电路与模拟电子电路PSpice仿真分析及设计

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杨维明 著
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出版社: 电子工业出版社
ISBN:9787121286070
版次:1
商品编码:11983578
包装:平装
丛书名: 电子设计系列规划教材
开本:16开
出版时间:2016-06-01
用纸:胶版纸
页数:192
正文语种:中文

具体描述

编辑推荐

●提供配套电子课件、程序代码等●将电路与模拟电子电路仿真分析实验整合,实行贯通教学●兼顾文本输入和电路图输入两种仿真模式●模拟电路分析与设计并重●推导BJT和MOS器件的等效电路模型,并对其SPICE模型参数进行说明●增加行为级仿真分析实例●突出实际应用,强调电路性能指标的分析与设计●遵循循序渐进的规律

内容简介

本书从电路与模拟电子电路的计算机辅助分析与设计的基本概念出发,系统介绍用PSpice仿真软件分析与设计电子电路的技术及方法;以电路理论与模拟电子电路课程中的基本定律和典型单元电路为例,介绍具体电路的描述方法及性能指标的仿真方法与步骤;电路仿真时采用以SPICE文本输入仿真为主,文本输入法和Capture电路图输入法相结合的方式进行,对采用电路图输入法仿真的实例同时给出对应的PSpice仿真程序,并对仿真结果进行理论分析;在此基础上,以运算放大器及其应用电路设计为例,详细讨论模拟电路的综合仿真设计与优化方法。 全书共6章,主要包括:概论,电路元器件描述,电路特性分析与点命令,电路基础仿真分析,线性电子电路仿真分析,电子线路PSpice仿真设计。本书提供配套电子课件、仿真程序代码等。 本书可供物理类、电子信息类专业的本、专科生使用,也可供从事电路分析、模拟电路分析与设计的工程技术人员学习、参考。

作者简介

杨维明,博士,湖北大学计算机与信息工程学院教授。学士毕业于北京理工大学无线电技术,硕士毕业于华中科技大学通信与信息系统,博士毕业于北京工业大学微电子学与固体电子学。现任教育部中南地区高等学校电子电气基础课教学研究会理事。长期讲授本科生微波技术基础、电子信息技术导论、数字电路、模拟电路PSpice仿真等课程。

目录

第1章 概论 1
1.1 传统的电子电路设计 1
1.2 电子电路CAD技术 1
1.2.1 电子电路CAD流程 1
1.2.2 电子电路CAD技术优势 2
1.2.3 电子电路仿真程序的构成 3
1.3 OrCAD/PSpice软件简介 4
1.3.1 SPICE发展历程 4
1.3.2 OrCAD/PSpice支持的元器件类型与电路分析特性 4
本章小结 8
习题 8
第2章 电路元器件描述 9
2.1 PSpice输入描述语句 9
2.2 常用无源器件的描述 12
2.3 常用有源器件的描述 16
2.3.1 二极管模型及描述 16
2.3.2 双极型晶体管(BJT)模型及描述 19
2.3.3 MOSFET模型及描述 25
2.3.4 结型场效应管描述 32
2.3.5 GaAs MESFET描述 33
2.4 电源的描述 35
本章小结 39
习题 39
第3章 电路特性分析与点命令 40
3.1 直流分析 40
3.1.1 基本原理 40
3.1.2 点命令 40
3.1.3 灵敏度分析 45
3.2 交流小信号分析 47
3.2.1 基本原理 47
3.2.2 点命令 47
3.2.3 噪声分析 50
3.3 瞬态分析 52
3.3.1 基本原理 52
3.3.2 点命令 53
3.3.3 傅里叶分析 55
3.4 温度分析 56
3.5 任选项 56
3.6 容差分析 57
3.6.1 蒙特卡罗分析 58
3.6.2 最坏情况分析 61
3.7 通用参数扫描分析(.STEP) 62
3.8 函数定义语句 64
3.9 分析放大电路主要性能指标的方法 65
3.9.1 增益的点命令设置方法 65
3.9.2 输入电阻、输出电阻 65
3.9.3 最大不失真输出幅值 65
3.9.4 功率 66
3.9.5 频带 66
本章小结 66
习题 66
第4章 电路基础仿真分析 68
4.1 电路基本定理仿真分析 68
4.1.1 基尔霍夫定律应用与仿真分析 68
4.1.2 叠加定理应用与仿真分析 71
4.1.3 戴维南定理仿真分析 75
4.1.4 诺顿定理仿真分析 78
4.2 电路暂态仿真分析 81
4.2.1 一阶RC电路的零输入响应 81
4.2.2 一阶RC电路的零状态响应 84
4.2.3 一阶线性电路的全响应(三要素法)分析 87
4.3 正弦交流电路仿真分析 89
4.3.1 低通RC电路的频率响应 89
4.3.2 高通RC电路的频率响应 92
本章小结 95
习题 95
第5章 线性电子电路仿真分析 99
5.1 共射放大电路分析 99
5.2 差分放大电路分析 104
5.3 集成运算放大器应用 114
5.3.1 有源积分电路 114
5.3.2 比较器电路 116
5.3.3 简易信号发生器 118
5.3.4 比例运算电路设计 121
5.4 MOS电路分析 122
5.4.1 单管MOS放大电路 122
5.4.2 CMOS单级放大电路 124
5.4.3 CMOS差分放大电路 127
5.5 直流稳压电源设计和仿真分析 130
5.5.1 整流滤波电路 130
5.5.2 串联反馈式稳压电路 131
5.6 负反馈放大电路仿真分析 134
5.6.1 晶体管负反馈放大电路仿真分析 134
5.6.2 综合负反馈放大电路仿真分析 139
本章小结 142
习题 143
第6章 电子线路PSpice仿真设计 147
6.1 微弱信号放大器设计 147
6.2 CMOS运算放大器设计与仿真 153
6.2.1 MOS电流镜基本原理 154
6.2.2 CMOS运算放大器设计 155
6.2.3 CMOS运算放大器仿真 159
6.3 晶体管多级放大电路设计 163
6.4 高频微弱声音识别电路设计 167
6.5 PSpice辅助电路优化设计 171
6.5.1 优化设计原理 171
6.5.2 优化设计实例 173
本章小结 178
习题 178
参考文献 182

