Model mental yang berguna untuk desain sirkuit analog frekuensi rendah?

Sambil belajar analisis dan desain sirkuit (dari Pengantar Analisis dan Desain Sirkuit oleh Tildon H. Glisson ), saya mendapati diri saya dengan pemikiran bahwa desainer sirkuit yang berpengalaman harus memiliki model mental yang jauh lebih jelas untuk menghasilkan sirkuit yang mereka desain.

Misalnya, rangkaian logika digital dapat dirancang dengan bantuan tabel kebenaran, peta Karnaugh dan teknik lain yang hampir dapat diimplementasikan secara algoritmik. (Ada beberapa masalah desain di luar itu, seperti propagasi sinyal / jam yang tidak ideal, tetapi itu bisa diatasi).

Pertanyaannya adalah, adakah alat yang ekspresif, yang membantu menciptakan sirkuit analog frekuensi rendah yang diberikan kondisi input / output dan kendala lainnya yang mungkin? Apakah ini semacam karya seni, atau apakah diharuskan untuk menghafal balok bangunan yang berguna dan hanya menyelaraskan balok-balok itu untuk mendapatkan hasilnya? Saya tidak berbicara tentang perangkat lunak simulasi, tetapi model mental manusia, mengkompres tubuh pengetahuan paling penting yang berfungsi sebagai pathfinder yang efektif di dunia.

Saya bahkan tidak yakin apakah itu dapat dijelaskan sama sekali (misalnya, jika seseorang bertanya kepada saya bagaimana memprogram perangkat lunak, saya akan kesulitan menjelaskan bagaimana memprogram secara umum ), jadi saya mempersempit pertanyaan saya ke sirkuit analog frekuensi rendah, yang kurang lebih mendidih ke sirkuit resistif dan sumber dependen (apakah saya di sini?). (tapi saya kira, transien adalah tantangan tersendiri, dan mungkin peta mental yang sama membantu mendesain dalam domain frekuensi juga).

Saya harap pertanyaan ini tidak tampak terlalu luas atau tidak jelas. Saya percaya, jika ada jawaban, mereka bisa sekonkret Karnaugh memetakan atau memiliki 4-6 kalimat dalam deskripsi mereka.

Kunci dari desain analog adalah pemahaman yang benar tentang apa yang dilakukan oleh blok bangunan (transistor, opamps, dll). Sisanya adalah proses pemikiran kreatif untuk menghasilkan cara menghubungkan blok bangunan untuk menghasilkan sirkuit yang mencapai tujuannya. Pengalaman membantu mempercepat ini, tetapi dengan sendirinya tidak memungkinkannya.

Masalah mendasarnya adalah ruang solusinya sangat besar. Ada banyak sirkuit berbeda yang dapat mencapai serangkaian tujuan untuk apa pun kecuali masalah yang paling sepele. Dengan kata lain, tidak ada jawaban yang benar dalam desain analog.

Desain analog yang baik tidak dilakukan dengan memasukkan data ke dalam kumpulan formula. Ya, Anda melakukan aritmatika untuk menentukan nilai bagian dan sejenisnya. Bagian desain yang sebenarnya bukanlah menjawab pertanyaan-pertanyaan itu tetapi menjadi kreatif dalam memutuskan pertanyaan apa yang akan ditanyakan sejak awal. Saya tidak tahu adanya alat bantu desain analog yang setara dengan K-maps untuk logika digital kombinasi.

Satu hal yang saya percaya sangat penting untuk desain analog adalah untuk dapat benar-benar memvisualisasikan apa yang dilakukan sirkuit. Ini jauh lebih dari sekadar bisa melalui skema dan menghitung voltase dan arus seperti yang Anda lakukan dalam tugas pekerjaan rumah. Itu hanya kekuatan kasar sebagian besar waktu, dan bukan itu yang saya bicarakan. Anda harus dapat melihat skema atau berpikir tentang rangkaian dan secara mental melihat tegangan mendorong dan arus mengalir. Anda harus dapat memvisualisasikan bagaimana perubahan ini bekerja pada komponen, yang kemudian menyebabkan perubahan di tempat lain, dll.

