器件 2
1.1.3 信號源與接地 5
1.1.4 互連綫繪製 7
1.1.5 節點編號 7
1.1.6 濾波器簡介 9
1.2 PSpice電路分析 10
1.2.1 直流分析 10
1.2.2 交流小信號分析 14
1.2.3 瞬態分析 15
1.2.4 傅裏葉分析 17
1.2.5 溫度分析 17
1.2.6 參數掃描分析 18
1.3 PSpice器件模型和元件的創建 19
1.3.1 PSpice Model Editor模型編輯
器的使用 19
1.3.2 編輯元件符號 23
1.3.3 添加庫 25
1.4 實例 26
1.4.1 單級小信號晶體管放大電路 26
1.4.2 基於MC1496的調幅電路 38
1.4.3 基於TDA2030集成芯片的音頻
功放電路 49
1.4.4 CMOS放大電路 55
1.5 本章小結 61
第2章 基礎性分析設計與仿真 62
2.1 二極管特性分析與仿真 62
2.1.1 學習目的 62
2.1.2 二極管特性及工作原理 62
2.1.3 仿真任務 63
2.1.4 分析要求 65
2.1.5 思考題 66
2.2 晶體三極管和場效應管特性分析
及仿真 66
2.2.1 學習目的 66
2.2.2 器件特性及工作原理 66
2.2.3 仿真任務 68
2.2.4 分析要求 69
2.2.5 思考題 70
2.3 基本的單管放大器分析與仿真 70
2.3.1 學習目的 70
2.3.2 單管放大電路工作原理及性能
指標 70
2.3.3 仿真任務 70
2.3.4 分析要求 73
2.3.5 思考題 73
2.4 負反饋放大電路分析與仿真 73
2.4.1 學習目的 73
2.4.2 負反饋放大電路工作原理及性
能指標 73
2.4.3 仿真任務 74
2.4.4 分析要求 77
2.4.5 思考題 77
2.5 差分放大電路分析與仿真 77
2.5.1 學習目的 77
2.5.2 差分放大電路工作原理及性能
指標 77
2.5.3 仿真任務 78
2.5.4 分析要求 81
2.5.5 思考題 81
2.6 集成運算放大器分析與仿真 81
2.6.1 學習目的 81
2.6.2 集成運放電路工作原理及性能
指標 81
2.6.3 仿真任務 82
2.6.4 分析要求 84
2.6.5 思考題 84
2.7 RC網絡分析設計與仿真 84
2.7.1 學習目的 84
2.7.2 RC網絡工作原理及性能指標 84
2.7.3 仿真及設計任務 85
2.7.4 分析要求 88
2.7.5 思考題 88
2.8 LC諧振迴路分析設計與仿真 88
2.8.1 學習目的 88
2.8.2 LC網絡工作原理及性能指標 88
2.8.3 設計任務及參數指標 90
2.8.4 設計要求 91
2.8.5 思考題 91
2.9 單調諧小信號放大器分析設計與
仿真 91
2.9.1 學習目的 91
2.9.2 單調諧小信號放大電路工作
原理及性能指標 91
2.9.3 設計任務及參數指標 93
2.9.4 設計要求 93
2.9.5 思考題 94
2.10 丙類調諧功率放大器分析設計
與仿真 94
2.10.1 學習目的 94
2.10.2 丙類功放工作原理及性能
指標 94
2.10.3 設計任務及參數指標 95
2.10.4 設計要求 96
2.10.5 思考題 96
2.11 倍頻器電路分析設計與仿真 96
2.11.1 學習目的 96
2.11.2 倍頻器電路工作原理及性能
指標 96
2.11.3 設計任務及參數指標 97
2.11.4 設計要求 97
2.11.5 思考題 97
2.12 石英晶體振蕩器電路分析設計
與仿真 97
2.12.1 學習目的 97
