Modèles mentaux utiles pour la conception de circuits analogiques basse fréquence?

En apprenant l'analyse et la conception de circuits (de Introduction à l'analyse et la conception de circuits par Tildon H.Glisson ), je me suis dit que les concepteurs de circuits expérimentés devraient avoir un modèle mental beaucoup plus clair pour proposer des circuits qu'ils conçoivent.

Par exemple, un circuit logique numérique peut être conçu à l'aide de tables de vérité, de cartes de Karnaugh et d'autres techniques pouvant être implémentées de manière presque algorithmique. (Il y a quelques problèmes de conception au-delà de cela, comme la propagation du signal / horloge non idéale, mais ceux-ci pourraient être traités).

La question est, existe-t-il des outils expressifs qui aident à créer des circuits analogiques basse fréquence étant donné les conditions d'entrée / sortie et d'autres contraintes possibles? Est-ce une sorte d'art, ou faut-il mémoriser des blocs de construction utiles et simplement aligner ces blocs pour obtenir le résultat? Je ne parle pas de logiciel de simulation, mais de modèles mentaux humains, le plus important ensemble de connaissances compressé servant de précurseur efficace dans le domaine.

Je ne sais même pas si cela peut être expliqué du tout (par exemple, si quelqu'un me demandait comment programmer un logiciel, j'aurais du mal à expliquer comment programmer en général ), j'ai donc limité ma question aux circuits analogiques basse fréquence, qui se résument plus ou moins aux circuits résistifs et aux sources dépendantes (suis-je ici?). (mais je suppose que les transitoires sont un défi en soi, et peut-être que les mêmes cartes mentales aident également à concevoir dans le domaine des fréquences).

J'espère que cette question ne semble pas trop large ou trop vague. Je pense que s'il y a des réponses, elles pourraient être aussi concrètes que les cartes de Karnaugh ou avoir 4-6 phrases dans leur description.

La clé de la conception analogique est une véritable compréhension de ce que font les blocs de construction disponibles (transistors, amplificateurs opérationnels, etc.). Le reste est un processus de pensée créative pour trouver un moyen de connecter les blocs de construction pour aboutir à un circuit qui atteint ses objectifs. L'expérience aide à accélérer cela, mais en elle-même ne le permet pas.

Le problème de base est que l'espace de solution est très très grand. Il existe de nombreux circuits différents qui peuvent atteindre un ensemble d'objectifs pour tout sauf les problèmes les plus triviaux. Autrement dit, il n'y a pas de bonne réponse unique dans la conception analogique.

Une bonne conception analogique ne se fait pas en connectant des données à un ensemble de formules. Oui, vous faites de l'arithmétique pour déterminer les valeurs des pièces et similaires. La vraie partie design n'est pas de répondre à ces questions mais d'être créatif pour décider quelles questions poser en premier lieu. Je ne connais aucune aide à la conception analogique équivalente aux K-maps pour la logique numérique combunatoire.

Une chose qui, selon moi, est impérative pour la conception analogique est de pouvoir vraiment visualiser ce que fait un circuit. C'est bien plus que de pouvoir parcourir un schéma et calculer les tensions et les courants comme vous le faites dans les devoirs. C'est juste la force brute la plupart du temps, et ce n'est pas ce dont je parle. Vous devez être en mesure de regarder un schéma ou de penser autrement à un circuit et de voir mentalement les tensions qui poussent et les courants qui circulent. Vous devez être en mesure de visualiser comment les changements dans ces éléments fonctionnent sur les composants, qui provoquent ensuite des changements ailleurs, etc.

Je ne sais pas comment enseigner cela. D'après mon expérience, ceux qui peuvent faire de la conception analogique ont commencé à se renseigner sur les tensions poussées et les courants circulant à un âge précoce, généralement à la fin de l'école primaire. Ils le comprennent, probablement parce qu'ils ont été exposés à suffisamment de cas à un âge suffisamment précoce pour que cela fasse désormais partie de leur intuition. Un autre facteur peut être que ceux qui sont vraiment intéressés par l'électronique s'y plongeront très tôt, donc ceux qui ne le sont pas sans la vraie passion.

Vous pouvez enseigner à quelqu'un toute la théorie que vous voulez, mais il est peut-être trop tard pour obtenir le sentiment intuitif requis pour une véritable conception de circuits analogiques si vous commencez à l'université. Je me souviens d'un certain nombre d'étudiants à l'université qui pouvaient résoudre tous les problèmes, obtenir de bonnes notes, mais qui ne pouvaient toujours pas concevoir de circuits sans beaucoup de démarrage et généralement la plupart du temps en copiant des modèles existants. Je ne dis pas que regarder et même copier des conceptions existantes est nécessairement une mauvaise idée, mais sans l'intuition et la capacité de ressentir les tensions et de voir les courants, c'est tout ce avec quoi vous êtes coincé.

S'appuyer sur la théorie est important et nécessaire, et l'expérience vous aide à trouver une bonne solution plus rapidement et à éviter certains pièges, mais ce n'est pas ce qui fait d'un bon concepteur analogique un bon concepteur analogique. Vous devez ressentir la force, Luke pour être un vrai Jedi.