Saya tidak tahu cara mengajar ini. Dalam pengalaman saya, mereka yang dapat melakukan desain analog mulai belajar tentang tegangan yang mendorong dan arus yang mengalir pada usia dini, biasanya oleh sekolah dasar. Mereka hanya "mendapatkannya", mungkin karena terpapar cukup banyak kasus pada usia yang cukup dini sehingga ini sekarang menjadi bagian dari intuisi mereka. Faktor lain mungkin bahwa mereka yang benar-benar tertarik dengan elektronik akan menggali ke dalamnya pada usia dini, sehingga mereka yang tidak tertarik adalah mereka yang tidak memiliki hasrat sejati.

Anda dapat mengajar seseorang semua teori yang Anda inginkan, tetapi mungkin sudah terlambat untuk mendapatkan perasaan intuitif yang diperlukan untuk desain sirkuit analog nyata jika Anda mulai kuliah. Saya ingat sejumlah mahasiswa di perguruan tinggi yang bisa melakukan semua masalah, mendapat nilai bagus, tetapi masih tidak bisa mendesain sirkuit tanpa banyak hafalan dan biasanya sebagian besar menyalin desain yang sudah ada. Saya tidak mengatakan bahwa melihat dan bahkan menyalin desain yang sudah ada tentu merupakan ide yang buruk, tetapi tanpa intuisi dan kemampuan untuk merasakan voltase dan melihat arus yang Anda terjebak.

Miringkan teori itu penting dan perlu, dan pengalaman membantu Anda mendapatkan solusi yang baik lebih cepat dan menghindari beberapa kelemahan, tetapi ini bukan apa yang membuat perancang analog yang baik menjadi perancang analog yang baik. Anda perlu merasakan kekuatan, Luke menjadi Jedi sejati.

Mari saya mulai dengan mengatakan bahwa visi Anda tentang seorang insinyur menggambar peta Karnaugh atau tabel kebenaran ketika merancang sirkuit digital sedikit ... ketinggalan jaman.

Saat ini, setiap desain digital yang lebih dari beberapa puluh gerbang dijelaskan menggunakan Bahasa Deskripsi Perangkat Keras - bahasa tingkat tinggi yang menggambarkan fungsionalitas keseluruhan, bukan implementasi yang tepat dalam hal gerbang logika (tentu saja ada pengecualian, tentu saja). Tabel kebenaran, peta Karnaugh, berbagai algoritme pengoptimalan, dll., Dibiarkan ditangani oleh Alat Sintesis otomatis.

Bahkan desain digital yang ditulis dalam HDL tidak "langsung" - seorang insinyur selalu memiliki banyak alternatif, masing-masing memiliki kelebihan, kekurangan dan perangkap. Dibutuhkan banyak pengalaman dan pemikiran untuk menulis HDL yang baik, andal, dapat dibaca, dan dapat digunakan kembali.

Hal-hal yang jauh lebih kompleks dalam desain analog:

• Ada teori yang lebih kompleks di balik komponen analog daripada yang diajarkan di kelas sarjana dan pascasarjana.
• Komponen berinteraksi dalam berbagai mode.
• Jumlah parameter untuk setiap komponen berkisar dari beberapa hingga ratusan.
• Selalu ada sedikit keacakan terkait dengan kompleksitas sirkuit
• Masih banyak lagi

Saya jauh dari menjadi ahli dalam desain analog, tapi saya kira jawaban untuk pertanyaan Anda negatif - tidak ada pola / formula / ide sederhana yang akan selalu bekerja bahkan untuk desain frekuensi rendah (frekuensi rendah bisa tinggi / daya rendah , toleransi tinggi, kuat secara mekanis, dll.).

