Полезные интеллектуальные модели для проектирования низкочастотных аналоговых схем?

8

Изучая анализ и проектирование схем (от « Введение в анализ и проектирование схем» Тилдона Х. Глиссона ), я поймал себя на мысли, что опытные конструкторы схем должны иметь гораздо более четкую мысленную модель, чтобы придумывать схемы, которые они проектируют.

Например, цифровая логическая схема может быть разработана с помощью таблиц истинности, карт Карно и других почти алгоритмически реализуемых методов. (Есть некоторые проблемы дизайна, такие как неидеальное распространение сигнала / тактового сигнала, но они могут быть решены).

Вопрос в том, существуют ли выразительные инструменты, которые помогают создавать низкочастотные аналоговые схемы с учетом условий ввода / вывода и других возможных ограничений? Это искусство или нужно запоминать полезные строительные блоки и просто выравнивать эти блоки, чтобы получить результат? Я говорю не о программном обеспечении для моделирования, а о ментальных моделях человека, которые сжимают наиболее важные знания, служащие эффективным следом в сфере.

Я даже не уверен, что это вообще можно объяснить (например, если бы кто-то спросил меня, как программировать программное обеспечение, мне было бы трудно объяснить, как программировать в целом ), поэтому я сузил свой вопрос до низкочастотных аналоговых схем, которые более или менее сводятся к резистивным цепям и зависимым источникам (я прав здесь?). (но я думаю, что переходные процессы сами по себе являются проблемой, и, возможно, те же самые ментальные карты помогают проектировать и в частотной области).

Я надеюсь, что этот вопрос не кажется слишком широким или расплывчатым. Я считаю, что если есть ответы, они могут быть такими же конкретными, как карты Карно, или иметь 4-6 предложений в своем описании.

Роман Суси
источник
1
Ну, есть целые теоретические основы, связанные с передаточными функциями и вообще анализирующими схемы в частотной области; а также модели и подходы поваренной книги для операционных усилителей и транзисторов. Это то, что вы имеете в виду?
pjc50
Однако мне действительно нравится этот вопрос, я волнуюсь, что он здесь не совсем подходит, но не потому, что это не очень хороший вопрос.
Альфред Центавра
3
Re "... Это вид искусства ... запоминать полезные строительные блоки ..." Искусство и чувства являются важной частью этого. Частично (только) компетентный повар - хорошая метафора. Они не просто запоминают рецепты, но знают много. Они не «выравнивают» части из разных рецептов, связанных с предметом - они смотрят на рецепты и понимают, почему они работают так, как они работают, как они могут взаимодействовать с другими рецептами или комбинациями, и они объединяют «кусочки и кусочки», потому что они возможно, бессознательно «готовить в их голове». Аналоговый дизайн, как правило, МЕНЬШЕ сложнее, чем это ...
Рассел МакМахон
2
... взаимодействия лучше определены и понятны, чем в еде. Есть «правила» и «уловки», которые на самом деле являются просто «законами физики», сведенными в сокращение. | Например, почти никто не знает и не принимает :-), что максимальное усиление одиночной ступени биполярного транзистора составляет ~ = 38,4 x постоянное напряжение постоянного тока на нагрузочном резисторе. Это происходит потому, что коэффициент усиления = R_collector cct / R_emitter circuit (= Rl / Re) и для полностью обойденного эмиттерного резистора Re = Rbe транзистора, и это связано с динамическим сопротивлением соединения be, которое соответствует ~ 26_Ом / emitter_mA, т.е. 13 Ом при 2 мА или 52 Ом при 0,5 мА.
Рассел МакМэхон
2
Вставьте эти цифры и немного поцарапайте голову, и вы увидите, что усиление max = 1000/26 x Vload = 38,4 x Vload. | Это утверждение является частью глубокой магии и менее инаугурированного вопля от ужаса при предложении :-). | И так далее. | Со временем вы почувствуете частотную характеристику, уровень шума, ...
Рассел МакМэхон,

Ответы:

7

Ключ к аналоговому дизайну - это истинное понимание того, что делают доступные строительные блоки (транзисторы, операционные усилители и т. Д.). Все остальное - творческий мыслительный процесс, позволяющий придумать способ соединения строительных блоков, чтобы получить схему, которая достигает своих целей. Опыт помогает ускорить это, но сам по себе не позволяет.