Permettez-moi de commencer en disant que votre vision d'un ingénieur dessinant des cartes ou des tables de vérité de Karnaugh lors de la conception d'un circuit numérique est un peu ... dépassée.

Aujourd'hui, toute conception numérique supérieure à quelques dizaines de portes est décrite à l'aide du langage de description matérielle - un langage de haut niveau qui décrit la fonctionnalité globale, et non l'implémentation exacte en termes de portes logiques (il y a des exceptions, bien sûr). Les tables de vérité, les cartes de Karnaugh, divers algorithmes d'optimisation, etc. sont laissés aux outils de synthèse automatiques à gérer.

Même les conceptions numériques écrites en HDL ne sont pas "simples" - un ingénieur a toujours de nombreuses alternatives, chacune ayant ses avantages, ses inconvénients et ses pièges. Il faut beaucoup d'expérience et de réflexion pour écrire un HDL bon, fiable, lisible et réutilisable.

Les choses sont beaucoup plus complexes dans les conceptions analogiques:

• Il y a une théorie plus complexe derrière tout composant analogique que celle enseignée dans les classes de premier cycle et les cycles supérieurs.
• Les composants interagissent de différentes manières.
• Le nombre de paramètres pour chaque composant varie de quelques à plusieurs centaines.
• Il y a toujours un peu d'aléatoire associé à la complexité des circuits
• Beaucoup plus

Je suis loin d'être un expert en conception analogique, mais je suppose que la réponse à votre question est négative - il n'y a pas de modèles / formules / idées simples qui fonctionneront toujours même pour une conception à basse fréquence (une basse fréquence peut être une puissance élevée / faible) , haute tolérance, résistance mécanique, etc.).

Au travail, je vois de jeunes ingénieurs travailler dans des groupes de conception numérique et même des programmeurs plus jeunes, mais le cœur de toute équipe de conception analogique est peu de "vieux chênes" - des gens avec une expérience formidable qui ne peut être obtenue en lisant simplement des livres. Je pense que cette différence d'âge est la meilleure preuve de mon affirmation - rien ne se compare à l'expérience en conception analogique.

Cela dit, je ne veux pas que quiconque ait l'impression que la lecture de livres ne peut pas aider à comprendre l'électronique analogique, mais il faut comprendre que toutes les belles théories développées dans, disent Sedra & Smith, sont très simplifiées. J'aime le livre Analog SEEKrets (il existe une version PDF gratuite sur le site) - il est écrit afin de combler l'écart entre les théories et les composants et applications du monde réel. Ce n'est pas un livre d'introduction cependant.

Il existe cependant un domaine de conception analogique où une précision presque mathématique peut être obtenue: la conception de filtres analogiques. Il existe de nombreux outils qui peuvent produire des conceptions complètes en fonction des spécifications fournies par un ingénieur. Mais c'est une exception (la seule que je connaisse).

Converti à partir du commentaire comme demandé - MAIS c'est à peu près la même chose que d'autres disent.

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

L'art et la sensation en sont une partie importante.
En partie (seulement), un cuisinier compétent est une bonne métaphore.

• Ils ne «mémorisent» pas seulement des recettes, mais ils en connaissent beaucoup.

• Ils n'alignent pas les parties de différentes recettes liées à un sujet - ils regardent plutôt les recettes et comprennent pourquoi elles fonctionnent comme elles le font, comment elles sont susceptibles d'interagir avec d'autres recettes ou combinaisons et elles combinent des «morceaux et des morceaux» parce qu'elles sont peut-être inconsciemment «en train de cuisiner dans leur tête».

La conception analogique est généralement MOINS complexe que la cuisson car les interactions sont mieux définies et comprises que dans les aliments. Il y a des "règles" et des "trucs" qui ne sont en réalité que des "lois de la physique" réduites en sténographie.

par exemple, presque personne ne sait ou n'accepte :-) que

• le gain maximum d'un étage de transistor bipolaire unique est
  ~ = 38,4 x tension continue en régime permanent aux bornes de la résistance de charge.

En effet, le gain = R_collector cct / R_emitter circuit (= Rl / Re)
et pour une résistance d'émetteur entièrement contournée
Re = Rbe du transistor
et cela est lié à la résistance dynamique de la jonction be
qui se traduit par ~ 26_Ohms / emitter_mA
soit 13 Ohm à 2 mA ou 52 Ohms à 0,5 mA.

Branchez ces chiffres et grattez-vous un peu la tête et vous voyez que le
gain max = 1000/26 x Vload = 38,4 x Vload.

Cette affirmation fait partie de la magie profonde et du hurlement d'horreur le moins inauguré à la suggestion :-). Et ainsi de suite. Avec le temps, vous ressentez la réponse en fréquence, les niveaux de bruit, ...

Une K-map est une déclaration de ce que vous voulez ou de ce que quelque chose est logiquement. Cela n'implique pas une conception de logique de circuit. Pour ce faire, vous avez besoin de compétences et d'autres informations telles que la vitesse du signal et les niveaux de tension requis de la logique.

De même, un tracé de bode ne vous amène pas à une conception de circuit, mais la compétence vous aide à choisir les bons op-mps en fonction des exigences de vitesse et des niveaux de tension auxquels vous pourriez avoir à faire face.