Modelos mentais úteis para o projeto de circuitos analógicos de baixa frequência?

Enquanto aprendia a análise e o design de circuitos (de Introdução à Análise e Design de Circuitos, de Tildon H. Glisson ), me surpreendi com o pensamento de que projetistas de circuitos experientes deveriam ter um modelo mental muito mais claro para criar os circuitos projetados.

Por exemplo, o circuito lógico digital pode ser projetado com a ajuda de tabelas verdadeiras, mapas de Karnaugh e outras técnicas quase algoritmicamente implementáveis. (Existem alguns problemas de design além disso, como propagação de sinal / relógio não ideal, mas esses podem ser resolvidos).

A questão é: existem ferramentas expressivas que ajudam a criar circuitos analógicos de baixa frequência, dadas as condições de entrada / saída e outras possíveis restrições? É um tipo de arte ou é necessário para memorizar blocos de construção úteis e apenas alinhar esses blocos para obter o resultado? Não estou falando de software de simulação, mas de modelos mentais humanos, o corpo de conhecimento mais importante compactado, servindo como descobridor eficaz no reino.

Eu nem tenho certeza se isso é explicável (por exemplo, se alguém me perguntasse como programar software, eu teria dificuldade em explicar como programar em geral ), então reduzi minha pergunta a circuitos analógicos de baixa frequência, que mais ou menos se resumem a circuitos resistivos e fontes dependentes (estou aqui?). (mas acho que transientes é um desafio por si só, e talvez os mesmos mapas mentais também ajudem a projetar no domínio da frequência).

Espero que essa pergunta não pareça muito ampla ou vaga. Acredito que, se houver respostas, elas podem ser tão concretas quanto os mapas de Karnaugh ou ter de 4 a 6 frases em sua descrição.

A chave para o design analógico é a verdadeira compreensão do que os blocos de construção disponíveis (transistores, opamps, etc) fazem. O restante é um processo de pensamento criativo para criar uma maneira de conectar os elementos básicos para resultar em um circuito que atinja seus objetivos. A experiência ajuda a acelerar isso, mas por si só não a habilita.

O problema básico é que o espaço da solução é muito grande. Existem muitos circuitos diferentes que podem atingir um conjunto de objetivos para qualquer coisa, menos os problemas mais triviais. Dito de outra forma, não há uma resposta certa no design analógico.

Um bom design analógico não é feito conectando dados a um conjunto de fórmulas. Sim, você faz alguma aritmética para determinar valores de peças e similares. A parte real do design não é responder a essas perguntas, mas ser criativa ao decidir quais perguntas fazer em primeiro lugar. Não conheço nenhum auxílio de design analógico equivalente ao K-maps para lógica digital combinatória.

Uma coisa que acredito ser imprescindível para o design analógico é ser capaz de visualizar verdadeiramente o que um circuito está fazendo. Isso é muito mais do que ser capaz de passar por um esquema e calcular tensões e correntes como você faz nas tarefas de casa. Isso é força bruta na maioria das vezes, e não é disso que estou falando. Você deve ser capaz de olhar para um esquema ou pensar em um circuito e ver mentalmente as tensões pressionando e as correntes fluindo. Você deve poder visualizar como as alterações nessas funções funcionam nos componentes, que então causam alterações em outros lugares etc.

Eu não sei como ensinar isso. Na minha experiência, aqueles que podem fazer design analógico começaram a aprender sobre tensões e correntes fluindo em tenra idade, geralmente no final da escola. Eles simplesmente "entendem", provavelmente por serem expostos a um número suficiente de casos em idade bastante precoce, para que isso agora faça parte de sua intuição. Outro fator pode ser o fato de aqueles que realmente se interessam por eletrônica se aprofundarem nela desde cedo, de modo que aqueles que não o são são os que não têm a verdadeira paixão.

Você pode ensinar a alguém toda a teoria que deseja, mas pode ser tarde demais para obter a sensação intuitiva necessária para o projeto real de circuitos analógicos se você começar a faculdade. Lembro-me de vários estudantes na faculdade que conseguiam resolver todos os problemas, tiravam boas notas, mas ainda não conseguiam projetar circuitos sem muita interrupção mecânica e geralmente copiando os projetos existentes. Não estou dizendo que olhar e até copiar projetos existentes é necessariamente uma má ideia, mas sem a intuição e a capacidade de sentir as tensões e ver as correntes com as quais você está preso.

Inclinar a teoria é importante e necessário, e a experiência ajuda a chegar a uma boa solução mais rapidamente e a evitar alguns pitfals, mas não é isso que faz de um bom designer analógico um bom designer analógico. Você precisa sentir a força, Luke, para ser um verdadeiro Jedi.

Deixe-me começar dizendo que sua visão de um engenheiro desenhando mapas de Karnaugh ou tabelas verdadeiras ao projetar um circuito digital está um pouco ... desatualizada.