前言/序言

前 言


在电路与模拟电路实验中,引入PSpice仿真软件进行虚拟仿真实验,可大大节省实验成本,缓解实验室建设经费紧张的矛盾;同时可增强实践平台的灵活性,淡化硬件设计和软件设计的界线,优化知识结构。


掌握PSpice电路仿真方法,有利于拓宽思路、开阔视野,不断提高电子设计与创新能力。但是,若以介绍电路仿真软件的操作方法与步骤为主线来讨论电路仿真,不利于深入理解电路与模拟电路的原理及应用;另一方面,若仅讨论电路仿真分析方法,缺少电子电路的综合仿真设计与优化示例,不利于学生掌握电子电路设计及应用技术,也不利于学生综合设计能力的培养。


在理论教学实践中,编者发现不少学生在学习模拟电路时感觉到困难,主要原因是电路基础理论没有掌握好,不能将电路基础理论及电路分析方法应用到模拟电路的学习中。实验课程教学中,我们发现若单纯介绍模拟电路的仿真方法,缺少对电路直流分析、交流分析、瞬态分析三大电路特性分析原理与内涵的介绍,也不利于学生对电路分析本质的理解。在开设模拟电路仿真实验课之前,先开设电路基础仿真实验课,是一种选择方案。但本人在多年的实验教学中也发现,“电路基础仿真实验”与“模拟电路仿真实验”课程横跨两个学期,会导致不少学生不能将两门课程知识有效地衔接,影响了实验教学效果。


若将“电路理论”与“模拟电路”两门课程整合,实现贯通教学,或许能解决这一实际问题。在这方面,教育部电工电子基础课程教学指导委员会主任委员、东南大学王志功教授率先进行了改革和探索,编写了《电路与电子线路基础》教材,起到了示范效应,也收到了良好的教学效果。编者认为,电路与模拟电路作为一门技术基础课程,在实验环节进行整合也是必要和可行的。


