Calcoli di progettazione per l'EE stagionato

I progettisti esperti tendono a fare una buona quantità di calcoli o gran parte dei circuiti sono progettati in modo intuitivo? Lo sto chiedendo perché sembra che i progettisti tendano ad avere un'idea del valore che vuoi avere qui, resistore lì, per parti comuni di circuiti. In tal caso è perché stanno solo riciclando progetti? Per il principiante questo è strabiliante. Tuttavia, libri come Art of Electronics sembrano incoraggiare l'approccio di fare calcoli approssimativi al volo.

Sono un elettrotecnico professionista che progetta abitualmente nuovi circuiti per la produzione di volumi e lo sono da oltre 35 anni.

Sì, faccio spesso calcoli per determinare le specifiche esatte della parte. Ci sono anche molti casi in cui l'esperienza e l'intuizione sono abbastanza buone e i requisiti sono abbastanza ampi da scegliere solo un valore. Non confonderlo con un valore casuale, però.

Ad esempio, per un resistore di pulldown sulla linea MISO di un bus SPI, specificoi solo 100 kΩ e finirò con esso. Anche 10 kΩ funzionerebbe bene, e anche qualcun altro potrebbe scegliere che non sarebbe sbagliato. Se sto usando un resistore da 20 kΩ altrove, allora potrei specificarne un altro sulla linea MISO per evitare di aggiungere un'altra parte alla DBA. Il punto è che a volte hai molto margine di manovra e l'intuizione e l'esperienza sono abbastanza buone.

D'altra parte, guardando lo schema del mio ultimo progetto, che sto per sollevare le prime schede di oggi, vedo un caso in cui ho trascorso un po 'di tempo non solo a specificare il valore della parte ma a calcolare il risultato della varianza sul resto del sistema. Vi sono stati tre casi di due resistori utilizzati nel feedback di un alimentatore a commutazione. Ecco il problema formulato come i compiti:

Una soglia di ingresso di feedback del chip di alimentazione è di 800 mV ± 2%. Stai utilizzando tre istanze di questo chip per realizzare alimentatori da 12 V, 5 V e 3,3 V. In precedenza si era deciso di utilizzare circa 10 kΩ per la resistenza inferiore di ciascun divisore di tensione. Determinare le specifiche della resistenza completa in ciascun caso e determinare la tensione di alimentazione nominale risultante min / max. Attenersi ai valori di resistenza immediatamente disponibili. Utilizzare 1% se adatto e le specifiche di conseguenza.

Questo è un vero problema del mondo reale che ha richiesto alcuni minuti con una calcolatrice. A proposito, ho determinato che i resistori dell'1% erano abbastanza buoni. Questo è in realtà quello che mi aspettavo, ma ho comunque fatto i calcoli per essere sicuro. Ho anche notato la gamma nominale completa per ogni fornitura nello schema. Non solo potrebbe essere utile fare riferimento in un secondo momento, ma mostra anche che questo problema è stato considerato e i calcoli eseguiti. Io o qualcun altro non dovremo chiederci un anno dopo quale sia la tolleranza dell'alimentazione a 3,3 V e, ad esempio, ripetere i calcoli.

Ecco uno snippet dallo schema che mostra il caso sopra descritto:

Ho appena scelto R2, R4 e R6, ma ho fatto i calcoli per determinare R1, R3 e R5 e le gamme nominali di alimentazione risultanti.

Aggiunte informazioni sulle parti SHx (risposta al commento)

Le parti SH sono quelle che chiamo "corti". Questi sono solo rame sul tabellone. Il loro scopo è quello di consentire a una singola rete fisica di essere suddivisa in due reti logiche nel software, che in questo caso è Eagle. In tutti e tre i casi precedenti, le parti SH collegano la terra locale di un alimentatore a commutazione al piano di terra a livello di scheda.

Gli alimentatori a commutazione possono avere correnti significative che attraversano i loro terreni e queste correnti possono avere componenti ad alta frequenza.

Gran parte di questa corrente circola solo localmente. Rendendo la terra locale una rete separata collegata alla terra principale in un solo posto, queste correnti circolanti rimangono in una piccola rete locale e non attraversano il piano terra principale. La piccola rete di terra locale si irradia molto meno e le correnti non causano offset nella terra principale.

Alla fine l'alimentazione deve defluire da un alimentatore e ritornare a terra. Tuttavia, quella corrente può essere filtrata molto più delle correnti interne ad alta frequenza di un alimentatore a commutazione. Se fatto correttamente, solo la corrente di uscita ben gestita del commutatore lo fa uscire dalle immediate vicinanze ad altre parti del circuito complessivo.

