¿Modelos mentales útiles para el diseño de circuitos analógicos de baja frecuencia?

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Mientras aprende análisis y diseño de circuitos (de Introducción al análisis de circuitos y Diseñado por Tildon H. Glisson , me di cuenta de que los diseñadores de circuitos experimentados deberían tener un modelo mental mucho más claro para crear los circuitos que diseñan.

Por ejemplo, el circuito lógico digital puede diseñarse con la ayuda de tablas de verdad, mapas de Karnaugh y otras técnicas implementables de forma casi algorítmica. (Hay algunos problemas de diseño más allá de eso, como la propagación de señal / reloj no ideal, pero podrían tratarse).

La pregunta es, ¿hay 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 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, que comprimen el cuerpo de conocimiento más importante que sirve como un buscador efectivo en el reino.

Ni siquiera estoy seguro de que se pueda explicar en absoluto (por ejemplo, si alguien me preguntara cómo programar el software, me costaría mucho explicar cómo programar en general ), por lo que me acoté. Mi pregunta a los circuitos analógicos de baja frecuencia, que más o menos se reducen a circuitos resistivos y fuentes dependientes (¿Estoy aquí?). (pero supongo que los transitorios son un desafío en sí mismos, y quizás los mismos mapas mentales también ayudan a diseñar en el dominio de la frecuencia).

Espero que esta pregunta no aparezca como demasiado amplia o vaga. Creo que, si hay respuestas, podrían ser tan concretas como los mapas de Karnaugh o tener 4-6 oraciones en su descripción.

    
pregunta Roman Susi

4 respuestas

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La clave del diseño analógico es la comprensión verdadera de lo que hacen los bloques de construcción disponibles (transistores, opamps, etc.). El resto es un proceso de pensamiento creativo para idear una manera de conectar los componentes básicos para obtener un circuito que alcance sus objetivos. La experiencia ayuda a acelerar esto, pero por sí misma no lo habilita.

El problema básico es que el espacio de la solución es 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 hay una única respuesta correcta en el diseño analógico.

El buen diseño analógico no se realiza al insertar datos en 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 a esas preguntas, sino ser creativo para decidir qué preguntas hacer en primer lugar. No conozco ninguna ayuda de diseño analógico equivalente a K-maps para lógica digital combinatoria.

Una cosa que creo que es imperativo para el diseño analógico es poder visualizar verdaderamente lo que hace un circuito. Esto es mucho más que poder pasar por un esquema y calcular voltajes y corrientes como lo hace en las tareas. Eso es solo fuerza bruta la mayor parte del tiempo, y no es de lo que estoy hablando. Tienes que ser capaz de mirar un esquema o pensar en un circuito y, mentalmente, ver los voltajes que empujan y las corrientes que fluyen. Debe poder visualizar cómo funcionan los cambios en estos componentes en los componentes, que luego provocan cambios en otros lugares, etc.

No sé cómo enseñar esto. En mi experiencia, aquellos que pueden hacer diseño analógico comenzaron a aprender sobre voltajes y corrientes que fluyen a una edad temprana, generalmente en la escuela de último grado. Simplemente lo "entienden", probablemente por estar expuestos a suficientes casos a una edad lo suficientemente temprana para que esto sea ahora parte de su intuición. Otro factor puede ser que aquellos que están realmente interesados en la electrónica se adentrarán en ella a una edad temprana, por lo que aquellos que no lo son son los que no tienen la verdadera pasión.

Puedes enseñarle a alguien toda la teoría que quieras, pero puede que sea demasiado tarde para obtener el sentimiento intuitivo que se requiere para un diseño de circuito analógico real si comienzas en la universidad. Recuerdo a un número de estudiantes en la universidad que podían hacer todos los problemas, obtener buenas calificaciones, pero aún así no podían diseñar circuitos sin muchas maniobras de rutina y generalmente, en su mayoría, copiar diseños existentes. No estoy diciendo que mirar e incluso copiar los 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.

Apoyarse en la teoría es importante y necesario, y la experiencia te ayuda a encontrar una buena solución más rápido y evitar algunos errores, pero esto no es lo que hace que un buen diseñador analógico sea un buen diseñador analógico. Debes sentir la fuerza, Luke para ser un verdadero Jedi.

    
respondido por el Olin Lathrop
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Permítanme comenzar diciendo que su visión de un ingeniero dibujando mapas de Karnaugh o tablas de verdad al diseñar un circuito digital es un poco ... obsoleta.

Hoy en día, cualquier diseño digital que supere unas pocas decenas de puertas se describe con 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 lo manejen.

Incluso los diseños digitales escritos en HDL no son "directos": 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:

  • Hay una teoría más compleja detrás de cualquier componente analógico que la que se enseña en las clases de licenciatura y posgrado.
  • Los componentes interactúan de varias maneras.
  • El número de parámetros para cada componente varía de unos pocos a cientos.
  • Siempre hay un poco de aleatoriedad asociada con la complejidad de los circuitos
  • Muchos más

Estoy lejos de ser un experto en diseño analógico, pero creo que la respuesta a su pregunta es negativa: no hay patrones / fórmulas / ideas sencillas que siempre funcionarán incluso para el diseño de baja frecuencia (la baja frecuencia puede ser alta / baja potencia, alta tolerancia, mecánicamente fuerte, etc.).

