Nützliche mentale Modelle für das Design von niederfrequenten analogen Schaltungen?

Während ich Schaltungsanalyse und -design lernte (aus Einführung in Schaltungsanalyse und -design von Tildon H. Glisson ), kam mir der Gedanke, dass erfahrene Schaltungsentwickler ein viel klareres mentales Modell haben sollten, um von ihnen entworfene Schaltungen zu entwickeln.

Beispielsweise kann eine digitale Logikschaltung mit Hilfe von Wahrheitstabellen, Karnaugh-Karten und anderen fast algorithmisch implementierbaren Techniken entworfen werden. (Darüber hinaus gibt es einige Designprobleme, wie z. B. eine nicht ideale Signal- / Taktausbreitung, die jedoch behoben werden könnten.)

Die Frage ist, gibt es ausdrucksstarke Werkzeuge, die bei der Erstellung von niederfrequenten analogen Schaltkreisen unter Eingangs- / Ausgangsbedingungen und anderen möglichen Einschränkungen helfen? Ist es eine Art Kunst oder muss man sich nützliche Bausteine ​​merken und diese einfach ausrichten, um das Ergebnis zu erhalten? Ich spreche nicht von Simulationssoftware, sondern von menschlichen mentalen Modellen, die den wichtigsten Wissensbestand komprimieren und als effektiver Wegbereiter im Bereich dienen.

Ich bin mir nicht einmal sicher, ob es überhaupt erklärbar ist (wenn mich zum Beispiel jemand gefragt hat, wie man Software programmiert, fällt es mir schwer, das Programmieren im Allgemeinen zu erklären ), habe ich meine Frage auf niederfrequente analoge Schaltkreise beschränkt, die mehr oder weniger auf Widerstandsschaltungen und abhängige Quellen hinauslaufen (bin ich hier richtig?). (aber ich denke, Transienten sind eine Herausforderung für sich, und vielleicht helfen dieselben mentalen Karten auch beim Entwerfen im Frequenzbereich).

Ich hoffe, diese Frage erscheint nicht zu weit gefasst oder vage. Ich glaube, wenn es Antworten gibt, könnten sie so konkret sein wie Karnaugh-Karten oder 4-6 Sätze in ihrer Beschreibung haben.

Der Schlüssel zum analogen Design ist das wahre Verständnis der verfügbaren Bausteine ​​(Transistoren, Operationsverstärker usw.). Der Rest ist ein kreativer Denkprozess, bei dem die Bausteine ​​miteinander verbunden werden, um eine Schaltung zu erhalten, die ihre Ziele erreicht. Erfahrung hilft, dies zu beschleunigen, ermöglicht es jedoch nicht.

Das Grundproblem ist, dass der Lösungsraum sehr sehr groß ist. Es gibt viele verschiedene Schaltkreise, die eine Reihe von Zielen für alles andere als die trivialsten Probleme erreichen können. Anders ausgedrückt, es gibt keine einzige richtige Antwort im analogen Design.

Gutes analoges Design wird nicht durch Einfügen von Daten in eine Reihe von Formeln erreicht. Ja, Sie rechnen, um Teilewerte und dergleichen zu bestimmen. Der eigentliche Designteil besteht nicht darin, diese Fragen zu beantworten, sondern kreativ zu entscheiden, welche Fragen überhaupt gestellt werden sollen. Ich kenne keine analogen Designhilfen, die K-Maps für die kombinatorische digitale Logik entsprechen.

Eine Sache, die meiner Meinung nach für das analoge Design unerlässlich ist, ist es, wirklich visualisieren zu können, was eine Schaltung tut. Dies ist viel mehr als die Möglichkeit, einen Schaltplan durchzugehen und Spannungen und Ströme zu berechnen, wie Sie es bei Hausaufgaben tun. Das ist meistens nur rohe Gewalt und ist nicht das, wovon ich spreche. Sie müssen in der Lage sein, einen Schaltplan zu betrachten oder auf andere Weise an eine Schaltung zu denken und mental zu sehen, wie die Spannungen drücken und die Ströme fließen. Sie müssen in der Lage sein zu visualisieren, wie Änderungen in diesen auf die Komponenten wirken, die dann Änderungen an anderer Stelle usw. verursachen.