Atualmente, qualquer projeto digital com mais de algumas dezenas de portas é descrito usando a Linguagem de descrição de hardware - uma linguagem de alto nível que descreve a funcionalidade geral, e não a implementação exata em termos de portas lógicas (há exceções, é claro). Tabelas de verdade, mapas de Karnaugh, vários algoritmos de otimização e etc. são deixados para as ferramentas de síntese automáticas.

Mesmo os projetos digitais escritos em HDLs não são "diretos" - um engenheiro sempre tem muitas alternativas, cada uma com suas vantagens, desvantagens e armadilhas. É preciso muita experiência e pensamento para escrever um HDL bom, confiável, legível e reutilizável.

As coisas são muito mais complexas em projetos analógicos:

• Por trás de qualquer componente analógico, existe uma teoria mais complexa do que a ensinada nas aulas de graduação e pós-graduação.
• Os componentes interagem de várias formas.
• O número de parâmetros para cada componente varia de poucas a centenas.
• Há sempre um pouco de aleatoriedade associada à complexidade dos circuitos
• Muito mais

Estou longe de ser um especialista em design analógico, mas acho que a resposta para sua pergunta é negativa - não há padrões / fórmulas / idéias diretas que sempre funcionem mesmo para projetos de baixa frequência (baixa frequência pode ser alta / baixa potência , alta tolerância, mecanicamente forte, etc.).

No trabalho, vejo jovens engenheiros trabalhando em grupos de design digital e programadores ainda mais jovens, mas o coração de qualquer equipe de design analógico são poucos "velhos carvalhos" - pessoas com uma tremenda experiência que não podem ser obtidas apenas pela leitura de livros. Penso que esta discrepância de idade é a melhor prova da minha afirmação - nada se compara à experiência no design analógico.

Dito tudo isso, não quero que ninguém tenha a impressão de que a leitura de livros não pode ajudar a compreender a eletrônica analógica, mas é preciso entender que todas as belas teorias desenvolvidas, dizem Sedra & Smith, são muito simplificadas. Gosto do livro Analog SEEKrets (existe uma versão gratuita em PDF no site) - ele foi escrito para preencher a lacuna entre teorias e componentes e aplicativos do mundo real. Porém, não é um livro de nível introdutório.

Existe, no entanto, uma área do design analógico em que é possível obter precisão quase matemática: projeto de filtros analógicos. Existem muitas ferramentas que podem produzir projetos completos com base nas especificações fornecidas por um engenheiro. Mas isso é uma exceção (a única que eu conheço).

Convertido do comentário conforme solicitado - MAS é o mesmo que os outros estão dizendo.

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

Arte e sensação são uma parte significativa disso.
Em parte (apenas) um cozinheiro competente é uma boa metáfora.

• Eles não "apenas memorizam" receitas, mas conhecem muitas.

• Eles não "alinham" partes de diferentes receitas relacionadas a um assunto - ao invés disso, olham para as receitas e entendem por que funcionam como funcionam, como podem interagir com outras receitas ou combinações e combinam 'pedaços' porque talvez estejam inconscientemente "cozinhando na cabeça".

O design analógico geralmente é MENOS complexo do que cozinhar, pois as interações são melhor definidas e compreendidas do que nos alimentos. Existem "regras" e "truques" que são realmente apenas "leis da física" reduzidas a taquigrafia.

por exemplo, quase ninguém sabe ou aceita :-) que

• o ganho máximo de um único estágio de transistor bipolar é
  ~ = 38,4 x tensão de estado estacionário DC através do resistor de carga.

Isso ocorre porque o circuito ganho = R_collector cct / R_emitter (= Rl / Re)
e para um resistor emissor totalmente ignorado
Re = Rbe do transistor
estão ligados à resistência dinâmica da junção be,
que se traduz em ~ 26_Ohms / emitter_mA,
ou seja, 13 Ohm a 2 mA ou 52 Ohms a 0,5 mA.

Conecte esses números e coça um pouco a cabeça e verá que o
ganho é máximo = 1000/26 x Vload = 38,4 x Vload.

Essa afirmação faz parte da magia profunda e do uivo menos inaugurado, horrorizado, com a sugestão :-). E assim por diante. Com o tempo, você obtém uma resposta de frequência, níveis de ruído, ...

Um mapa K é uma declaração do que você deseja ou do que algo é logicamente. Não implica um projeto de lógica de circuito. Para fazer isso, você precisa de habilidades e outras informações, como velocidade do sinal e os níveis de tensão necessários da lógica.

Da mesma forma, um gráfico de bode não o leva a um projeto de circuito, mas a habilidade ajuda a escolher os op-mps corretos com base nos requisitos de velocidade e em quais níveis de tensão você pode ter que lidar.