¿Modelos mentales útiles para el diseño de circuitos analógicos de baja frecuencia?


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Mientras aprendía el análisis y diseño de circuitos (de Introducción al diseño y análisis de circuitos de Tildon H. Glisson ), me sorprendí pensando que los diseñadores de circuitos experimentados deberían tener un modelo mental mucho más claro para idear los circuitos que diseñan.

Por ejemplo, el circuito lógico digital se puede diseñar con la ayuda de tablas de verdad, mapas de Karnaugh y otras técnicas casi algorítmicamente implementables. (Hay algunos problemas de diseño más allá de eso, como la propagación de señal / reloj no ideal, pero podrían resolverse).

La pregunta es, ¿existen herramientas expresivas que ayuden a crear circuitos analógicos de baja frecuencia dadas las condiciones de entrada / salida y otras posibles restricciones? ¿Es una especie de arte, o se requiere uno para memorizar bloques de construcción útiles y simplemente alinear esos bloques para obtener el resultado? No estoy hablando de software de simulación, sino de modelos mentales humanos, el cuerpo de conocimiento más importante comprimido que sirve como buscador eficaz en el ámbito.

Ni siquiera estoy seguro de si es explicable (por ejemplo, si alguien me preguntara cómo programar un software, me resultaría difícil explicar cómo programar en general ), por lo que limité mi pregunta a los circuitos analógicos de baja frecuencia, que más o menos se reduce a circuitos resistivos y fuentes dependientes (¿estoy aquí?). (pero supongo que los transitorios son un desafío en sí mismos, y tal vez los mismos mapas mentales también ayuden a diseñar en el dominio de la frecuencia).

Espero que esta pregunta no parezca demasiado amplia o vaga. Creo que, si hay respuestas, podrían ser tan concretas como los mapas de Karnaugh o tener de 4 a 6 oraciones en su descripción.


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Bueno, hay cuerpos enteros de teoría que rodean las funciones de transferencia , y generalmente analizan los circuitos en el dominio de la frecuencia; y también modelos y enfoques de libros de cocina para amplificadores operacionales y transistores. ¿Es ese el tipo de cosas que quieres decir?
pjc50

Yo realmente como esta pregunta sin embargo, me preocupa que no es una buena opción aquí, pero no porque no es una gran pregunta.
Alfred Centauri

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Re "... ¿Es una especie de arte ... memorizar bloques de construcción útiles ..." El arte y la sensación son una parte importante de ello. En parte (solo) un cocinero competente es una buena metáfora. No "simplemente memorizan" recetas sino que conocen muchas. No "alinean" partes de diferentes recetas relacionadas con un tema, sino que miran las recetas y entienden por qué funcionan como lo hacen, cómo pueden interactuar con otras recetas o combinaciones y combinan "pedazos" porque son quizás inconscientemente 'cocinando en su cabeza'. El diseño analógico suele ser MENOS complejo que este como el ...
Russell McMahon

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... las interacciones están mejor definidas y entendidas que en la comida. Hay "reglas" y "trucos" que en realidad son solo "leyes de la física" reducidas a taquigrafía. El | Por ejemplo, casi nadie sabe ni acepta :-) que la ganancia máxima de una sola etapa de transistor bipolar es ~ = 38.4 x voltaje de estado estable de CC a través de la resistencia de carga. Esto se debe a que la ganancia = R_collector cct / R_emitter circuit (= Rl / Re) y para una resistencia de emisor totalmente anulada Re = Rbe del transistor y esto está vinculado a la resistencia dinámica de la unión be que se traduce en ~ 26_Ohms / emitter_mA, es decir, 13 Ohm a 2 mA o 52 Ohms a 0.5 mA.
Russell McMahon

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Conecte esas cifras y rasque su cabeza un poco y verá que la ganancia máxima = 1000/26 x Vload = 38.4 x Vload. El | Esta afirmación forma parte de la magia profunda y el aullido de horror menos inaugurado ante la sugerencia :-). El | Etcétera. El | Con el tiempo se siente la respuesta de frecuencia, los niveles de ruido, ...
Russell McMahon

Respuestas:


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La clave del diseño analógico es la verdadera comprensión de lo que hacen los bloques de construcción disponibles (transistores, opamps, etc.). El resto es un proceso de pensamiento creativo para encontrar una forma de conectar los bloques de construcción para dar como resultado un circuito que logre sus objetivos. La experiencia ayuda a acelerar esto, pero por sí sola no lo habilita.

