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.
Respuestas:
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.
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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:
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).
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Convertido de comentario según lo solicitado, PERO esto es muy parecido a lo que otros dicen.
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
~ = 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, ...
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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.
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