PSpice for Circuit Theory and Electronic Devices

ArchAngel · 发表于 2010-3-6 19:28:24

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PSpice for Circuit Theory and Electronic Devices

ISBN: 1598291564 paperback
ISBN: 9781598291568 paperback
ISBN: 1598291572 ebook
ISBN: 9781598291575 ebook
DOI: 10.2200/S00068ED1V01Y200611DCS007

Paul Tobin
School of Electronic and Communications Engineering
Dublin Institute of Technology
Ireland

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ArchAngel · 发表于 2010-3-6 19:29:35

Contents
Preface. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .xiii
1. Introduction to PSpice andOhm’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Laying out A Schematic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Libraries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2
1.2.1 Moving Components Around . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.2 Display Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3 The DC Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3.1 New Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3.2 Main Operational Icons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3.3 Simulation Settings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.4 Potential Divider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.4.1 Current Divider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.5 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2. The DC Circuit and Kirchhoff’s Laws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1 Maximum Power Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13
2.1.1 Param Part . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.2 Simulation Settings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.3 Trace Expression Box . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2 Changing the X-Axis Variable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.1 The Log Command. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17
2.3 Mesh Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.4 Nodal Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.5 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3. Transient Circuits and Laplace Transforms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.1 Transient Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.2 Laplace Transform and Capacitance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.3 Inductance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.4 First-Order CR and LR Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24
3.4.1 Solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.4.2 Partial Fraction Expansion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26

3.4.3 Initial Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.5 Example 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.5.1 Solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.6 Example 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.6.1 Solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.7 Example 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.7.1 Solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.8 Exercise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4. Transfer Functions and SystemParameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.1 Transfer Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.2 Butterworth Transfer Functions and the Laplace Part . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.2.1 Piece-wise Linear Part (VPWL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.3 Probe Grid and Cursors Icons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.4 Elaplace Part and the Step Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.5 Chebychev Transfer Functions Impulse Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.5.1 Unsynchronizing Probe Plots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.6 First-Order Low-Pass Filter Step and Impulse Responses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.7 Obtaining the Frequency Response from the Impulse Response . . . . . . . . . . . . . . 44
4.8 The Low-Pass CR Filter Step Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.9 Rise Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.10 Step Response of a Series-Tuned LCR Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.10.1 Overshoot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48
4.11 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5. AC Circuits and Circuit Theorems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.1 AC Circuit Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.2 Capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.2.1 Capacitive Reactance Plot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.2.2 Capacitor Current and VoltageWaveforms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55
5.3 Inductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.3.1 Inductor Signal Phase Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.4 AC Circuit Theorems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.4.1 Th´evenin’s Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .59
5.4.2 Th´evenin Impedance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.4.3 Th´evenin Voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.5 Norton Equivalent Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.5.1 The Output File . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

5.6 AC Mesh and Nodal Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.7 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
6. Series and Parallel-tuned Resonance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .65
6.1 Resonance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6.2 Series-Tuned Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .65
6.2.1 Current Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
6.3 Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
6.3.1 Solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
6.4 Q-Factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
6.4.1 The −3 dB Bandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
6.5 Voltages Across L and C at Resonance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
6.6 Universal Response Curve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70
6.7 Selectivity of a Series-Tuned Resonant Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70
6.7.1 L/C Ratio and Selectivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
6.8 Series-Tuned LCR Phase Response. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .72
6.9 Impedance of a Series-Tuned Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73
6.10 Fourier Series . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
6.10.1 Series-Tuned Circuit as a Low-Pass Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
6.10.2 The Output File . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
6.11 Skip Initial Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
6.12 Parallel-Tuned LCR Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.12.1 Universal Response Curve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .80
6.12.2 Relationship Between the Resonant Frequency and Bandwidth. . . . . . . 81
6.12.3 Loaded Q-factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .81
6.13 Example. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .82
6.13.1 Solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.14 Problem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.15 Frequency Response of a Parallel-Tuned Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
6.16 Dynamic Impedance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .84
6.16.1 Loaded and Unloaded Q-factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
6.17 Transformers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.17.1 Transformer Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6.17.2 Matching Transformer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6.18 Power Supplies: Rectification and Regulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
6.18.1 Power SupplyWaveforms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.18.2 Power Supply Voltage Regulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

6.19 Ground Bounce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.20 Power Factor Correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
6.20.1 Average Power and Apparent Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
6.21 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
7. Semiconductor Devices and Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
7.1 Semiconductor Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
7.2 The Forward and Reverse-Biased Diode Characteristic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
7.3 Diode Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
7.4 DC Load Line . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
7.5 Voltage Regulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
7.5.1 Zener Diode Characteristic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
7.5.2 Zener Diode Regulation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .107
7.6 Silicon-Controlled Rectifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
7.7 Triac Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
7.8 The Bipolar Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
7.8.1 The Input and Output BJT Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
7.8.2 The Output Characteristic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .112
7.8.3 DC Load Lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
7.9 Junction Field-Effect Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
7.9.1 The Common Source JFET Transistor Input Characteristic . . . . . . . . 114
7.9.2 Adding a Load Line to the Transfer Characteristic . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
7.9.3 Quiescent DC Operating Point . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
7.9.4 JFET Output Characteristic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
7.9.5 Effect of Temperature on the JFET Transfer Characteristic . . . . . . . . .120
7.10 The D Operator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
7.11 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
8. Operational Amplifier Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .127
8.1 Ideal Operational Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
8.1.1 The Inverting Operational Amplifier and Virtual Earth . . . . . . . . . . . . 127
8.1.2 Slew Rate Limiting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
8.2 The Noninverting Operational Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
8.2.1 Gain–Bandwidth Product . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
8.3 Audio Power Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
8.3.1 The Output File . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
8.4 Mosfet Device Characteristic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
8.4.1 CMOS Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

8.4.2 Nand Gate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
8.4.3 Nor Gate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
8.5 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .152
Appendix A: Laplace and z-Transform Table . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
Author Biography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

winsinei · 发表于 2010-3-17 01:00:46

thank you for your share

alsome · 发表于 2010-3-26 12:16:38

thank you for your share

qiufong · 发表于 2010-3-27 11:23:42

thanks

qiufong · 发表于 2010-3-27 11:25:39

thanks

qiufong · 发表于 2010-3-27 11:28:53

thanks

qiufong · 发表于 2010-3-27 11:32:15

thanks

jingxin_xd · 发表于 2010-4-2 01:26:55

感谢分享！

larryfarn · 发表于 2010-4-3 23:00:56

Thanks a lot.

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