El problema básico es que el espacio de solución es muy muy grande. Hay muchos circuitos diferentes que pueden lograr un conjunto de objetivos para cualquier cosa que no sean los problemas más triviales. Dicho de otra manera, no existe una respuesta correcta única en el diseño analógico.

Un buen diseño analógico no se realiza conectando datos a un conjunto de fórmulas. Sí, haces algo de aritmética para determinar los valores de las partes y similares. La parte del diseño real no es responder esas preguntas sino ser creativo al decidir qué preguntas hacer en primer lugar. No conozco ninguna ayuda de diseño analógico equivalente a los mapas K para la lógica digital combinatoria.

Una cosa que creo que es imprescindible para el diseño analógico es poder visualizar realmente lo que está haciendo un circuito. Esto es mucho más que ser capaz de pasar por un esquema y calcular voltajes y corrientes como lo hace en las tareas escolares. Eso es solo fuerza bruta la mayor parte del tiempo, y no es de lo que estoy hablando. Tienes que poder mirar un esquema o pensar en un circuito y ver mentalmente los voltajes presionando y las corrientes fluyendo. Debe poder visualizar cómo funcionan los cambios en estos en los componentes, que luego causan cambios en otros lugares, etc.

No sé cómo enseñar esto. En mi experiencia, aquellos que pueden hacer diseño analógico comenzaron a aprender sobre los voltajes que empujan y las corrientes que fluyen a una edad temprana, generalmente en la escuela secundaria. Simplemente lo "entienden", probablemente por estar expuestos a suficientes casos a una edad lo suficientemente temprana como para que esto sea ahora parte de su intuición. Otro factor puede ser que aquellos que están realmente interesados ​​en la electrónica profundizarán en ella a una edad temprana, por lo que aquellos que no lo son sin la verdadera pasión.

Puede enseñarle a alguien toda la teoría que desee, pero puede ser demasiado tarde para obtener la sensación intuitiva requerida para un diseño de circuito analógico real si comienza en la universidad. Recuerdo una cantidad de estudiantes en la universidad que podían resolver todos los problemas, sacar buenas notas, pero aún así no podían diseñar circuitos sin muchas maniobras de memoria y generalmente copiando diseños existentes. No digo que mirar e incluso copiar diseños existentes sea necesariamente una mala idea, pero sin la intuición y la capacidad de sentir los voltajes y ver las corrientes, eso es todo con lo que estás atrapado.

Aprender la teoría es importante y necesario, y la experiencia lo ayuda a llegar a una buena solución más rápido y a evitar algunas fallas, pero esto no es lo que hace que un buen diseñador analógico sea un buen diseñador analógico. Necesitas sentir la fuerza, Luke para ser un verdadero Jedi.


Esta es una muy buena respuesta de hecho. La motivación es la clave. Es una pena que no haya tantos medios para ayudar a Lukes. La visualización es una buena pista. Comenzar temprano también es una buena pista.
Roman Susi

Quien haya rechazado esto, me interesa saber con qué no está de acuerdo.
Olin Lathrop

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Permítanme comenzar diciendo que su visión de un ingeniero que dibuja mapas de Karnaugh o tablas de verdad cuando diseña un circuito digital está un poco ... desactualizada.

Hoy en día, cualquier diseño digital que sea mayor que unas pocas decenas de puertas se describe utilizando el Lenguaje de descripción de hardware, un lenguaje de alto nivel que describe la funcionalidad general, no la implementación exacta en términos de puertas lógicas (hay excepciones, por supuesto). Las tablas de verdad, los mapas de Karnaugh, varios algoritmos de optimización, etc. se dejan para que las herramientas de síntesis automáticas puedan manejar.