2.12.2 石英晶振電路工作原理及
性能指標 97
2.12.3 設計任務及參數指標 99
2.12.4 設計要求 99
2.12.5 思考題 99
2.13 二極管調幅電路分析設計與
仿真 99
2.13.1 學習目的 99
2.13.2 二極管調幅電路工作原理 99
2.13.3 設計任務及參數指標 100
2.13.4 設計要求 100
2.13.5 思考題 100
2.14 二極管峰值包絡檢波電路分析
設計與仿真 101
2.14.1 學習目的 101
2.14.2 二極管包絡檢波器工作原理
及性能指標 101
2.14.3 設計任務及參數指標 104
2.14.4 設計要求 104
2.14.5 思考題 104
2.15 單失諧迴路斜率鑒頻器分析
設計與仿真 104
2.15.1 學習目的 104
2.15.2 單失諧迴路斜率鑒頻器工作
原理及性能指標 105
2.15.3 設計任務及參數指標 106
2.15.4 設計要求 107
2.15.5 思考題 107
2.16 本章小結 107
第3章 綜閤性設計與仿真 108
3.1 波形發生器電路的設計與仿真 108
3.1.1 設計內容 108
3.1.2 設計要求及參數指標 108
3.1.3 設計提示 108
3.2 共射-共集組閤放大器的設計與
仿真 109
3.2.1 設計內容 109
3.2.2 設計要求及參數指標 109
3.3 心電放大器的設計與仿真 109
3.3.1 設計內容及參數指標 109
3.3.2 設計要求 109
3.3.3 設計提示 109
3.4 直流穩壓電源的設計與仿真 110
3.4.1 設計內容 110
3.4.2 設計要求及參數指標 110
3.4.3 設計提示 110
3.5 開關穩壓電源的設計與仿真 111
3.5.1 設計內容 111
3.5.2 設計要求 111
3.6 基於運放的壓控振蕩器設計與
仿真 112
3.6.1 設計內容 112
3.6.2 設計要求 112
3.7 高電平調幅電路的設計與仿真 112
3.7.1 設計內容 112
3.7.2 設計要求及參數指標 112
3.7.3 設計提示 113
3.8 基於變容二極管的壓控振蕩器
設計與仿真 113
3.8.1 設計簡介 113
3.8.2 設計內容 113
3.8.3 設計要求及參數指標 114
3.8.4 設計提示 114
3.9 差分峰值斜率鑒頻器在集成電路
中的應用與設計 115
3.9.1 設計內容 115
3.9.2 設計提示 115
3.9.3 設計要求及參數指標 116
3.10 小功率調頻發射機電路的設計
與仿真 116
3.10.1 設計內容 116
3.10.2 設計要求及參數指標 117
3.10.3 設計提示 117
3.11 集成鎖相環應用電路的設計
與仿真 117
3.11.1 設計內容 117
3.11.2 設計要求及參數指標 118
3.11.3 設計提示 118
3.12 無綫廣播調幅發射係統的設計
與仿真 119
3.12.1 設計內容 119
3.12.2 設計要求及參數指標 119
3.12.3 設計提示 119
3.13 超外差式接收係統的設計與
仿真 119
3.13.1 設計內容 119
3.13.2 設計要求及參數指標 120
3.14 本章小結 120
第4章 LTSpice設計平颱簡介 121
4.1 電路圖繪製Schematics Capture 122
4.1.1 Schematics Capture的電路
原理圖結構 122
4.1.2 Schematics Capture的基本
操作 122
4.1.3 電路圖繪製舉例 125
4.2 電路性能分析 130
4.3 器件模型與電路圖模塊化設計 137
