Konstruktionsberechnungen für den erfahrenen EE

Neigen erfahrene Designer dazu, ziemlich viele Berechnungen durchzuführen, oder sind große Teile von Schaltkreisen intuitiv gestaltet? Ich frage, weil es den Anschein hat, als hätten Konstrukteure ein Gespür dafür, welche Wertobergrenze Sie für gemeinsame Teile von Schaltkreisen hier und dort haben möchten. Wenn das der Fall ist, weil sie nur Designs recyceln? Für den Anfänger ist das umwerfend. Bücher wie die Art of Electronics scheinen jedoch den Ansatz anzuregen, im Handumdrehen ungefähre Berechnungen durchzuführen.

Ich bin ein professioneller Elektrotechniker, der seit über 35 Jahren routinemäßig neue Schaltungen für die Serienfertigung entwirft.

Ja, ich führe häufig Berechnungen durch, um die genauen Teilespezifikationen zu ermitteln. Es gibt auch viele Fälle, in denen Erfahrung und Intuition gut genug sind und die Anforderungen locker genug sind, dass ich nur einen Wert auswähle. Verwechseln Sie dies jedoch nicht mit einem zufälligen Wert.

Zum Beispiel werde ich für einen Pulldown-Widerstand auf der MISO-Leitung eines SPI-Busses nur 100 kΩ spezifizieren und damit fertig sein. 10 kΩ würden auch gut funktionieren, und jemand anderes, der das auswählt, wäre auch nicht falsch. Wenn ich an anderer Stelle einen 20-kΩ-Widerstand verwende, kann ein anderer in der MISO-Leitung angegeben werden, um zu vermeiden, dass der Stückliste ein weiterer Teil hinzugefügt wird. Manchmal hat man viel Spielraum und Intuition und Erfahrung sind gut genug.

Auf der anderen Seite sehe ich, wenn ich mir das Schema meines neuesten Designs ansehe, das ich gerade zum ersten Mal auflege, einen Fall, in dem ich einige Zeit nicht nur den Teilewert spezifizierte, sondern das Ergebnis der Varianz berechnet habe auf den Rest des Systems. Es wurden drei Fälle von zwei Widerständen für die Rückmeldung an ein Schaltnetzteil verwendet. Hier ist das Problem wie Hausaufgaben formuliert:

Die Eingangsschwelle für die Spannungsversorgung des Chips beträgt 800 mV ± 2%. Sie verwenden drei Instanzen dieses Chips, um die 12-V-, 5-V- und 3,3-V-Netzteile herzustellen. Sie haben sich zuvor entschieden, für den unteren Widerstand jedes Spannungsteilers etwa 10 kΩ zu verwenden. Bestimmen Sie jeweils die vollen Widerstandsspezifikationen und bestimmen Sie die min / max resultierende Nennversorgungsspannung. Halten Sie sich an die verfügbaren Widerstandswerte. Bei Bedarf 1% verwenden und entsprechend spezifizieren.

Das ist ein echtes Problem der realen Welt, das mit einem Taschenrechner einige Minuten gedauert hat. Übrigens habe ich festgestellt, dass 1% Widerstände gut genug sind. Das ist eigentlich das, was ich erwartet hatte, aber ich habe die Berechnungen trotzdem durchgeführt, um sicherzugehen. Ich habe auch den vollen Nennbereich für jede Versorgung direkt auf dem Schaltplan vermerkt. Dies könnte nicht nur nützlich sein, um später darauf zu verweisen, sondern zeigt auch, dass dieses Problem berücksichtigt und die Berechnungen durchgeführt wurden. Ich oder jemand anderes muss mich zum Beispiel ein Jahr später nicht mehr über die Toleranz der 3,3-V-Versorgung wundern und die Berechnungen wiederholen.

Hier ist ein Ausschnitt aus dem Schema, das den oben beschriebenen Fall zeigt:

Ich habe gerade R2, R4 und R6 ausgewählt, aber die Berechnungen durchgeführt, um R1, R3 und R5 und die resultierenden Nennbereiche der Stromversorgung zu bestimmen.

Hinzugefügt über die SHx-Teile (Antwort auf Kommentar)

Die SH-Teile sind das, was ich "Shorts" nenne. Dies sind nur Kupfer auf der Platine. Sie sollen ermöglichen, dass ein einzelnes physisches Netz in der Software, in diesem Fall Eagle, in zwei logische Netze aufgeteilt wird. In allen drei oben genannten Fällen verbinden die SH-Teile die lokale Masse eines Schaltnetzteils mit der kartenweiten Masseebene.

Bei Schaltnetzteilen können erhebliche Ströme über die Erdung fließen, und diese Ströme können Hochfrequenzkomponenten aufweisen.

Ein Großteil dieses Stroms zirkuliert nur lokal. Indem die lokale Masse an nur einer Stelle als separates Netz mit der Hauptmasse verbunden wird, bleiben diese zirkulierenden Ströme in einem kleinen lokalen Netz und kreuzen nicht die Hauptmasseebene. Das kleine lokale Bodennetz strahlt weit weniger, und die Ströme verursachen keine Abweichungen im Hauptboden.

Schließlich muss Strom aus einer Stromversorgung fließen und über den Boden zurückkehren. Dieser Strom kann jedoch viel stärker gefiltert werden als die hochfrequenten internen Ströme eines Schaltnetzteils. Wenn es richtig gemacht wird, gelangt der Umschalter nur aufgrund seines Ausgangsstroms in die unmittelbare Nähe zu anderen Teilen des Gesamtstromkreises.