Incluso los diseños digitales escritos en HDL no son "sencillos": un ingeniero siempre tiene muchas alternativas, cada una con sus ventajas, desventajas y dificultades. Se necesita mucha experiencia y pensamiento para escribir un HDL bueno, confiable, legible y reutilizable.

Las cosas son mucho más complejas en los diseños analógicos:

  • Hay una teoría más compleja detrás de cualquier componente analógico que la que se enseña en las clases de pregrado y posgrado.
  • Los componentes interactúan de varias maneras.
  • El número de parámetros para cada componente varía de unos pocos a cientos.
  • Siempre hay un poco de aleatoriedad asociada con la complejidad de los circuitos.
  • Mucho mas

Estoy lejos de ser un experto en diseño analógico, pero supongo que la respuesta a su pregunta es negativa: no hay patrones / fórmulas / ideas sencillas que siempre funcionen incluso para el diseño de baja frecuencia (la baja frecuencia puede ser alta / baja potencia). , alta tolerancia, mecánicamente fuerte, etc.).

En el trabajo veo jóvenes ingenieros trabajando en grupos de diseño digital e incluso programadores más jóvenes, pero el corazón de cualquier equipo de diseño analógico son pocos "viejos robles", personas con una experiencia tremenda que no se puede obtener simplemente leyendo libros. Creo que esta discrepancia de edad es la mejor prueba de mi afirmación: nada se compara con la experiencia en diseño analógico.

Dicho todo esto, no quiero que nadie tenga la impresión de que leer libros no puede ayudar a comprender la electrónica analógica, pero hay que entender que todas las bellas teorías desarrolladas en, dicen Sedra y Smith, están muy simplificadas. Me gusta el libro Analog SEEKrets (hay una versión gratuita en PDF en el sitio), está escrito para llenar el vacío entre las teorías y los componentes y aplicaciones del mundo real. Sin embargo, no es un libro de nivel introductorio.


Sin embargo, hay un área de diseño analógico donde se puede obtener una precisión casi matemática: el diseño de filtros analógicos. Hay muchas herramientas que pueden producir diseños completos basados ​​en las especificaciones que proporciona un ingeniero. Pero esta es una excepción (la única que conozco).


Buena respuesta. Esto es lo que realmente temía es una situación. ¿Es como un bajo nivel de comprensión que ya no es parte de la profesión? ¿Esos jóvenes ingenieros van a aprender los fundamentos o será un conocimiento sagrado de pocas compañías de software que desarrollan software de síntesis? Estudié matemáticas y CS, y para mí suena como resolver ODE sin entender cómo sumar dos números sin una máquina ...
Roman Susi

@RomanSusi, la complejidad de los diseños electrónicos actuales hace que sea prácticamente imposible enseñar estos temas a nivel profesional. Bueno, es posible enseñar, pero sin mucha práctica, estos temas permanecerán al menos confusos para los estudiantes. No, el conocimiento no es sagrado (a excepción de los detalles muy finos que son secretos comerciales de las empresas), hoy en día se encuentra en Internet. Sin embargo, no creo que te sirva de nada si solo lees materiales, debes practicar para aprender.
Vasiliy

@RomanSusi, me sorprenderá encontrar un ingeniero con 10-15 años de experiencia en el campo que pueda resolver las EDO (excepto las más simples), y mucho menos las PDE. Es un poco exagerado (hay ingenieros muy "rigurosos"), pero demuestra el punto.
Vasiliy

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@RomanSusi, también agregué un enlace a mi libro favorito sobre diseño analógico en la respuesta. Este libro muestra la electrónica tal como es: complicada y llena de compensaciones. Sin embargo, no es un libro de cocina para principiantes.
Vasiliy

Por supuesto. La práctica es un rey. Y esos mejores modelos mentales vienen con la práctica. Brain compacta el conocimiento incluso si los libros o conferencias presentan material en un formato mucho más largo. Pero, ¿hacer circuitos de libros de cocina (por ejemplo, del libro de 200 proyectos de transistores) realmente acumula el conocimiento? Supongo que no. Para marcar la diferencia, la práctica debería consistir en diseñar mi propio circuito de simple a más comples. Supongo que las EDO / PDE rara vez son parte de la ingeniería cotidiana.
Roman Susi

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Convertido de comentario según lo solicitado, PERO esto es muy parecido a lo que otros dicen.

