低频模拟电路设计的有用心智模型?

电器工程 设计
2022-02-06 06:14:02

在学习电路分析和设计(摘自Tildon H. Glisson 的电路分析和设计导论)时,我突然想到,经验丰富的电路设计人员应该有一个更清晰的思维模型来设计他们设计的电路。

例如,数字逻辑电路可以借助真值表、卡诺图和其他几乎在算法上可实现的技术来设计。(除此之外还有一些设计问题,例如非理想的信号/时钟传播,但可以解决这些问题)。

问题是,在给定输入/输出条件和其他可能的限制条件下,是否有表达工具可以帮助创建低频模拟电路?它是一种艺术,还是需要记住有用的构建块并对齐这些块以获得结果?我说的不是模拟软件,而是人类心智模型,压缩了最重要的知识体系,作为该领域的有效探路者。

我什至不确定它是否可以解释(例如,如果有人问我如何编程软件,我很难解释一般如何编程),所以我将我的问题缩小到低频模拟电路,这或多或少归结为电阻电路和相关来源(我在这里吗?)。(但我想,瞬态本身就是一个挑战,也许相同的思维导图也有助于在频域中进行设计)。

我希望这个问题不会显得过于宽泛或模糊。我相信,如果有答案,它们可能像卡诺图一样具体,或者在描述中包含 4-6 个句子。

4个回答

模拟设计的关键是真正了解可用的构建块(晶体管、运算放大器等)的作用。剩下的就是一个创造性的思维过程,想出一种连接构建块的方法,从而形成一个实现其目标的电路。经验有助于加快这一进程,但它本身并不能实现这一点。

基本问题是解空间非常非常大。除了最微不足道的问题之外,有许多不同的电路可以实现任何目标。换句话说,模拟设计中没有单一的正确答案。

良好的模拟设计不是通过将数据插入一组公式来完成的。是的,你做一些算术来确定零件值等。真正的设计部分不是回答这些问题,而是创造性地决定首先要问什么问题。我不知道任何与组合数字逻辑的 K-maps 等效的模拟设计辅助工具。

我认为模拟设计必不可少的一件事是能够真正可视化电路在做什么。这不仅仅是像在家庭作业中那样通过原理图计算电压和电流。这在很多时候只是蛮力,不是我在说的。您必须能够查看原理图或以其他方式思考电路,并在脑海中看到电压推动和电流流动。您必须能够可视化这些变化如何在组件上起作用,然后导致其他地方发生变化等。

我不知道怎么教这个。根据我的经验,那些可以进行模拟设计的人在很小的时候就开始学习电压推动和电流流动,通常是在小学后期。他们只是“得到”它,可能是因为在足够早的时候接触了足够多的病例,所以这现在是他们直觉的一部分。另一个因素可能是那些真正对电子产品感兴趣的人会在很小的时候就深入研究它,所以那些不感兴趣的人可能没有真正的热情。

你可以教给别人你想要的所有理论,但如果你从大学开始,想要获得真正模拟电路设计所需的直观感觉可能为时已晚。我记得大学里的一些学生可以做所有的问题,取得好成绩,但如果没有大量的死记硬背并且通常主要是复制现有设计,他们仍然无法设计电路。我并不是说查看甚至复制现有设计一定是一个坏主意,但没有直觉和感受电压和查看电流的能力,这就是你所坚持的。

学习理论是重要且必要的,经验可以帮助您更快地找到一个好的解决方案并避免一些陷阱,但这些并不是让一个好的模拟设计师成为一个好的模拟设计师的原因。你需要感受到力量,卢克才能成为真正的绝地武士。

首先让我说,您对工程师在设计数字电路时绘制卡诺图或真值表的看法有点……过时了。

今天,任何大于几十个门的数字设计都使用硬件描述语言来描述 - 一种描述整体功能的高级语言,而不是逻辑门的确切实现(当然也有例外)。真值表、卡诺图、各种优化算法等留给自动综合工具处理。

即使是用 HDL 编写的数字设计也不是“直截了当”的——工程师总是有很多选择,每一种都有其优点、缺点和缺陷。编写一个好的、可靠的、可读的和可重用的 HDL 需要大量的经验和思考。

模拟设计中的事情要复杂得多:

  • 任何模拟组件背后都有比本科和研究生课程更复杂的理论。
  • 组件以各种方式交互。
  • 每个组件的参数数量从几个到数百不等。
  • 电路的复杂性总是存在一些随机性
  • 还有很多

我远非模拟设计专家,但我想你的问题的答案是否定的 - 没有简单的模式/公式/想法即使对于低频设计也总是有效(低频可以是高/低功率、高公差、机械强度大等)。

在工作中,我看到在数字设计团队工作的年轻工程师甚至是更年轻的程序员,但任何模拟设计团队的核心都是少数“老橡树”——拥有丰富经验的人,这些经验是光读书无法获得的。我认为这种年龄差异是对我的陈述的最好证明——没有什么能与模拟设计经验相提并论。

说了这么多,我不想让任何人觉得读书无助于理解模拟电子学,但必须明白,塞德拉和史密斯所说的所有美丽的理论都非常简化。我喜欢Analog SEEKrets的书(网站上有免费的 PDF 版本)——它是为了填补理论与现实世界组件和应用程序之间的空白而编写的。虽然它不是一本入门级的书。


然而,有一个模拟设计领域几乎可以获得数学精度:模拟滤波器的设计。有许多工具可以根据工程师提供的规范生成完整的设计。但这是一个例外(我知道的唯一一个)。

根据要求从评论转换 - 但这与其他人所说的大致相同。

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

艺术和感觉是其中的重要组成部分。
部分(仅)称职的食品厨师是一个很好的比喻。

  • 他们不“只是记住”食谱,但他们知道很多。

  • 他们不会“对齐”与某个主题相关的不同食谱中的部分——而是他们查看食谱并理解它们为什么会这样工作,它们如何与其他食谱或组合进行交互,并且它们结合了“点点滴滴”,因为它们也许是无意识地“在他们的脑海里做饭”。

模拟设计通常没有烹饪那么复杂,因为互动比食物更容易定义和理解。有“规则”和“技巧”,它们实际上只是简化为简写的“物理定律”。

例如,几乎没有人知道或接受:-)

  • 单个双极晶体管级的最大增益为
    ~= 38.4 x 负载电阻两端的直流稳态电压。

这是因为增益 = R_collector cct / R_emitter 电路 (= Rl/Re)
并且对于晶体管的完全旁路发射极电阻
Re = Rbe,这与 转换为 ~ 26_Ohms/emitter_mA 即 13
的 be 结的动态电阻有关2 mA 时的欧姆或 0.5 mA 时的 52 欧姆。

将这些数字插入并稍微挠头,您会看到
最大增益 = 1000/26 x Vload = 38.4 x Vload。

这个断言构成了深奥魔法的一部分,以及对这个建议的恐惧的不那么开始的嚎叫:-)。等等。随着时间的推移,您会对频率响应、噪音水平、...

K-map 是对您想要什么或某物在逻辑上的陈述。它并不意味着电路逻辑设计。为此,您需要技能和其他信息,例如信号速度和逻辑所需的电压电平。

同样,波特图不会带您进行电路设计,但技能可以帮助您根据速度要求和可能必须处理的电压水平选择正确的运算放大器。