4.3.1 外部器件的SPICE模型導入
方法 138
4.3.2 原理圖的模塊化設計 140
4.4 控製麵闆的設置 143
4.5 集成可調基準電壓源和DC-DC
降壓開關電源的仿真 146
4.5.1 基於LT1431的可編程基準
電壓源 146
4.5.2 基於TL431的基準電壓源 148
4.5.3 DC-DC降壓開關穩壓電源
仿真 150
4.6 丙類功率放大器的設計與仿真 153
4.7 振幅調製與解調電路仿真 157
4.7.1 振幅調製電路設計與仿真 157
4.7.2 解調電路仿真 162
4.8 設計思考題 165
4.9 本章小結 165
附錄A PSpice庫簡介一 166
附錄B PSpice庫簡介二 168
附錄C LTSpice的點命令(Dot
Commands)功能簡錶 169
附錄D LTSpice電路器件符號索引簡錶 170
附錄E AD633的SPICE模型文件 171
參考文獻 175 前言/序言
《電子綫路SPICE設計與仿真》 內容簡介 本書緻力於為廣大電子工程領域的從業者、研究者以及在校學生提供一本關於使用SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)進行電子綫路設計與仿真的全麵而深入的指南。SPICE作為一款功能強大的電路仿真軟件,是現代電子設計流程中不可或缺的工具。通過掌握SPICE,工程師能夠高效地驗證電路性能,優化設計參數,預測潛在問題,從而大大縮短産品開發周期,降低製造成本,並提升産品質量。 本書並非一本枯燥的技術手冊,而是以實際應用為導嚮,從基礎概念講解到高級技巧應用,層層遞進,力求讓讀者在輕鬆理解 SPICE 精髓的同時,能夠迅速將其應用於實際的電路設計工作中。我們深知,理論知識的掌握需要與實踐相結閤,因此,本書貫穿瞭大量的實際電路案例分析,涵蓋瞭模擬電路、數字電路以及數模混閤電路等多個領域,旨在幫助讀者建立起完整的仿真設計思維。 第一部分:SPICE仿真基礎與入門 在這一部分,我們將從最基礎的概念講起,為讀者打下堅實的 SPICE 仿真基礎。 SPICE 仿真軟件概述:首先,我們會簡要介紹 SPICE 的發展曆程、不同版本的特點(如 PSpice, LTspice, HSPICE 等)以及它們在電子設計中的地位和作用。我們將強調 SPICE 作為一種數學模型,如何通過數值計算來描述和預測電路的行為。 SPICE 基本工作流程:本書將詳細闡述 SPICE 仿真的基本工作流程,包括原理圖輸入、網錶生成、仿真設置、運行仿真以及結果分析。我們將引導讀者理解網錶(Netlist)的結構和意義,這是 SPICE 仿真能夠運行的核心。 SPICE 元件模型:理解 SPICE 如何模擬真實世界的電子元件至關重要。我們將深入講解 SPICE 中各種基本元件(電阻、電容、電感、二極管、三極管、MOSFET、運算放大器等)的模型描述方式。這部分將涉及元件的數學模型、參數的意義以及如何根據實際器件選擇閤適的模型。 SPICE 分析類型:SPICE 提供瞭多種強大的分析功能,以滿足不同的設計需求。本書將詳細介紹並分析各種主要的分析類型: 直流工作點分析(DC Operating Point Analysis, .OP):用於確定電路在無交流信號輸入時的穩態工作狀態,如各器件的直流電壓和電流。 瞬態分析(Transient Analysis, .TRAN):模擬電路隨時間變化的響應,這是最常用的分析類型之一,可用於觀察信號的上升沿、下降沿、過衝、振鈴等。 交流小信號分析(AC Small-Signal Analysis, .AC):用於分析電路在不同頻率下的頻率響應,如增益、相位裕度、帶寬等,是進行濾波器設計和穩定性分析的關鍵。 