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

El arte y la sensación son una parte importante de ello.
En parte (solo) un cocinero competente es una buena metáfora.

  • No "simplemente memorizan" recetas, sino que conocen muchas.

  • No "alinean" partes de diferentes recetas relacionadas con un tema, sino que miran las recetas y entienden por qué funcionan como lo hacen, cómo pueden interactuar con otras recetas o combinaciones y combinan 'pedazos' porque tal vez inconscientemente "cocinan en su cabeza".

El diseño analógico suele ser MENOS complejo que cocinar, ya que las interacciones están mejor definidas y entendidas que en los alimentos. Hay "reglas" y "trucos" que en realidad son solo "leyes de la física" reducidas a taquigrafía.

Por ejemplo, casi nadie sabe ni acepta :-) que

  • la ganancia máxima de una sola etapa de transistor bipolar es
    ~ = 38.4 x voltaje de estado estable de CC a través de la resistencia de carga.

Esto se debe a que la ganancia = R_collector cct / R_emitter circuit (= Rl / Re)
y para una resistencia de emisor totalmente anulada
Re = Rbe del transistor
y esto está vinculado a la resistencia dinámica de la unión be
que se traduce en ~ 26_Ohms / emitter_mA,
es decir, 13 Ohm a 2 mA o 52 Ohms a 0.5 mA.

Conecte esas cifras y rasque su cabeza un poco y verá que la
ganancia máxima = 1000/26 x Vload = 38.4 x Vload.

Esta afirmación forma parte de la magia profunda y el aullido de horror menos inaugurado ante la sugerencia :-). Etcétera. Con el tiempo, se siente la respuesta de frecuencia, los niveles de ruido, ...


No he entendido por qué mide la ganancia en voltios (38.4 x Vload), pero su ejemplo de cocina es muy bueno. ¡Gracias!
Roman Susi

Ja, tu ejemplo de ganancia máxima está directamente fuera de AoE. (Art of Electronics.) @RomanSusi, si no tienes AoE3, ¡cómpralo! (No digo que no lo hayas deducido por tu cuenta.)
George Herold

@GeorgeHerold Me alegra saber que AoE también conoce la magia profunda :-). Fui presentado a ese concepto y similar en (AFAIR), ya sea 1973 o 1978, por un Doctor Holbrook, un profesor grande y en forma de barril (más que cualquier otro que haya conocido a AFAIR) que enseñó en Auckland Unoversity como profesor visitante. Era menos que útil en algunas áreas y brillante en otras, y algunos de sus buenos recuerdos quedaron atrapados en mi cerebro para siempre. El 38.4 x Vl se deriva completamente convencionalmente, pero aún es extraño para muchos EE muy capaces
Russell McMahon

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Un K-map es una declaración de lo que quieres o de lo que algo es lógicamente. No implica un diseño de lógica de circuito. Para hacer esto, necesita habilidades y otra información, como la velocidad de la señal y los niveles de voltaje requeridos de la lógica.

Del mismo modo, un diagrama de bode no lo lleva a un diseño de circuito, pero la habilidad lo ayuda a elegir los op-mps correctos según los requisitos de velocidad y los niveles de voltaje con los que podría tener que lidiar.


núcleo del circuito lógico ... la lógica se puede obtener de forma bastante económica y con comprensión. Por supuesto, se necesitan otras consideraciones y habilidades relacionadas, pero si tengo razón, obtener el núcleo (y manipular sus componentes) es más de la mitad de la solución. Gracias por mencionar Bode-plot.
Roman Susi
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