En el trabajo, veo a jóvenes ingenieros trabajando en grupos de diseño digital e incluso a programadores más jóvenes, pero el corazón de cualquier equipo de diseño analógico son algunos "viejos robles": personas con una experiencia tremenda que no pueden obtenerse 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 hermosas teorías desarrolladas en, dicen Sedra & Smith, están muy simplificadas. Me gusta el libro SEEKrets analógicos (hay una versión PDF gratuita 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.

Hay, sin embargo, un área de diseño analógico donde se puede obtener una precisión casi matemática: 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).

    
respondido por el Vasiliy
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Se convirtió del comentario tal como se solicitó, PERO esto es muy parecido a lo que otros dicen.

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

El arte y el sentimiento son una parte importante de ello.
En parte (solo) un cocinero competente de alimentos es una buena metáfora.

  • No "simplemente memorizan" las 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 se combinan ' trozos y piezas 'porque quizás están inconscientemente' cocinando en su cabeza '.

El diseño analógico suele ser MENOS complejo que cocinar, ya que las interacciones se definen y comprenden mejor que en los alimentos. Hay "reglas" y "trucos" que en realidad son simplemente "leyes de la física" reducidas a taquigrafía.

por ejemplo, casi nadie sabe o acepta :-) que

  • la ganancia máxima de una sola etapa de transistor bipolar es
    ~ = 38.4 x DC voltaje de estado estable a través de la resistencia de carga.

Esto se debe a que gain = R_collector cct / R_emitter circuit (= Rl / Re)
y para una resistencia de emisor completamente desviada
Re = Rbe del transistor
y esto está vinculado a la resistencia dinámica de la unión.
que se traduce en ~ 26_Ohms / emitter_mA
es decir, 13 ohmios a 2 mA o 52 ohmios a 0,5 mA.

Conecta esas figuras y rasca un poco tu cabeza y verás que
ganancia máx = 1000/26 x Vload = 38.4 x Vload.

Esta afirmación forma parte de la magia profunda y el aullido menos inaugurado con horror ante la sugerencia :-). Etcétera. Con el tiempo, tendrá una idea de la respuesta de frecuencia, los niveles de ruido, ...

    
respondido por el Russell McMahon
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Un K-map es una declaración de lo que quieres o 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.

De manera similar, un diagrama de Bode no te lleva a un diseño de circuito, pero la habilidad te ayuda a elegir los op-mps correctos según los requisitos de velocidad y los niveles de voltaje con los que deberías lidiar.

    
respondido por el Andy aka

Lea otras preguntas en las etiquetas

Ayuda con la protección de pérdida de energía usando un condensador ___ transistor qstnhdr ___ como diodo de baja fuga ______ qstntxt ___

Encontré esta aplicación en hoja de datos OP77 de AD:

Alparecer,(ab)utilizanun 2N930 la unión B-C del transistor como un diodo de baja fuga. ¿Hay alguna razón por la que elegiría un transistor sobre un diodo real de baja fuga para esto?

    
______ answer17199 ___

La razón es un tiempo de recuperación. El diodo puede tener 3 microsegundos, BJT es solo de 5 pF * N ohm - docena de nanosegundos. El diodo es mejor que BJT en un rango más lento, tiene pA actual, cuando BJT tiene nA.

La física de recuperación rápida para BJT se puede explicar por una capacitancia volumétrica muy baja (carga baja) de la base, porque la base BJT es muy delgada por su diseño.

Supongo que los diodos de baja fuga tienen una distancia mucho más larga a través de la unión (gradientes de dopaje descendentes o incluso huecos), cuando los portadores deben acercarse a la región por difusión térmica, tonificación, lo que lleva tiempo. La brecha del diodo tiene un volumen muy grande (en comparación con el volumen base BJT) para llenarse con las portadoras durante el tiempo de recuperación.

    
______ answer30978 ___

La razón tiene que ver con la corriente de fuga. La unión B-C supera a todos los diodos de fuga baja en más de un factor de 10. Un diodo de fuga baja muy utilizado, el BAV116, tiene una potencia nominal de 5 nA de corriente de fuga. La unión B-C de un 2N3904 está muy por debajo de 30 pA a temperatura ambiente. El uso de la unión B-E es una fuga aún menor, generalmente alrededor de 5pA. No se puede tocar con diodos estándar de baja fuga. Hay diodos basados en FET muy caros que son más bajos, pero son raros. La ventaja de la unión B-C es que su voltaje inverso es el del transistor. Usando B-E, la unión se "Zener" a 6-7 voltios. Sigue siendo bastante útil en circuitos de bajo voltaje o incluso como pinza asimétrica.

He usado 2N3904s para diodos de baja fuga durante años con excelentes resultados. Solo preste atención a la corriente de avance máxima a través de su unión seleccionada.

En el circuito de ejemplo, se usó la unión B-C debido al rango de voltaje. Aumentó el tiempo de retención del condensador de muestra al reducir la pérdida de revoluciones de nuevo a la salida del amplificador operacional. Creo que la fuga del mosfet de reinicio dominará este circuito, ya que la polarización de entrada del AD820 suele ser de 2pA.

    
______ answer17160 ___

Características térmicas? El BJT se puede disipar por calor con bastante facilidad con un clip o una carcasa para un acoplamiento térmico mecánico. Si el amplificador operacional OP77 también se elige como caja circular, entonces un disipador térmico de doble montaje es fácil de ajustar mecánicamente.

    
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