Основная проблема заключается в том, что пространство решения очень, очень большое. Есть много разных схем, которые могут достичь множества целей для чего угодно, кроме самых тривиальных задач. Иными словами, в аналоговом дизайне нет единого правильного ответа.

Хороший аналоговый дизайн не достигается путем включения данных в набор формул. Да, вы делаете некоторую арифметику, чтобы определить значения деталей и тому подобное. Настоящая часть дизайна не в том, чтобы отвечать на эти вопросы, а в том, чтобы творчески решать, какие вопросы задавать в первую очередь. Я не знаю каких-либо аналоговых средств проектирования, эквивалентных K-картам для комбунаторной цифровой логики.

Одна вещь, которую я считаю обязательной для аналогового дизайна, - это возможность по-настоящему визуализировать, что делает схема. Это гораздо больше, чем возможность проходить через схему и рассчитывать напряжения и токи, как вы делаете при выполнении домашних заданий. Это просто грубая сила большую часть времени, а не то, о чем я говорю. Вы должны быть в состоянии посмотреть на схему или иным образом подумать о цепи и мысленно увидеть, как растут напряжения и текут токи. Вы должны быть в состоянии визуализировать, как эти изменения влияют на компоненты, которые затем вызывают изменения в других местах и ​​т. Д.

Я не знаю, как этому научить. По моему опыту, те, кто может заниматься аналоговым дизайном, начали изучать повышение напряжения и токи, протекающие в раннем возрасте, обычно в поздней начальной школе. Они просто «получают» это, вероятно, от того, что подверглись достаточному количеству случаев в достаточно раннем возрасте, так что теперь это является частью их интуиции. Другим фактором может быть то, что те, кто действительно интересуется электроникой, будут в нее вникать в раннем возрасте, так что те, кто этого не делает, не имеют истинной страсти.

Вы можете научить кого-то любой теории, которую вы хотите, но может быть слишком поздно, чтобы получить интуитивное чувство, необходимое для реального проектирования аналоговых схем, если вы начнете в колледже. Я помню несколько студентов в колледже, которые могли справиться со всеми проблемами, получить хорошие оценки, но все еще не могли проектировать схемы без большого количества механических движений и обычно в основном копируя существующие проекты. Я не говорю, что смотреть и даже копировать существующие проекты - это обязательно плохая идея, но без интуиции и способности чувствовать напряжения и видеть токи, с которыми вы все застряли.

Теория важна и необходима, а опыт помогает вам быстрее найти хорошее решение и избежать некоторых ошибок, но это не то, что делает хорошего аналогового дизайнера хорошим аналоговым дизайнером. Тебе нужно почувствовать силу, Люк, чтобы быть настоящим джедаем.

Олин Латроп
источник
Это действительно очень хороший ответ. Мотивация является ключом. Жаль, что не так много способов помочь Люку. Визуализация - хороший намек. Начинать рано - тоже хороший совет.
Роман Суси
Кто бы это ни отрицал, мне интересно услышать, с чем вы не согласны.
Олин Латроп
5

Позвольте мне начать с того, что ваше видение инженера, рисующего карты Карно или таблицы истинности при проектировании цифровой схемы, немного ... устарело.

Сегодня любой цифровой дизайн, который превышает несколько десятков гейтов, описывается с использованием языка описания аппаратного обеспечения - языка высокого уровня, который описывает общую функциональность, а не точную реализацию в терминах логических вентилей (конечно, есть исключения). Таблицы истинности, карты Карно, различные алгоритмы оптимизации и т. Д. Оставлены для автоматических инструментов синтеза.

