Mô hình tinh thần hữu ích cho thiết kế mạch tương tự tần số thấp?

Trong khi học phân tích và thiết kế mạch (từ Giới thiệu về Phân tích và Thiết kế mạch của Tildon H. Glisson ), tôi đã nghĩ rằng các nhà thiết kế mạch có kinh nghiệm nên có một mô hình tinh thần rõ ràng hơn để đưa ra các mạch mà họ thiết kế.

Ví dụ, mạch logic kỹ thuật số có thể được thiết kế với sự trợ giúp của các bảng chân lý, bản đồ Karnaugh và các kỹ thuật gần như có thể thực hiện bằng thuật toán khác. (Có một số vấn đề thiết kế ngoài vấn đề đó, như việc truyền tín hiệu / đồng hồ không lý tưởng, nhưng những vấn đề đó có thể được giải quyết).

Câu hỏi đặt ra là, có các công cụ biểu cảm, giúp tạo ra các mạch tương tự tần số thấp với các điều kiện đầu vào / đầu ra và các ràng buộc có thể khác không? Đây có phải là một loại hình nghệ thuật hay là một trong những yêu cầu ghi nhớ các khối xây dựng hữu ích và chỉ cần căn chỉnh các khối đó để có kết quả? Tôi không nói về phần mềm mô phỏng, nhưng các mô hình tinh thần của con người, đã nén phần lớn kiến ​​thức quan trọng đóng vai trò là người dẫn đường hiệu quả trong vương quốc.

Tôi thậm chí không chắc là nó có thể giải thích được không (ví dụ, nếu ai đó hỏi tôi cách lập trình phần mềm, tôi sẽ khó có thể giải thích cách lập trình nói chung ), vì vậy tôi đã thu hẹp câu hỏi của mình vào các mạch tương tự tần số thấp, ít nhiều đun sôi xuống các mạch điện trở và các nguồn phụ thuộc (tôi có ở đây không?). (nhưng tôi đoán, tạm thời là một thách thức riêng và có thể các bản đồ tinh thần tương tự cũng giúp thiết kế trong miền tần số).

Tôi hy vọng câu hỏi này không xuất hiện quá rộng hoặc mơ hồ. Tôi tin rằng, nếu có câu trả lời, chúng có thể cụ thể như bản đồ Karnaugh hoặc có từ 4 - 6 câu trong mô tả của chúng.

Chìa khóa cho thiết kế tương tự là sự hiểu biết thực sự về những gì các khối xây dựng có sẵn (bóng bán dẫn, opamp, v.v.) làm. Phần còn lại là một quá trình suy nghĩ sáng tạo để đưa ra cách kết nối các khối xây dựng để tạo ra một mạch đạt được mục tiêu của nó. Kinh nghiệm giúp giải quyết vấn đề này, nhưng bản thân nó không cho phép nó.

Vấn đề cơ bản là không gian giải pháp rất rất lớn. Có nhiều mạch khác nhau có thể đạt được một bộ mục tiêu cho bất cứ điều gì ngoại trừ những vấn đề tầm thường nhất. Nói cách khác, không có câu trả lời đúng duy nhất trong thiết kế tương tự.

Thiết kế tương tự tốt không được thực hiện bằng cách cắm dữ liệu vào một bộ công thức. Có, bạn làm một số số học để xác định giá trị một phần và tương tự. Phần thiết kế thực sự không phải là trả lời những câu hỏi đó mà là sáng tạo trong việc quyết định những câu hỏi sẽ hỏi ngay từ đầu. Tôi không biết về bất kỳ công cụ hỗ trợ thiết kế tương tự nào tương đương với bản đồ K cho logic kỹ thuật số tổ hợp.

Một điều mà tôi tin là bắt buộc đối với thiết kế tương tự là có thể thực sự hình dung được những gì một mạch đang làm. Điều này là nhiều hơn nhiều so với việc có thể đi qua một sơ đồ và tính toán điện áp và dòng điện như bạn làm trong bài tập về nhà. Đó chỉ là vũ lực trong phần lớn thời gian, và đó không phải là điều tôi đang nói. Bạn phải có thể nhìn vào sơ đồ hoặc nghĩ cách khác về một mạch điện và tinh thần thấy các điện áp đẩy và dòng điện chạy. Bạn phải có khả năng hình dung những thay đổi trong các hoạt động này trên các thành phần, sau đó gây ra những thay đổi ở nơi khác, v.v.