基于以上考虑,我们编写了这本PSpice仿真实验教材,将电路基础与模拟电路仿真分析实验整合,实行贯通教学。全书以电子电路的分析与设计为主线,通过典型实例,介绍了基于PSpice仿真软件的模拟电子电路的仿真分析与设计方法:第1章主要介绍电子电路仿真软件的组成原理,以及电路仿真的方法和基本流程,指出PSpice仿真软件包含Capture电路图输入和SPICE语言文本输入两种仿真方法;第2章和第3章是PSpice文本输入仿真程序设计基础,第2章主要介绍基于SPICE语言文本格式的电路描述方法,第3章主要介绍基于SPICE语言的电路仿真命令格式;由于电路理论是模拟电路分析的基础,因此本书在介绍模拟电路仿真分析(第5章)之前,先介绍电路基础仿真分析方法(第4章),第4章主要以电路图输入仿真分析为主,第5章则根据电路的结构特点选择文本输入或电路图输入仿真,所有以电路图输入仿真的实例,都同时给出了对应的SPICE文本仿真程序代码;为提高学生的设计应用能力,第6章增加了集成运算放大器的设计和仿真优化,以及微弱信号放大、音频识别电路、晶体管多级放大电路等内容,其篇幅与第5章相当。


本书的编写,一方面使学生掌握集成电路和电子电路计算机辅助分析与设计工具的操作和使用方法,掌握利用PSpice进行电子电路辅助分析与设计的一般方法,另一方面,帮助学生更深入地学习和理解电路与模拟电子电路课程中各章节内容的原理、特点及应用,提高分析问题和解决问题的能力,扩展知识面,通过逼真的特性曲线更全面地理解书本上很抽象的概念,使电路理论与模拟电子电路理论的学习达到事半功倍的效果,为今后从事集成电路和系统设计打下良好的基础。


本教材的特点如下。


1)电路图输入和文本描述两种仿真方式兼顾。因为当今流行的IC设计工具涉及图形和文本两种电路描述方式,仿真编译结果均以文本格式的网单文件给出,因此在这本专业基础教材中以介绍文本输入仿真方法为主,文本输入和电路图输入两种仿真模式兼顾。


2)将电路与模拟电子电路实验内容整合,使教材内容前后衔接更好、更系统。


3)模拟电路分析与设计并重。电路分析是设计的基础,而缺乏设计与仿真实例,也不利于学生更好地掌握模拟电路基础理论及提高设计应用能力。


4)推导了BJT和MOS器件的等效电路模型,并对其SPICE模型参数进行了说明,因为这两种器件模型是放大电路仿真分析与设计的重要基础。


5)增加了行为级仿真分析实例,为读者在进行电路设计方案选择时提供快捷的参考。


6)突出实际应用,强调电路性能指标的分析与设计。书中无论是单元电路分析实例,还是综合设计仿真实例,都与实际应用紧密结合;仿真时强调电路性能指标分析与仿真方法相结合,性能指标设计与仿真优化相结合。


7)遵循循序渐进规律。内容安排上,先介绍电路基础仿真,再介绍模拟电路仿真;仿真方式上,先介绍电路图输入仿真,再介绍SPICE文本输入仿真;循序渐进,逐步深入,符合学生知识结构和认知发展规律。


虽然本书主要介绍电路理论和模拟电子电路的PSpice仿真分析与设计方法,但必须指出,PSpice仿真软件也可用于数字电路和高频电路课程的仿真实验。如今,已有专门针对数字电路仿真和高频电路仿真的EDA软件,这已经超出了本书讨论的主题。


全书共含6章。第1章、第2章、第3章由杨维明编写;第4章由谌雨章编写;第5章、第6章由杨维明和谌雨章共同编写。编者感谢在本书编写过程中提供帮助和指导的有关企业专家和工程师,他们是武汉博而硕微电子有限公司总裁张轶伟高工、武汉滨湖电子有限责任公司杨武韬工程师等。本书提供配套电子课件、仿真程序代码等,请登录华信教育资源网(http://www.hxedu.com.cn)注册下载,也可联系本书编辑(wangxq@phei.com.cn)索取。