Ich weiß nicht, wie ich das lehren soll. Nach meiner Erfahrung lernten diejenigen, die analoges Design können, schon in jungen Jahren etwas über das Drücken von Spannungen und das Fließen von Strömen, normalerweise in der späten Grundschule. Sie "verstehen" es einfach, wahrscheinlich weil sie früh genug genug Fällen ausgesetzt waren, so dass dies nun Teil ihrer Intuition ist. Ein weiterer Faktor könnte sein, dass diejenigen, die sich wirklich für Elektronik interessieren, sich schon in jungen Jahren damit beschäftigen werden, also diejenigen, die es nicht sind, ohne die wahre Leidenschaft.

Sie können jemandem die Theorie beibringen, die Sie wollen, aber es kann zu spät sein, um das intuitive Gefühl zu bekommen, das für ein echtes analoges Schaltungsdesign erforderlich ist, wenn Sie am College anfangen. Ich erinnere mich an eine Reihe von Studenten im College, die alle Probleme lösen konnten, gute Noten bekamen, aber trotzdem keine Schaltkreise entwerfen konnten, ohne viel zu drehen und normalerweise vorhandene Designs zu kopieren. Ich sage nicht, dass es eine schlechte Idee ist, vorhandene Designs zu betrachten und sogar zu kopieren, aber ohne die Intuition und die Fähigkeit, die Spannungen zu fühlen und die Ströme zu sehen, ist das alles, woran man festhält.

Das Anlehnen an die Theorie ist wichtig und notwendig, und Erfahrung hilft Ihnen, schneller zu einer guten Lösung zu gelangen und einige Fehler zu vermeiden, aber dies macht einen guten Analogdesigner nicht zu einem guten Analogdesigner. Du musst die Kraft spüren, Luke , um ein wahrer Jedi zu sein.

Lassen Sie mich zunächst sagen, dass Ihre Vision eines Ingenieurs, der beim Entwurf einer digitalen Schaltung Karnaugh-Karten oder Wahrheitstabellen zeichnet, etwas ... veraltet ist.

Heutzutage wird jedes digitale Design, das mehr als einige zehn Gatter umfasst, mithilfe der Hardwarebeschreibungssprache beschrieben - einer Hochsprache, die die Gesamtfunktionalität und nicht die genaue Implementierung in Bezug auf Logikgatter beschreibt (es gibt natürlich Ausnahmen). Wahrheitstabellen, Karnaugh-Karten, verschiedene Optimierungsalgorithmen usw. bleiben den automatischen Synthesewerkzeugen zur Verfügung.

Selbst in HDLs geschriebene digitale Designs sind nicht "einfach" - ein Ingenieur hat immer viele Alternativen, von denen jede ihre Vor- und Nachteile und Fallstricke hat. Es erfordert viel Erfahrung und Denken, um eine gute, zuverlässige, lesbare und wiederverwendbare HDL zu schreiben.

Bei analogen Designs sind die Dinge viel komplexer:

• Hinter jeder analogen Komponente steckt eine komplexere Theorie als in Grund- und Abschlussklassen.
• Die Komponenten interagieren auf verschiedene Arten.
• Die Anzahl der Parameter für jede Komponente reicht von wenigen bis zu Hunderten.
• Mit der Komplexität der Schaltungen ist immer ein bisschen Zufälligkeit verbunden
• Viel mehr

Ich bin weit davon entfernt, ein Experte für analoges Design zu sein, aber ich denke, die Antwort auf Ihre Frage ist negativ - es gibt keine einfachen Muster / Formeln / Ideen, die auch für niederfrequentes Design immer funktionieren (Niederfrequenz kann hohe / niedrige Leistung sein , hohe Toleranz, mechanisch stark usw.).