Sie möchten wirklich lokale Hochfrequenzströme von der Hauptmasseebene fernhalten. Dies vermeidet nicht nur die Massespannungs-Offsets, die diese Ströme verursachen können, sondern verhindert auch, dass die Hauptmasse eine Patch-Antenne wird. Glücklicherweise sind viele der fiesen Bodenströme auch lokal. Das heißt, sie können lokal gehalten werden, indem das lokale Erdungsnetz an nur einer Stelle mit der Haupterdung verbunden wird.

Gute Beispiele hierfür sind der Pfad zwischen der Erdungsseite einer Überbrückungskappe und dem Erdungsstift des IC, den sie überbrückt. Genau das wollen Sie nicht, wenn Sie über den Hauptboden rennen. Verbinden Sie die Erdungsseite einer Bypass-Kappe nicht einfach über eine Durchkontaktierung mit der Haupterdung. Verbinden Sie ihn über seine eigene Schiene oder lokale Masse wieder mit der IC-Masse und verbinden Sie ihn dann an einer Stelle mit der Haupterde.

Ich mache hauptsächlich kommerzielles und industrielles Marktmaterial mit geringem Volumen, daher kann dies anderswo anders sein.

Mindestens 75% eines typischen Schaltplans sind in der Regel Bausteine. "Ich benötige eine 5-V-Schiene bei 3A, 5% bei 15 V". Wenn Ti / Linear / Micrel verwendet werden, macht dies fast keinen Sinn Alle haben ein perfektes Design in ihren Datenblättern, es ist nur eine Frage der Auswahl (und die Wahl spielt normalerweise keine Rolle). Ich kann natürlich nach ersten Grundsätzen designen, aber dafür werde ich nicht bezahlt.

Gleiches gilt für viele andere Subsysteme.

Dann gibt es die Fälle "Es muss nur die richtige Größenordnung haben", Pull-up und Pull-down für cmos, Serienwiderstände für Anzeige-LEDs, solche Sachen. Meine übliche Praxis hier ist es, diese herauszufinden, bis ich sehe, welche Werte ich an den wenigen Stellen brauche, auf die es wirklich ankommt, und dann etwas von diesen Werten zu wählen, wenn es überhaupt möglich ist. "Power on LED, grün, 12V-Schiene? Ok, LED wird ein paar Volt mehr oder weniger abfallen, und ich möchte wahrscheinlich irgendwo im Bereich von 1 - 10mA oder so, also irgendwo in der K-Region wird alles in Ordnung sein, oh schau, ich brauchte einen 3k9 Widerstand für diesen Filter, einer von denen wird es schaffen ".

Der eigentliche Trick besteht darin, zu wissen, wann diese 'Finger in der Luft'-Vermutung es NICHT abschneidet. Normalerweise sind Dinge wie Filter, passende Netzwerke und Timing-Schaltkreise, PLL und andere Feedback-Dinge, die signifikante Phasenverschiebungen beinhalten, wahrscheinlich schlechte Orte zum Erraten. Orte wie diese, an denen Sie tatsächlich Ihre Mathematik lernen müssen (in der Regel erledigen Matlab / Scilab / Ads die Aufgabe, ohne sich tatsächlich an viele Standardtabellen von Integralen zu erinnern, die über den grundlegenden Trigger hinausgehen).

Es ist tatsächlich ziemlich selten (und sehr schön, wenn es passiert), an dem Ort zu landen, an dem die Elektronik auf die Physik und die Mathematik trifft. Sicher, es passiert, der Pfadverlust berechnet sich, das Rauschen berechnet sich, wenn man analog arbeitet, so etwas, aber das ist vielleicht 10% eines Designs, der Rest ist in der Regel Ausstecher Zeug.

Insbesondere bei Verwendung eines analogen ICs enthält das Datenblatt in der Regel einen oder mehrere Anwendungsschaltkreise. Zum Beispiel entwerfe ich gerade einen Qi-Empfänger für ein Projekt. Die Kondensatoren in der Induktionsschleife hängen von einer Reihe von Variablen ab, und das Datenblatt enthält einige Gleichungen zur Bestimmung ihrer Werte:

Es geht also nur darum, die Zahlen einzugeben, die Schaltung zu durchforsten und auszuprobieren.

Für das analoge Design führen wir die Berechnungen zum größten Teil durch. Bei einigen Dingen, wie Kopplung und Bypass / Filter-Kondensatoren, können wir einfach einen "typischen" Wert auswählen, da wir wissen, dass dies für die Anwendung funktionieren wird. Beachten Sie jedoch, dass "typisch" für Gleichstrom-, Audio- und Funkkreise unterschiedlich ist - dies ist etwas, mit dem wir vertraut sein müssen.

Für Bias- und Gain-Widerstände führen wir normalerweise die Berechnungen durch. Ich mache sie von Hand, da die Gleichungen einfach sind. Oft wollen wir eine "Verstärkung von ungefähr 10", also sind die Verhältnisse einfach genug, um in Ihrem Kopf zu tun, und die Werte (1K vs 1Meg) werden für die Art der Schaltung gewählt.

Die Genauigkeit von Ihrer Anwendung erforderlich ist , ist das, was bestimmt die Menge der Wiederverwendung, intuitiven Designs und / oder formaler Gestaltung , dass man verwenden würde. Jeweils ein Beispiel: Audioverstärker, rauscharmer Verstärker für das Fernsehen und extrem rauscharmer Verstärker für ein Radioteleskop. Es sollte klar sein, wie "formal / genau" Ihr Design sein sollte, abhängig davon, wie "kritisch" die Anwendung ist (sowie wie viel Zeit und Geld für das Design zur Verfügung steht).