由于编者的知识水平有限,书中难免存在不妥之处,诚恳希望读者批评指正。


编者邮箱:20040416@hubu.edu.cn




编 者


2016年6月




经典之声:当理论遇上实践的魅力 对于每一个渴望掌握电子技术精髓的学习者而言,理论的严谨与实践的灵动始终是我们探索的两个重要维度。然而,如何将抽象的电路原理转化为可触摸、可验证的实际成果,一直是许多人面临的挑战。这不仅需要扎实的理论基础,更需要对工程实践有着深刻的理解和熟练的应用能力。 本书正是为了弥合这一理论与实践之间的鸿沟而诞生的。它并非一本孤立的理论教材,也非一本仅限于仿真软件操作的指南,而是将两者深度融合,旨在引领读者踏上一段兼具深度与广度的电子技术学习之旅。我们相信,真正理解一个电子电路,不仅在于能够读懂其原理图,更在于能够预见其在真实世界中的表现,并能通过有效的工具将其设计、优化。 理论基石:穿透表象,直抵本质 我们从最基础的电路概念入手,逐步深入到复杂的模拟电子电路设计。这里所谓的“基础”,并非止步于欧姆定律和基尔霍夫定律的简单陈述。我们将深入剖析这些基本定律背后的物理意义,探讨它们在不同电路拓扑中的应用,并引导读者思考电流、电压、电阻、电容、电感这些基本元器件的内在属性及其相互作用。 在交流电路部分,我们不会仅仅停留在相量和复数运算的层面,而是会着重讲解频率响应的概念。我们将深入分析滤波器(如低通、高通、带通、带阻滤波器)的设计原理,探讨它们在信号滤波、噪声抑制等方面的关键作用。读者将学习如何根据具体的应用需求,计算和选择合适的元器件参数,以达到期望的滤波特性。同时,我们也会对谐振电路进行深入的讲解,分析其在振荡器、选频电路中的应用,并探讨影响谐振频率和品质因数的关键因素。 模拟电子电路是本书的另一核心。我们将从放大器这一最基本的模拟电路单元开始。低频放大器部分,我们将详细讲解各种组态(共射、共集、共基)的特性,分析其电压增益、输入阻抗、输出阻抗的计算与设计,并重点阐述放大器的频率响应特性,包括通带、阻带、截止频率等关键参数的意义和计算。读者将学习如何根据信号源的内阻和负载的阻抗,选择最优的放大器组态,以实现最大的信号传输效率和最小的信号失真。 进入到高频放大器领域,我们将引入寄生参数的影响,如器件结电容、引线电感等。读者将学习如何分析这些高频效应,并掌握在高频条件下设计和匹配放大器的技巧,例如使用集肤效应和邻近效应来理解高频电流分布,以及如何通过阻抗匹配网络来最大化功率传输。 对于运算放大器(Op-Amp),我们将不仅仅将其视为一个理想的“黑盒子”,而是深入探讨其内部结构和非理想特性,如输入偏置电流、输入失调电压、开环增益、共模抑制比、电源抑制比等。我们将详细讲解基于运算放大器的各种经典电路,包括同相放大器、反相放大器、差分放大器、积分器、微分器、比较器等,并深入分析它们的数学模型和实际应用。读者将理解为什么理想模型在某些情况下会失效,以及如何通过选择合适的运放型号和外部元件来克服这些非理想性。 功率放大器是模拟电路设计中的一个重要分支。我们将详细介绍不同类别的功率放大器,如A类、B类、AB类、C类、D类等。本书将深入分析它们的功耗、效率、失真特性,以及在音频功放、射频功放等不同应用场景下的设计考量。读者将学习如何根据输出功率、效率要求、散热条件等因素,选择合适的功率放大器类型和设计方案。 反馈在模拟电路设计中扮演着至关重要的角色。我们不仅会介绍负反馈对电路性能的改善,如稳定增益、展宽带宽、减小失真、改变输入输出阻抗等,还会深入分析正反馈在振荡电路中的应用。读者将理解反馈的稳定性和稳定性判据,以及如何利用伯德图和奈奎斯特图等工具来分析电路的稳定性。 仿真实践:从蓝图到实证的桥梁 理论的完美并不总能在现实中得到完全的体现。元器件的离散性、制造工艺的误差、环境因素的影响,都可能导致实际电路与理论设计存在偏差。此时,强大的仿真工具便显得尤为重要。本书将深入浅出地介绍PSpice仿真软件,将理论知识与实际操作紧密结合。 我们并非简单地罗列PSpice的菜单和命令,而是将仿真贯穿于整个学习过程。从基础的直流、交流电路分析,到复杂的放大器设计,读者将跟随我们一步步地在PSpice环境中构建电路、设置仿真参数、运行仿真并解读仿真结果。 