Даже цифровые проекты, написанные на HDL, не являются «прямыми» - у инженера всегда есть много альтернатив, каждый из которых имеет свои преимущества, недостатки и подводные камни. Чтобы написать хороший, надежный, читаемый и многократно используемый HDL, требуется большой опыт и обдумывание.

Вещи намного более сложны в аналоговых проектах:

  • За аналоговым компонентом стоит более сложная теория, чем в старших классах и в аспирантуре.
  • Компоненты взаимодействуют различными способами.
  • Количество параметров для каждого компонента варьируется от нескольких до сотен.
  • Всегда есть немного случайности, связанной со сложностью схем
  • Многое другое

Я далек от того, чтобы быть экспертом в аналоговом дизайне, но думаю, что ответ на ваш вопрос отрицательный - нет простых шаблонов / формул / идей, которые всегда будут работать даже для низкочастотного проектирования (низкочастотный может быть высоким / низким энергопотреблением). , высокая толерантность, механически прочный и т. д.).

На работе я вижу молодых инженеров, работающих в группах по цифровому дизайну, и даже молодых программистов, но сердцем любой команды аналоговых дизайнеров являются немногие «старые дубы» - люди с огромным опытом, которого невозможно получить, просто читая книги. Я думаю, что это возрастное несоответствие является лучшим доказательством моего утверждения - ничто не сравнится с опытом в аналоговом дизайне.

Сказав все это, я не хочу, чтобы у кого-то создалось впечатление, что чтение книг не может помочь в понимании аналоговой электроники, но нужно понимать, что все прекрасные теории, разработанные, например, в Sedra & Smith, очень упрощены. Мне нравится книга Analog SEEKrets (на сайте есть бесплатная PDF-версия) - она ​​написана для того, чтобы заполнить пробел между теориями и реальными компонентами и приложениями. Это не книга начального уровня, хотя.


Однако есть одна область аналогового дизайна, где можно получить почти математическую точность: разработка аналоговых фильтров. Есть много инструментов, которые могут создавать законченные проекты на основе спецификаций, предоставляемых инженером. Но это исключение (единственное, которое я знаю).

Василий
источник
Хороший ответ. Вот чего я на самом деле боялся, так это ситуации. Это как низкий уровень понимания больше не является частью профессии? Будут ли эти молодые инженеры изучать основы, или это будет священным знанием немногих компаний, разрабатывающих программное обеспечение для синтеза. Я изучал математику и CS, и для меня это звучит как решение ODE, не понимая, как добавить два числа без машины ...
Roman Susi
@RomanSusi, сложность современных конструкций электроники делает практически невозможным преподавание этих тем на любом профессиональном уровне. Ну, это возможно, чтобы преподавать, но без большой практики эти темы останутся по крайней мере непонятными для студентов. Нет, знания не являются священными (за исключением очень мелких деталей, которые являются коммерческой тайной компаний) - в настоящее время они распространены по всему Интернету. Однако я не верю, что это принесет вам пользу, если вы будете только читать материалы, вы должны практиковаться, чтобы учиться.
Василий
@RomanSusi, я буду удивлен, найдя инженера с 10-15-летним опытом работы в этой области, который может решать ODE (кроме самых простых), не говоря уже о PDE. Это немного преувеличение (есть очень «строгие» инженеры), но это демонстрирует суть.
Василий
1
@RomanSusi, я также добавил в ответ ссылку на мою любимую книгу по аналоговому дизайну. Эта книга показывает электронику как она есть - сложную и полную компромиссов. Это не поваренная книга новичка, хотя.
Василий
Конечно. Практика - это король. И эти лучшие ментальные модели приходят с практикой. Мозг сжимает знания, даже если книги или лекции представляют материал в гораздо более длинном формате. Но действительно ли создание схем поваренной книги (скажем, из книги по 200 проектам транзисторов) действительно способствует накоплению знаний? Я думаю, нет. Чтобы иметь какое-либо значение, практика должна заключаться в разработке моей собственной схемы от простой до более сложной. Я предполагаю, что ODE / PDE редко являются частью повседневной инженерии.
Роман Суси
3

Преобразован из комментария в соответствии с просьбой - НО это почти то же самое, что говорят другие.