Tôi không biết làm thế nào để dạy điều này. Theo kinh nghiệm của tôi, những người có thể thiết kế tương tự bắt đầu học về điện áp đẩy và dòng điện chảy từ khi còn nhỏ, thường là vào cuối năm học. Họ chỉ "hiểu" nó, có lẽ là do tiếp xúc với đủ các trường hợp ở độ tuổi đủ sớm để bây giờ đây là một phần của trực giác của họ. Một yếu tố khác có thể là những người thực sự quan tâm đến điện tử sẽ đào sâu vào nó ngay từ khi còn nhỏ, vì vậy những người không phải là những người không có niềm đam mê thực sự.

Bạn có thể dạy cho ai đó tất cả lý thuyết bạn muốn, nhưng có lẽ đã quá muộn để có được cảm giác trực quan cần thiết cho thiết kế mạch tương tự thực sự nếu bạn bắt đầu học đại học. Tôi nhớ một số sinh viên trong trường đại học có thể làm tất cả các vấn đề, đạt điểm cao, nhưng vẫn không thể thiết kế mạch mà không có nhiều tiếng vặn vẹo và thường chủ yếu là sao chép các thiết kế hiện có. Tôi không nói rằng nhìn vào và thậm chí sao chép các thiết kế hiện có nhất thiết phải là một ý tưởng tồi, nhưng không có trực giác và khả năng cảm nhận điện áp và xem các dòng điện mà bạn đang mắc kẹt.

Dựa vào lý thuyết là quan trọng và cần thiết, và kinh nghiệm giúp bạn đi đến một giải pháp tốt nhanh hơn và tránh một số pitfals, nhưng đây không phải là điều làm cho một nhà thiết kế tương tự tốt trở thành một nhà thiết kế tương tự tốt. Bạn cần phải cảm nhận được sức mạnh, Luke để trở thành một Jedi thực thụ.

Hãy để tôi bắt đầu bằng cách nói rằng tầm nhìn của bạn về một kỹ sư vẽ bản đồ Karnaugh hoặc các bảng chân lý khi thiết kế một mạch kỹ thuật số là một chút ... lỗi thời.

Ngày nay, bất kỳ thiết kế kỹ thuật số nào lớn hơn vài chục cổng đều được mô tả bằng Ngôn ngữ mô tả phần cứng - ngôn ngữ cấp cao mô tả chức năng tổng thể, không phải là triển khai chính xác về mặt cổng logic (tất nhiên cũng có ngoại lệ). Các bảng chân lý, bản đồ Karnaugh, các thuật toán tối ưu hóa khác nhau, v.v. được để lại cho Công cụ tổng hợp tự động để xử lý.

Ngay cả các thiết kế kỹ thuật số được viết bằng HDL cũng không "đơn giản" - một kỹ sư luôn có nhiều lựa chọn thay thế, mỗi phương pháp đều có ưu điểm, nhược điểm và cạm bẫy. Phải mất rất nhiều kinh nghiệm và suy nghĩ để viết một HDL tốt, đáng tin cậy, có thể đọc và tái sử dụng.

Những điều phức tạp hơn nhiều trong các thiết kế tương tự:

• Có nhiều lý thuyết phức tạp đằng sau bất kỳ thành phần tương tự nào hơn là được dạy trong các lớp dưới đại học và lớp.
• Các thành phần tương tác trong thời trang khác nhau.
• Số lượng tham số cho mỗi thành phần nằm trong khoảng từ vài đến hàng trăm.
• Luôn có một chút ngẫu nhiên liên quan đến sự phức tạp của các mạch
• Nhiều hơn nữa

Tôi không phải là một chuyên gia về thiết kế tương tự, nhưng tôi đoán câu trả lời cho câu hỏi của bạn là tiêu cực - không có mẫu / công thức / ý tưởng đơn giản nào sẽ luôn hoạt động ngay cả đối với thiết kế tần số thấp (tần số thấp có thể là công suất cao / thấp , dung sai cao, mạnh về mặt cơ học, v.v.).

