Modelli mentali utili per la progettazione di circuiti analogici a bassa frequenza?

Durante l'apprendimento dell'analisi e della progettazione dei circuiti (da Introduzione all'analisi e alla progettazione dei circuiti di Tildon H. Glisson ), mi sono sorpreso a pensare che i progettisti di circuiti con esperienza dovrebbero avere un modello mentale molto più chiaro per elaborare i circuiti che progettano.

Ad esempio, il circuito logico digitale può essere progettato con l'aiuto di tabelle di verità, mappe di Karnaugh e altre tecniche quasi algoritmicamente implementabili. (Ci sono alcuni problemi di progettazione oltre a questo, come la propagazione del segnale / clock non ideale, ma quelli potrebbero essere risolti).

La domanda è: esistono strumenti espressivi che aiutano a creare circuiti analogici a bassa frequenza date le condizioni di ingresso / uscita e altri possibili vincoli? È un tipo di arte o è necessario per memorizzare blocchi utili utili e allineare quei blocchi per ottenere il risultato? Non sto parlando di software di simulazione, ma di modelli mentali umani, compresso il corpo di conoscenza più importante che funge da efficace pathfinder nel regno.

Non sono nemmeno sicuro che sia spiegabile affatto (ad esempio, se qualcuno mi chiedesse come programmare il software avrei difficoltà a spiegare come programmare in generale ), quindi ho ristretto la mia domanda ai circuiti analogici a bassa frequenza, che più o meno si riducono a circuiti resistivi e fonti dipendenti (sono proprio qui?). (ma suppongo che i transitori siano una sfida a sé stante, e forse le stesse mappe mentali aiutano a progettare anche nel dominio della frequenza).

Spero che questa domanda non appaia troppo ampia o vaga. Credo che, se ci sono risposte, potrebbero essere concrete come le mappe di Karnaugh o avere 4-6 frasi nella loro descrizione.

La chiave per la progettazione analogica è la vera comprensione di ciò che fanno i blocchi disponibili (transistor, opamp, ecc.). Il resto è un processo di pensiero creativo per escogitare un modo per collegare i mattoni per creare un circuito che raggiunga i suoi obiettivi. L'esperienza aiuta ad accelerare questo, ma di per sé non lo consente.

Il problema di base è che lo spazio della soluzione è molto grande. Esistono molti circuiti diversi che possono raggiungere una serie di obiettivi per qualsiasi cosa tranne i problemi più banali. Detto in altro modo, non esiste una sola risposta corretta nel design analogico.

Una buona progettazione analogica non viene eseguita inserendo i dati in una serie di formule. Sì, fai un po 'di aritmetica per determinare i valori delle parti e simili. La vera parte del design non è rispondere a queste domande ma essere creativi nel decidere quali domande porre in primo luogo. Non conosco alcun ausilio di progettazione analogica equivalente a K-map per la logica digitale combunatoria.

Una cosa che credo sia indispensabile per il design analogico è quella di essere in grado di visualizzare veramente ciò che sta facendo un circuito. Questo è molto più che essere in grado di passare attraverso uno schema e calcolare tensioni e correnti come si fa nei compiti a casa. Questa è solo la forza bruta per la maggior parte del tempo, e non è di questo che sto parlando. Devi essere in grado di guardare uno schema o pensare in altro modo a un circuito e vedere mentalmente le tensioni che spingono e le correnti che scorrono. Devi essere in grado di visualizzare come i cambiamenti di questi funzionano sui componenti, che quindi causano cambiamenti altrove, ecc.

Non so come insegnarlo. Nella mia esperienza, quelli che sono in grado di progettare in modo analogico hanno iniziato a studiare spingere tensioni e correnti che scorrevano in tenera età, di solito dalla scuola superiore. Semplicemente lo "ottengono", probabilmente dall'essere esposti a abbastanza casi a un'età abbastanza precoce in modo che questo faccia ora parte del loro intuito. Un altro fattore potrebbe essere che coloro che sono veramente interessati all'elettronica lo approfondiranno in tenera età, quindi quelli che non sono quelli senza la vera passione.

Puoi insegnare a qualcuno tutta la teoria che desideri, ma potrebbe essere troppo tardi per ottenere la sensazione intuitiva richiesta per la progettazione di circuiti analogici reali se inizi al college. Ricordo un certo numero di studenti al college che potevano fare tutti i problemi, ottenere buoni voti, ma ancora non potevano progettare circuiti senza un sacco di manovella e di solito per lo più copiando progetti esistenti. Non sto dicendo che guardare e persino copiare i progetti esistenti sia necessariamente una cattiva idea, ma senza l'intuizione e la capacità di percepire le tensioni e vedere le correnti che è tutto ciò che si è bloccato.

Appoggiarsi alla teoria è importante e necessario, e l'esperienza ti aiuta ad arrivare a una buona soluzione più velocemente ed evitare alcuni problemi, ma questi non sono ciò che rende un buon designer analogico un buon designer analogico. Devi sentire la forza, Luke per essere un vero Jedi.