噪聲分析(Noise Analysis, .NOISE):用於計算電路的噪聲貢獻,評估電路的信噪比(SNR),對於低噪聲放大器等設計至關重要。 傅立葉變換分析(Fourier Transform Analysis, .FOUR):用於分析電路輸齣信號的頻譜成分,識彆諧波失真等。 參數掃描分析(Parametric Sweep Analysis, .STEP):允許用戶改變一個或多個元件參數,觀察電路性能隨參數變化的趨勢,用於優化設計。 濛特卡羅分析(Monte Carlo Analysis, .MC):用於評估電路在元件參數存在一定偏差時的性能分布情況,預測産品良率。 SPICE 控製語句與語法:本書將係統梳理 SPICE 的各種控製語句(如 .MODEL, .PARAM, .PRINT, .PLOT, .PROBE, .END 等)和語法規則,幫助讀者能夠準確無誤地編寫仿真指令。 第二部分:模擬電路的 SPICE 設計與仿真 模擬電路是電子學的基礎,其設計與仿真往往更具挑戰性。本部分將聚焦於模擬電路的 SPICE 設計與仿真。 直流偏置與穩偏電路仿真:如何為有源器件(如晶體管)提供穩定的直流工作點是模擬電路設計的關鍵。我們將通過實際案例,演示如何使用 SPICE 仿真來設計和驗證各種偏置電路,如分壓偏置、發射極/源極/陰極自偏置等,並分析其穩定性。 放大器設計與仿真: 單級放大器:從共射/共漏/共集放大器到共源/共漏/共柵放大器,我們將展示如何使用 SPICE 仿真來設計和優化這些基本放大器電路的增益、輸入/輸齣阻抗、帶寬等性能指標。 多級放大器:級聯放大器是實現高增益和特定性能的常用方法。本書將通過仿真案例,演示如何設計和分析級聯放大器的整體性能,並解決級聯過程中可能齣現的匹配和穩定性問題。 差分放大器:差分放大器在許多應用中扮演著重要角色。我們將深入探討其工作原理,並利用 SPICE 仿真來分析其共模抑製比(CMRR)、輸入阻抗、輸齣阻抗和綫性度。 運算放大器(Op-Amp)應用:將重點講解如何利用 SPICE 仿真來設計和驗證各種基於運算放大器的經典電路,如同相/反相放大器、電壓跟隨器、加法器、減法器、積分器、微分器、比較器、有源濾波器等。我們將強調仿真在驗證這些電路功能和性能上的作用。 濾波器設計與仿真: 無源濾波器:RLC 濾波器是構建基礎濾波器的核心。我們將展示如何使用 SPICE 仿真來設計低通、高通、帶通和帶阻濾波器,並通過交流小信號分析來驗證其頻率響應,如截止頻率、帶寬、紋波係數和衰減特性。 有源濾波器:基於運算放大器的有源濾波器提供瞭更高的靈活性和性能。本書將詳細介紹如何使用 SPICE 仿真來設計薩倫(Sallen-Key)濾波器、多路反饋(MFB)濾波器等,並分析其阻帶衰減和通帶平坦度。 振蕩器設計與仿真:我們將通過 SPICE 仿真來探索不同類型的振蕩器電路,如 RC 振蕩器(移相、維恩電橋)、LC 振蕩器(哈特萊、考皮茲)以及晶體振蕩器。重點在於如何仿真其起振條件、輸齣波形、頻率穩定度和失真度。 電源電路設計與仿真: 綫性穩壓器:如三端穩壓器(78xx/79xx 係列)和低壓差(LDO)穩壓器。我們將演示如何使用 SPICE 仿真來分析其穩壓精度、輸齣紋波、負載調整率和綫性調整率。 開關穩壓器:如降壓(Buck)、升壓(Boost)和升降壓(Buck-Boost)拓撲。這部分將是 SPICE 仿真在電源設計中的一個重要亮點。我們將講解如何對這些拓撲進行建模和仿真,分析其效率、瞬態響應、紋波和穩定性。 非綫性電路分析: SPICE 能夠有效地處理非綫性電路。我們將通過仿真例子,如二極管整流電路、晶體管飽和/截止特性分析,來展示 SPICE 在非綫性行為分析上的強大能力。 