对于基本电路,我们将引导读者进行直流工作点分析,观察各种元器件在不同偏置下的电流和电压分布,从而加深对静态工作点的理解。在交流分析中,我们将演示如何进行频率响应仿真,观察放大器的增益-频率曲线、相位-频率曲线,并验证理论计算的截止频率等参数。 在模拟电子电路的设计部分,仿真将成为我们不可或缺的得力助手。例如,在设计一个运算放大器组成的滤波器时,我们将引导读者在PSpice中搭建电路,观察滤波器的幅频特性和相频特性,并与理论计算结果进行对比。通过调整元器件参数,读者可以直观地看到仿真结果的变化,从而学会如何通过仿真来优化设计。 针对功率放大器的设计,仿真将帮助我们评估其效率、功耗以及输出信号的失真度。我们将演示如何通过仿真来捕捉瞬态响应,观察放大器在不同输入信号下的输出波形,并分析其可能出现的削波、过载等问题。 对于涉及反馈的电路,如振荡器,PSpice仿真将是验证其起振条件和输出波形稳定性的关键。读者将学习如何设置仿真参数来捕捉振荡器的启动过程,并分析其输出信号的频率、幅度和失真。 本书的仿真部分将强调“分析”而非简单的“运行”。我们将引导读者不仅要完成仿真,更要学会如何分析仿真结果,理解仿真数据背后的物理意义,并将其与理论知识相联系。我们将教授读者如何利用PSpice提供的各种探测器(如电压探测器、电流探测器、功率探测器等),以及如何使用各种图表工具(如AC Analysis、Transient Analysis、DC Sweep等)来全面地评估电路的性能。 设计导向:从需求出发,实现价值 本书的最终目标是培养读者的设计能力。理论和仿真都是实现设计的手段,而设计本身则是将这些手段融会贯通,解决实际问题的过程。 我们将通过一系列典型的设计实例,展示如何将理论知识和仿真技巧应用于实际电路设计。这些实例将涵盖从简单的稳压电源设计,到复杂的音频放大器、滤波器组等。每一个设计案例都将遵循一个清晰的流程: 1. 需求分析: 明确设计目标,如所需输出电压、电流、增益、带宽、效率等。 2. 方案选择: 根据需求,选择合适的电路拓扑和元器件类型。 3. 理论计算: 利用已掌握的理论知识,初步计算关键元器件的参数。 4. PSpice仿真: 在PSpice中搭建电路,进行仿真验证,并对参数进行细致调整。 5. 性能评估: 分析仿真结果,判断是否满足设计需求。 6. 优化改进: 根据仿真结果,对电路进行优化和改进。 例如,在设计一个音频功放时,我们将从喇叭的阻抗和功率需求出发,推导出对功放输出功率和失真度的要求。接着,我们将选择合适的功放电路结构(如AB类),并利用理论计算和PSpice仿真来确定前置放大级和功率输出级的元器件参数,包括晶体管的偏置、耦合电容、旁路电容、输出耦合电容等。我们还会演示如何通过仿真来评估功放的频率响应、谐波失真、互调失真等关键指标。 另一个设计实例可能是设计一个多级RC低通滤波器,用于去除特定的噪声频率。我们将从所需的截止频率出发,利用滤波器设计公式计算电阻和电容的数值,并在PSpice中搭建多级RC滤波器,通过AC Analysis来观察其幅频特性,验证其滤波效果,并可能通过调整元器件值来获得更陡峭的滚降特性。 本书的设计导向强调迭代和优化的重要性。我们鼓励读者在仿真过程中不断尝试不同的设计思路和参数组合,通过反复的仿真与分析,逐步逼近最优的设计方案。这种 iterative design process 是现代电子工程设计的核心理念之一。 不仅仅是知识,更是思维的训练 本书所传达的,不仅仅是电路原理和仿真技巧,更是一种解决问题的思维方式。通过理论分析,我们学会逻辑推理和抽象思维;通过PSpice仿真,我们学会验证假设、评估方案和发现问题;通过设计实践,我们学会将理论与实际相结合,创造有价值的产品。 我们希望本书能够成为您电子技术学习道路上的得力伙伴。无论您是初学者,还是希望深化理解的在校学生,抑或是投身工程实践的工程师,都能从中受益。我们相信,掌握了本书所传达的知识和技能,您将更有信心应对各种复杂的电子电路设计挑战,并在这个日新月异的技术领域中,找到属于自己的位置,发出属于自己的经典之声。