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

Искусство и чувство - существенная часть этого.
Частично (только) компетентный повар - хорошая метафора.

  • Они не просто запоминают рецепты, но знают много.

  • Они не «выравнивают» части из разных рецептов, связанных с предметом, - они смотрят на рецепты и понимают, почему они работают так, как они работают, как они могут взаимодействовать с другими рецептами или комбинациями, и они объединяют «кусочки и кусочки», потому что они возможно, бессознательно «готовят в их голове».

Аналоговый дизайн обычно МЕНЬШЕ сложнее, чем приготовление пищи, так как взаимодействия лучше определены и понятны, чем в еде. Есть «правила» и «уловки», которые на самом деле являются просто «законами физики», сведенными в сокращение.

например, почти никто не знает и не принимает :-) что

  • Максимальное усиление одной ступени биполярного транзистора составляет
    ~ = 38,4 х постоянного напряжения на нагрузочном резисторе.

Это происходит потому, что коэффициент усиления = R_collector cct / R_emitter circuit (= Rl / Re)
и для полностью обойденного эмиттерного резистора
Re = Rbe транзистора,
и это связано с динамическим сопротивлением соединения be,
которое соответствует ~ 26_Ом / emitter_mA,
т.е. 13 Ом при 2 мА или 52 Ом при 0,5 мА.

Вставьте эти цифры и немного
почесайте голову, и вы увидите, что усиление max = 1000/26 x Vload = 38,4 x Vload.

Это утверждение является частью глубокой магии и менее инаугурированного вопля от ужаса при предложении :-). И так далее. Со временем вы почувствуете частотную характеристику, уровень шума, ...

Рассел МакМахон
источник
Я не понял, почему вы измеряете усиление в вольтах (38,4 х Vload), но ваш пример приготовления очень хорош. Спасибо!
Роман Суси
Ха, твой пример максимального усиления прямо вне AoE. (Искусство электроники.) @RomanSusi, если у вас нет AoE3, купите его! (Я не говорю, что вы не получили его самостоятельно.)
Джордж Херольд
@GeorgeHerold Я рад слышать, что AoE тоже знает о глубокой магии :-). Я познакомился с этой концепцией и подобными в (AFAIR) в 1973 или 1978 году доктором Холбруком - большим и бочкообразным (больше, чем кто-либо еще, кого я встречал AFAIR) преподавателем, который преподавал в Университете Окленда в качестве приглашенного лектора. Он был менее чем полезен в одних областях и великолепен в других, и некоторые из его хороших вещей навсегда врезались в мой мозг. 38,4 x Vl полностью получены традиционным образом, но все еще чужды многим очень способным EE
Рассел МакМахон
1

K-карта - это заявление о том, что вы хотите или что-то логически. Это не подразумевает схему логики. Для этого вам понадобятся навыки и другая информация, такая как скорость сигнала и требуемые уровни напряжения логики.

Точно так же сюжетная линия не приводит вас к проектированию схемы, но умение помогает вам выбрать правильные операции на основе требований к скорости и уровням напряжения, с которыми вам, возможно, придется иметь дело.

Энди ака
источник
ядро логической схемы ... логика может быть получена вполне продуманно, экономно и с пониманием. Конечно, необходимы другие соображения и связанные с ними навыки, но если я прав, получение ядра (и управление его составляющими) - это более половины решения. Спасибо за упоминание Боде-сюжета.
Роман Суси