Di tempat kerja saya melihat insinyur muda bekerja dalam kelompok desain digital dan bahkan programmer yang lebih muda, tetapi inti dari tim desain analog adalah beberapa "pohon ek tua" - orang dengan pengalaman luar biasa yang tidak dapat diperoleh hanya dengan membaca buku. Saya pikir perbedaan usia ini adalah bukti terbaik untuk pernyataan saya - tidak ada yang sebanding dengan pengalaman dalam desain analog.

Mengatakan semua itu, saya tidak ingin ada orang yang mendapat kesan bahwa membaca buku tidak dapat membantu dalam memahami elektronik analog, tetapi orang harus memahami bahwa semua teori indah yang dikembangkan, kata Sedra & Smith, sangat disederhanakan. Saya suka buku Analog SEEKrets (ada versi PDF gratis di situs) - ditulis untuk mengisi celah antara teori dan komponen dan aplikasi dunia nyata. Ini bukan buku tingkat pengantar.

Namun, ada satu bidang desain analog di mana presisi matematika hampir dapat diperoleh: desain filter analog. Ada banyak alat yang dapat menghasilkan desain lengkap berdasarkan spesifikasi yang disediakan insinyur. Tapi ini pengecualian (satu-satunya yang saya tahu).

Dikonversi dari komentar seperti yang diminta - TETAPI ini hampir sama dengan yang dikatakan orang lain.

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

Seni dan rasa adalah bagian penting darinya.
Pada bagian (hanya) juru masak makanan yang kompeten adalah metafora yang baik.

• Mereka tidak "hanya menghafal" resep tetapi mereka tahu banyak.

• Mereka tidak "menyelaraskan" bagian-bagian dari resep berbeda yang berkaitan dengan suatu subjek - melainkan mereka melihat resep dan memahami mengapa mereka bekerja seperti apa adanya, bagaimana mereka dapat berinteraksi dengan resep atau kombinasi lain dan mereka menggabungkan 'sedikit demi sedikit' karena mereka mungkin tanpa sadar 'memasak di kepala mereka'.

Desain analog biasanya kurang kompleks daripada memasak karena interaksinya lebih baik didefinisikan dan dipahami daripada dalam makanan. Ada "aturan" dan "trik" yang sebenarnya hanya 'hukum fisika' yang direduksi menjadi steno.

mis. hampir tidak ada yang tahu atau menerima :-) itu

• gain maksimum dari tahap transistor bipolar tunggal adalah
  ~ = 38,4 x tegangan steady state DC pada resistor beban.

Ini karena gain = R_collector cct / R_emitter circuit (= Rl / Re)
dan untuk resistor emitor yang sepenuhnya bypass
Re = Rbe dari transistor
dan ini terkait dengan resistensi dinamis dari persimpangan
yang diterjemahkan menjadi ~ 26_Ohms / emitter_mA
yaitu 13 Ohm pada 2 mA atau 52 Ohm pada 0,5 mA.

Masukkan angka-angka itu dan
gosok sedikit kepala Anda dan Anda melihat bahwa mendapatkan max = 1000/26 x Vload = 38,4 x Vload.

Penegasan ini merupakan bagian dari sihir yang dalam dan lolongan ngeri yang kurang diresmikan atas saran :-). Dan seterusnya. Dengan waktu Anda merasakan respons frekuensi, tingkat kebisingan, ...

K-map adalah pernyataan tentang apa yang Anda inginkan atau sesuatu yang secara logis. Itu tidak menyiratkan desain logika sirkuit. Untuk melakukan ini, Anda memerlukan keterampilan dan informasi lain seperti kecepatan sinyal dan level tegangan logika yang diperlukan.

Demikian pula pertanda-pertanda tidak membawa Anda ke desain sirkuit, tetapi keterampilan membantu Anda memilih op-mps yang benar berdasarkan persyaratan kecepatan dan level tegangan apa yang mungkin harus Anda tangani.