Vorrei iniziare dicendo che la tua visione di un ingegnere che disegna mappe di Karnaugh o tabelle di verità durante la progettazione di un circuito digitale è un po '... obsoleta.

Oggi, qualsiasi progetto digitale che è superiore a poche decine di porte è descritto usando Hardware Description Language - un linguaggio di alto livello che descrive la funzionalità generale, non la corretta implementazione in termini di porte logiche (ci sono eccezioni, ovviamente). Tabelle di verità, mappe di Karnaugh, vari algoritmi di ottimizzazione e così via sono lasciati agli strumenti di sintesi automatici da gestire.

Anche i progetti digitali scritti in HDL non sono "semplici": un ingegnere ha sempre molte alternative, ognuna con i suoi vantaggi, svantaggi e insidie. Ci vuole molta esperienza e pensiero per scrivere un HDL buono, affidabile, leggibile e riutilizzabile.

Le cose sono molto più complesse nei progetti analogici:

• C'è una teoria più complessa dietro ogni componente analogico di quanto venga insegnato nelle classi universitarie e universitarie.
• I componenti interagiscono in varie mode.
• Il numero di parametri per ciascun componente varia da poche a centinaia.
• C'è sempre un po 'di casualità associata alla complessità dei circuiti
• Molti altri

Sono lungi dall'essere un esperto di progettazione analogica, ma immagino che la risposta alla tua domanda sia negativa: non ci sono modelli / formule / idee semplici che funzioneranno sempre anche per la progettazione a bassa frequenza (la bassa frequenza può essere alta / bassa potenza , alta tolleranza, meccanicamente forte, ecc.).

Al lavoro vedo giovani ingegneri che lavorano in gruppi di progettazione digitale e persino programmatori più giovani, ma il cuore di qualsiasi team di progettazione analogica sono poche "vecchie querce" - persone con una straordinaria esperienza che non si possono ottenere semplicemente leggendo libri. Penso che questa discrepanza di età sia la migliore prova della mia affermazione: nulla è paragonabile all'esperienza nel design analogico.

Detto questo, non voglio che nessuno abbia l'impressione che leggere libri non possa aiutare a comprendere l'elettronica analogica, ma bisogna capire che tutte le belle teorie sviluppate in, dicono Sedra & Smith, sono molto semplificate. Mi piace il libro Analog SEEKrets (c'è una versione PDF gratuita sul sito) - è scritto per colmare il divario tra teorie e componenti e applicazioni del mondo reale. Tuttavia, non è un libro di livello introduttivo.

Vi è, tuttavia, un'area del design analogico in cui è possibile ottenere una precisione quasi matematica: la progettazione di filtri analogici. Esistono molti strumenti in grado di produrre progetti completi basati sulle specifiche fornite da un ingegnere. Ma questa è un'eccezione (l'unica che conosco).

Convertito da un commento come richiesto - MA questo è più o meno lo stesso di altri.

Re " ... Is it kind of art ... memorize useful building blocks ..." 

L'arte e il sentimento ne sono una parte significativa.
In parte (solo) un cuoco competente è una buona metafora.

• Non "memorizzano solo" le ricette ma ne conoscono molte.

• Non "allineano" parti di diverse ricette relative a un argomento, piuttosto guardano le ricette e capiscono perché funzionano come fanno, come sono suscettibili di interagire con altre ricette o combinazioni e combinano "parti" perché forse inconsciamente "cucinano nella loro testa".

Il design analogico è generalmente MENO complesso della cottura poiché le interazioni sono meglio definite e comprese rispetto al cibo. Ci sono "regole" e "trucchi" che in realtà sono solo "leggi della fisica" ridotte in stenografia.

ad esempio quasi nessuno lo sa o accetta :-) questo

• il guadagno massimo di un singolo stadio a transistor bipolare è
  ~ = 38,4 x CC tensione stazionaria attraverso la resistenza di carico.

Questo perché gain = R_collector cct / R_emitter circuit (= Rl / Re)
e per un resistore di emettitore completamente bypassato
Re = Rbe del transistor
e questo è collegato alla resistenza dinamica della giunzione be
che si traduce in ~ 26_Ohms / emitter_mA
cioè 13 Ohm a 2 mA o 52 Ohm a 0,5 mA.

Collega quelle figure e gratta un po 'la testa e vedi che
guadagno max = 1000/26 x Vload = 38,4 x Vload.

Questa affermazione fa parte della magia profonda e l'urlo meno inaugurato con orrore del suggerimento :-). E così via. Con il tempo hai un'idea della risposta in frequenza, dei livelli di rumore, ...

Una K-map è una dichiarazione di ciò che vuoi o di cosa è logicamente. Non implica una progettazione logica del circuito. Per fare ciò sono necessarie competenze e altre informazioni come la velocità del segnale e i livelli di tensione richiesti della logica.

Allo stesso modo una trama di base non ti porta a un progetto di circuito, ma l'abilità ti aiuta a scegliere gli op-mps corretti in base ai requisiti di velocità e ai livelli di tensione che potresti dover affrontare.