Volete davvero mantenere le correnti locali ad alta frequenza fuori dal piano di massa principale. Ciò non solo evita gli offset della tensione di terra che tali correnti possono causare, ma impedisce alla terra principale di diventare un'antenna patch. Fortunatamente, molte delle cattive correnti al suolo sono anche locali. Ciò significa che possono essere mantenuti locali collegando la rete di terra locale alla terra principale in un solo punto.

Buoni esempi di ciò includono il percorso tra il lato terra di un cappuccio di bypass e il pin di terra dell'IC che sta bypassando. Questo è esattamente ciò che non vuoi correre attraverso il terreno principale. Non collegare semplicemente il lato terra di un cappuccio di bypass alla terra principale attraverso una via. Ricollegalo alla terra IC tramite la sua traccia o terra locale, quindi collegalo alla terra principale in un unico posto.

Faccio principalmente materiale commerciale e industriale a basso volume, quindi potrebbe essere diverso altrove.

Almeno il 75% di uno schema tipico è di solito una sorta di ingegneria elementare, "Ho bisogno di una guida 5V a 3A, 5% tol, ho 15V", non ha quasi senso progettare che, quando Ti / Linear / Micrel hanno tutti hanno un design perfettamente buono nei loro fogli di dati, è solo un caso di sceglierne uno (e la scelta di solito non ha molta importanza). Ovviamente posso progettare dai primi principi, ma non è quello per cui mi pagano.

La stessa cosa vale per molti altri sottosistemi.

Poi ci sono i casi "Deve solo avere il giusto ordine di grandezza", tirare su e tirare giù per cmos, resistori serie per LED indicatori, roba del genere. La mia solita pratica qui è quella di lasciarmi capire fino a quando non vedrò quali valori ho bisogno in quei pochi posti che contano davvero, quindi scegliere qualcosa da quei valori se possibile. "Accendi LED, verde, binario 12V? Ok, il led scenderà di un paio di volt in più o in meno, e probabilmente voglio qualcosa nel range 1 - 10mA o giù di lì, quindi ovunque nella coppia della regione K andrà bene, oh guarda che avevo bisogno di un resistore 3k9 per quel filtro, uno di quelli lo farà ".

Il vero trucco è sapere quando quell'ipotesi del "dito in aria" NON lo taglierà, di solito cose come filtri, reti di corrispondenza e circuiti di temporizzazione, pll e altre cose di feedback che implicano significativi spostamenti di fase sono probabilmente cattivi posti per indovinare. Luoghi come quelli in cui è necessario approfondire la matematica (di solito matlab / scilab / ads eseguirà il lavoro, non è necessario ricordare in realtà gran parte delle tabelle standard di integrali oltre il trig base di base).

In realtà è abbastanza raro (e molto bello quando succede) finire in quel posto dove l'elettronica incontra la fisica incontra la matematica, sicuramente succede, calcoli di perdita di percorso, calcoli di rumore quando si fa un analogo, quel genere di cose, ma quello è forse il 10% di un design, il resto è di solito roba da biscotti.

In particolare quando si utilizza un CI analogico, in genere ci saranno uno o più circuiti di applicazione suggeriti nel foglio dati. Ad esempio, attualmente sto progettando un ricevitore Qi per un progetto. I condensatori nel circuito induttivo dipendono da un numero di variabili e il foglio dati fornisce alcune equazioni per determinare i loro valori:

Quindi si tratta solo di collegare i numeri, eseguire il breadboard del circuito e provarlo.

Per la progettazione analogica, eseguiamo i calcoli per la maggior parte. Alcune cose, come i condensatori di accoppiamento e bypass / filtro, potremmo semplicemente scegliere un valore "tipico", sapendo che funzionerà per l'applicazione. Ma nota che "tipico" sarà diverso per i circuiti DC, audio e radio - questo è qualcosa che dobbiamo conoscere.

Per resistori di polarizzazione e guadagno di solito facciamo i calcoli. Li faccio a mano, poiché le equazioni sono semplici. Spesso vogliamo un circuito di "guadagno di circa 10", quindi i rapporti sono abbastanza semplici da fare nella tua testa e i valori (1K contro 1Meg) sono scelti per il tipo di circuito.

L' accuratezza richiesta dall'applicazione è ciò che determina la quantità di riutilizzo, design intuitivo e / o design formale che si vorrebbe utilizzare. Un esempio di ciascuno è: amplificatore audio, amplificatore a basso rumore per TV e amplificatore a bassissimo rumore per un radiotelescopio, rispettivamente. Dovrebbe essere chiaro che quanto "formale / accurato" dovrebbe essere il tuo progetto, dipende da quanto "critico" è l'applicazione (oltre a quanto tempo e denaro è disponibile per il progetto).