第三部分:數字電路與數模混閤電路的 SPICE 設計與仿真 隨著電子係統的復雜化,數字電路和數模混閤電路的仿真變得日益重要。 數字邏輯門與觸發器仿真:我們將展示如何使用 SPICE 仿真來建立和驗證基本的數字邏輯門(AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR)和觸發器(D 觸發器, JK 觸發器, T 觸發器)的功能。這部分將涉及如何使用數字門級模型或晶體管級模型進行仿真。 組閤邏輯與時序邏輯電路仿真:通過 SPICE 仿真,我們可以驗證如加法器、減法器、譯碼器、多路選擇器等組閤邏輯電路,以及寄存器、計數器等時序邏輯電路的設計。我們將強調瞬態分析在時序驗證中的應用。 數模轉換器(DAC)與模數轉換器(ADC)仿真:這將是本書數模混閤電路部分的重要內容。我們將使用 SPICE 仿真來分析 R-2R 梯形 DAC、權電阻 DAC 的轉換精度、非綫性度等。對於 ADC,我們將仿真不同類型的 ADC(如逐次逼近型、並行型)的工作原理和性能指標。 數模混閤係統仿真:我們將通過一個小型數模混閤係統的案例,展示如何整閤數字和模擬模塊,並使用 SPICE 進行整體仿真。這有助於理解數字和模擬部分之間的交互以及整體係統的穩定性。 關鍵數字參數仿真:除瞭功能驗證,我們還將關注數字電路的關鍵性能參數,如傳播延遲、建立時間、保持時間、競爭(Race Condition)等,並展示如何使用 SPICE 仿真來測量和優化這些參數。 第四部分:高級 SPICE 應用與技巧 在掌握瞭 SPICE 的基礎和常用應用後,本書將進一步介紹一些高級的應用和技巧,幫助讀者更上一層樓。 參數化建模與優化:如何利用 `.PARAM` 和 `.STEP` 語句進行參數化建模,並通過迭代仿真來優化電路的性能,找到最佳的設計參數。 噪聲分析的深入應用:除瞭基本的噪聲分析,我們將探討如何分析電路中各個噪聲源的貢獻,以及如何通過電路設計來降低總噪聲。 模型庫的構建與管理:如何導入第三方元件模型,創建自定義模型,以及如何有效地管理模型庫,以支持更復雜的項目。 版圖後仿真(Post-Layout Simulation):理解版圖提取(Layout Extraction)的意義,以及如何進行版圖後仿真來驗證電路在實際製造過程中的性能,包括寄生參數的影響。 SPICE 腳本與自動化:介紹如何利用 SPICE 腳本(如 .NET, .RAW 文件)進行自動化仿真和數據處理,提高設計效率。 常見仿真錯誤與排除:分析在 SPICE 仿真過程中可能遇到的常見錯誤,如收斂問題、模型不匹配、設置錯誤等,並提供相應的解決方法。 實際案例研究:選取幾個典型的、具有代錶性的電子産品設計案例,從原理圖設計、SPICE 模型選擇、仿真設置到結果分析,進行詳細的流程展示和深入剖析。這些案例將涵蓋通信、電源、音頻、嵌入式係統等多個領域,力求全麵展示 SPICE 在實際設計中的強大應用價值。 結語 本書的目標是幫助讀者建立起一套完整的 SPICE 仿真設計體係。我們相信,通過本書的學習,讀者不僅能夠熟練掌握 SPICE 仿真軟件的使用,更重要的是能夠培養齣嚴謹的電路設計思維和高效的仿真分析能力。在電子産品日益精密化、復雜化的今天,SPICE 仿真將成為您在電子設計領域披荊斬棘的有力武器。我們鼓勵讀者在閱讀本書的同時,積極動手實踐,用 SPICE 解決實際設計問題,不斷提升自己的專業技能。 適閤讀者 電子工程、微電子、通信工程等相關專業的在校學生 從事模擬電路、數字電路、嵌入式係統、電源管理等領域的工程師 對電子電路設計與仿真感興趣的業餘愛好者 本書以其嚴謹的內容、豐富的案例和實用的技巧,定能成為您在 SPICE 仿真設計道路上的良師益友。