Bei der Arbeit sehe ich junge Ingenieure, die in digitalen Designgruppen arbeiten, und sogar jüngere Programmierer, aber das Herz eines jeden analogen Designteams sind wenige "alte Eichen" - Menschen mit enormer Erfahrung, die man nicht nur durch das Lesen von Büchern erreichen kann. Ich denke, dass diese Altersdiskrepanz der beste Beweis für meine Aussage ist - nichts ist vergleichbar mit der Erfahrung im analogen Design.

Abgesehen davon möchte ich nicht, dass jemand den Eindruck bekommt, dass das Lesen von Büchern nicht dazu beitragen kann, analoge Elektronik zu verstehen, aber man muss verstehen, dass all die schönen Theorien, die in Sedra & Smith entwickelt wurden, sehr vereinfacht sind. Ich mag das analoge SEEKrets- Buch (es gibt eine kostenlose PDF-Version auf der Website) - es wurde geschrieben, um die Lücke zwischen Theorien und realen Komponenten und Anwendungen zu schließen. Es ist jedoch kein Einführungsbuch.

Es gibt jedoch einen Bereich des analogen Entwurfs, in dem nahezu mathematische Präzision erzielt werden kann: den Entwurf von analogen Filtern. Es gibt viele Werkzeuge, mit denen vollständige Entwürfe basierend auf den von einem Ingenieur bereitgestellten Spezifikationen erstellt werden können. Dies ist jedoch eine Ausnahme (die einzige, die ich kenne).

Vom Kommentar wie gewünscht konvertiert - ABER das ist fast das gleiche wie andere sagen.

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

Kunst und Gefühl sind ein wesentlicher Teil davon.
Zum Teil (nur) ist ein kompetenter Lebensmittelkoch eine gute Metapher.

• Sie merken sich nicht nur Rezepte, sondern kennen viele.

• Sie "richten" Teile aus verschiedenen Rezepten, die sich auf ein Thema beziehen, nicht aus, sondern betrachten Rezepte und verstehen, warum sie so funktionieren, wie sie mit anderen Rezepten oder Kombinationen interagieren können, und sie kombinieren "Kleinigkeiten", weil sie kochen vielleicht unbewusst im Kopf.

Analoges Design ist normalerweise WENIGER komplex als Kochen, da die Wechselwirkungen besser definiert und verstanden werden als in Lebensmitteln. Es gibt "Regeln" und "Tricks", die eigentlich nur "Gesetze der Physik" sind, die auf Kurzform reduziert sind.

zB fast niemand weiß oder akzeptiert :-) das

• Die maximale Verstärkung einer einzelnen Bipolartransistorstufe beträgt
  ~ = 38,4 x Gleichspannung im eingeschwungenen Zustand über dem Lastwiderstand.

Dies liegt daran, dass die Verstärkung = R_Kollektor cct / R_emitter-Schaltung (= Rl / Re)
und für einen vollständig umgangenen Emitterwiderstand
Re = Rbe des Transistors
und dies mit dem dynamischen Widerstand des be-Übergangs verbunden ist,
der sich in ~ 26_Ohm / emitter_mA,
dh 13, übersetzt Ohm bei 2 mA oder 52 Ohm bei 0,5 mA.

Stecken Sie diese Zahlen ein und kratzen Sie sich ein wenig am Kopf. Sie sehen, dass
die maximale Verstärkung = 1000/26 x Vload = 38,4 x Vload ist.

Diese Behauptung ist Teil der tiefen Magie und des weniger eingeweihten Heulens vor Entsetzen über den Vorschlag :-). Und so weiter. Mit der Zeit bekommen Sie ein Gefühl für Frequenzgang, Geräuschpegel, ...

Eine K-Map ist eine Aussage darüber, was Sie wollen oder was etwas logisch ist. Dies impliziert kein Schaltungslogikdesign. Dazu benötigen Sie Kenntnisse und andere Informationen wie die Signalgeschwindigkeit und die erforderlichen Spannungspegel der Logik.

In ähnlicher Weise führt Sie ein Bode-Plot nicht zu einem Schaltungsdesign, aber Ihre Fähigkeiten helfen Ihnen bei der Auswahl der richtigen Operationsverstärker, basierend auf den Geschwindigkeitsanforderungen und den Spannungspegeln, mit denen Sie möglicherweise umgehen müssen.