用户评价

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这本书简直是为我量身定做的!我是一名刚开始接触电子设计领域的学生,之前学过的理论知识总是感觉零散,遇到实际问题时常常无从下手。这本书就像一座灯塔,为我指明了方向。PSpice仿真部分的讲解非常详尽,从最基础的元器件模型建立,到复杂的电路搭建和参数设置,都一步步清晰地演示。我尤其喜欢它将理论知识与实际仿真紧密结合的方式,每次学习完一个章节的理论,都能立刻在PSpice中进行验证,这种即时反馈极大地加深了我对电路工作原理的理解。书中提供的案例也十分贴切,涵盖了许多实际应用中常见的电路,例如放大器、滤波器、电源等。通过亲手操作仿真,我不仅掌握了这些电路的设计思路,还学会了如何分析仿真结果,找出电路的性能瓶颈并进行优化。这本书让我摆脱了“纸上谈兵”的困境,真正迈入了实践的大门。

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我一直觉得,理论知识只有与实践相结合才能真正发挥价值。这本书完美地做到了这一点。它将理论讲解和PSpice仿真实践无缝对接,让我在学习过程中能够不断地验证和巩固所学知识。书中的每一个案例都精心设计,既能体现理论的精髓,又能展示PSpice强大的仿真能力。我尤其喜欢书中对一些经典模拟电路的深入剖析,例如运算放大器的应用、滤波器设计等,作者通过PSpice仿真,将这些电路的各种工作模式和性能指标清晰地展现出来,让我对它们的理解更加透彻。读完这本书,我感觉自己不仅掌握了模拟电子电路的基本理论,更重要的是获得了独立进行电路设计和仿真的能力,这对我未来的学习和工作都将大有裨益。

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作为一名有几年经验的模拟电子工程师,我一直想在PSpice仿真方面有所精进,以便更高效地进行产品开发和故障排查。这本书的深度和广度都超出了我的预期。它并没有停留在基础的仿真操作层面,而是深入探讨了PSpice在复杂模拟电路设计中的高级应用,比如瞬态分析、交流小信号分析、噪声分析、失真分析等,这些都是我在工作中经常会遇到的挑战。书中对各种分析方法的原理进行了深入剖析,并结合具体电路实例,演示了如何利用PSpice进行精确的参数提取和性能预测。我特别欣赏它对模型库的使用和自定义模型的创建的讲解,这对于仿真精度和效率的提升至关重要。读完这本书,我感觉自己对模拟电路的仿真能力有了质的飞跃,能够更有信心地应对更具挑战性的项目。

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这本书的内容真的让我感到惊喜。我一直对电子电路充满了好奇,但苦于缺乏系统性的学习指导。这本书从最基础的模拟电子电路知识讲起,循序渐进地引导读者了解各种元器件的特性和电路的基本构成。然后,它巧妙地引入了PSpice仿真工具,将枯燥的理论知识转化为直观的仿真结果。让我印象深刻的是,书中不仅仅是教你如何操作软件,更重要的是教会你如何“思考”电路,如何根据电路的预期功能来搭建仿真模型,以及如何通过分析仿真数据来验证你的设计思路。其中的一些小技巧和注意事项,都是作者在实际工程经验中总结出来的宝贵财富,这让我少走了很多弯路。这本书让我觉得学习电子电路不再是遥不可及的,而是充满乐趣和成就感的探索过程。

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坦白说,我抱着试试看的心态购买了这本书,因为市面上关于模拟电子电路和PSpice仿真的书籍确实不少。但这本书给我带来了完全不同的阅读体验。它没有像很多书籍那样堆砌大量的公式和复杂的理论,而是用一种更加注重实际操作和结果导向的方式来展开。每个章节都配有清晰的电路图和详细的PSpice仿真步骤,并且对仿真结果的解读也十分到位,能够帮助读者理解电路的实际工作状态。我最喜欢的一点是,它不仅展示了如何“正确”地进行仿真,还提及了仿真过程中可能遇到的“陷阱”和“误区”,以及如何去规避它们。这种“反面教材”式的讲解,反而让我对PSpice仿真有了更深刻和全面的认识,学会了更加严谨地对待仿真结果。

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