Trong công việc, tôi thấy các kỹ sư trẻ làm việc trong các nhóm thiết kế kỹ thuật số và thậm chí các lập trình viên trẻ hơn, nhưng trái tim của bất kỳ nhóm thiết kế tương tự nào cũng chỉ là một vài "cây sồi già" - những người có kinh nghiệm tuyệt vời không thể có được chỉ bằng cách đọc sách. Tôi nghĩ rằng sự khác biệt tuổi tác này là bằng chứng tốt nhất cho tuyên bố của tôi - không gì có thể so sánh với trải nghiệm trong thiết kế tương tự.

Nói tất cả những điều đó, tôi không muốn bất cứ ai có ấn tượng rằng đọc sách không thể giúp hiểu được các thiết bị điện tử tương tự, nhưng người ta phải hiểu rằng tất cả các lý thuyết đẹp được phát triển trong, nói rằng Sedra & Smith, rất đơn giản. Tôi thích cuốn sách Analog XEMKrets (có phiên bản PDF miễn phí trên trang web) - nó được viết để lấp đầy khoảng cách giữa lý thuyết và các thành phần và ứng dụng trong thế giới thực. Nó không phải là một cuốn sách giới thiệu mặc dù.

Tuy nhiên, có một lĩnh vực của thiết kế tương tự nơi có thể đạt được độ chính xác toán học gần như: thiết kế các bộ lọc tương tự. Có nhiều công cụ có thể tạo ra các thiết kế hoàn chỉnh dựa trên các thông số kỹ thuật mà một kỹ sư cung cấp. Nhưng đây là một ngoại lệ (người duy nhất tôi biết).

Chuyển đổi từ nhận xét theo yêu cầu - NHƯNG điều này giống như những gì người khác đang nói.

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

Nghệ thuật và cảm nhận là một phần quan trọng của nó.
Một phần (chỉ) một đầu bếp thực phẩm có thẩm quyền là một phép ẩn dụ tốt.

• Họ không "chỉ ghi nhớ" công thức nấu ăn nhưng họ biết nhiều.

• Họ không "sắp xếp" các phần từ các công thức nấu ăn khác nhau liên quan đến một chủ đề - thay vào đó họ nhìn vào các công thức nấu ăn và hiểu lý do tại sao họ làm việc như thế nào, họ có trách nhiệm tương tác với các công thức hoặc kết hợp khác và họ kết hợp 'bit và miếng' vì họ có lẽ đang vô thức 'nấu ăn trong đầu họ'.

Thiết kế tương tự thường phức tạp hơn so với nấu ăn vì các tương tác được xác định và hiểu rõ hơn trong thực phẩm. Có "quy tắc" và "thủ thuật" thực sự chỉ là "quy luật vật lý" được rút gọn thành tốc ký.

ví dụ như hầu như không ai biết hoặc chấp nhận :-)

• mức tăng tối đa của một tầng bán dẫn lưỡng cực đơn là
  ~ = 38,4 x DC điện áp trạng thái ổn định trên điện trở tải.

Điều này là do mạch gain = R_collector cct / R_emitter (= Rl / Re)
và đối với điện trở bộ phát hoàn toàn bỏ qua
Re = Rbe của bóng bán dẫn
và điều này được liên kết với điện trở động của tiếp
giáp có
nghĩa là ~ 26_Ohms / emitter_mA tức là 13 Ohm ở 2 mA hoặc 52 Ohms ở 0,5 mA.

Cắm các số liệu đó vào và gãi đầu một chút và bạn thấy rằng
đạt được max = 1000/26 x Vload = 38,4 x Vload.

Khẳng định này tạo thành một phần của ma thuật sâu sắc và tiếng hú ít được khánh thành trong lời đề nghị :-). Và kể từ đó trở đi. Theo thời gian, bạn sẽ có cảm giác đáp ứng tần số, mức độ tiếng ồn, ...

Bản đồ K là một tuyên bố về những gì bạn muốn hoặc những gì là hợp lý. Nó không ngụ ý một thiết kế logic mạch. Để làm điều này, bạn cần có các kỹ năng và thông tin khác như tốc độ tín hiệu và các mức điện áp cần thiết của logic.

Tương tự như một âm mưu bode không đưa bạn đến một thiết kế mạch nhưng kỹ năng giúp bạn chọn op-mps chính xác dựa trên yêu cầu tốc độ và mức điện áp bạn có thể phải đối phó.