Perhitungan Desain untuk EE yang Berpengalaman

Apakah desainer berpengalaman cenderung melakukan perhitungan yang adil atau apakah sebagian besar sirkuit dirancang secara intuitif? Saya bertanya karena sepertinya insinyur desain cenderung memiliki rasa nilai tutup apa yang ingin Anda miliki di sini, resistor di sana, untuk bagian umum dari rangkaian. Jika itu masalahnya apakah itu karena mereka hanya desain daur ulang? Bagi pemula, ini adalah peniupan pikiran. Padahal, buku-buku seperti Art of Electronics tampaknya mendorong pendekatan membuat perkiraan perhitungan dengan cepat.

Saya seorang insinyur listrik profesional yang secara rutin merancang sirkuit baru untuk produksi volume, dan telah lebih dari 35 tahun.

Ya, saya sering melakukan perhitungan untuk menentukan spesifikasi bagian yang tepat. Ada juga banyak kasus di mana pengalaman dan intuisi cukup baik dan persyaratan cukup longgar sehingga saya hanya memilih nilai. Namun, jangan bingung dengan nilai acak.

Sebagai contoh, untuk resistor pulldown pada jalur MISO dari bus SPI, saya hanya akan menetapkan 100 kΩ dan selesai dengan itu. 10 kΩ akan bekerja dengan baik juga, dan orang lain memilih itu juga tidak salah. Jika saya menggunakan resistor 20 kΩ di tempat lain, maka saya mungkin akan menentukan yang lain di jalur MISO untuk menghindari menambahkan bagian lain ke BOM. Intinya adalah terkadang Anda memiliki banyak waktu luang, dan intuisi serta pengalaman cukup baik.

Di sisi lain, melihat skema desain terbaru saya, yang sedang saya bahas di papan pertama sekarang, saya melihat sebuah kasus di mana saya menghabiskan waktu tidak hanya menentukan nilai bagian tetapi menghitung hasil varians pada sisa sistem. Ada tiga kasus dua resistor yang digunakan dalam umpan balik ke catu daya switching. Inilah masalah yang diucapkan seperti pekerjaan rumah:

Ambang masukan umpan balik chip powersupply adalah 800 mV ± 2%. Anda menggunakan tiga contoh chip ini, untuk membuat catu daya 12 V, 5 V, dan 3.3 V. Anda sebelumnya telah memutuskan untuk menggunakan sekitar 10 kΩ untuk resistor bawah setiap pembagi tegangan. Tentukan spesifikasi resistor penuh dalam setiap kasus, dan tentukan tegangan suplai nominal minimum yang dihasilkan. Menempel nilai resistor yang tersedia. Gunakan 1% jika cocok dan tentukan sesuai kebutuhan.

Itu masalah dunia nyata asli yang butuh beberapa menit dengan kalkulator. Omong-omong, saya menentukan bahwa 1% resistor cukup baik. Sebenarnya itu yang saya harapkan, tetapi tetap melakukan perhitungan untuk memastikan. Saya juga mencatat kisaran nominal penuh untuk setiap pasokan tepat di skema. Tidak hanya ini berguna untuk merujuk nanti, tetapi juga menunjukkan bahwa masalah ini dipertimbangkan dan perhitungan dilakukan. Saya atau orang lain tidak perlu bertanya-tanya setahun kemudian apa toleransi dari pasokan 3,3 V, misalnya, dan melakukan kembali perhitungan.

Berikut ini cuplikan dari skema yang menunjukkan kasus yang dijelaskan di atas:

Saya baru saja memilih R2, R4, dan R6, tetapi melakukan perhitungan untuk menentukan R1, R3, dan R5, dan rentang nominal catu daya yang dihasilkan.

Menambahkan tentang bagian SHx (menanggapi komentar)

Bagian SH adalah apa yang saya sebut "celana pendek". Ini hanya tembaga di papan tulis. Tujuannya adalah untuk memungkinkan jaring fisik tunggal dipecah menjadi dua jaring logis dalam perangkat lunak, yaitu Eagle dalam hal ini. Dalam ketiga kasus di atas, bagian SH menghubungkan ground lokal dari catu daya switching ke bidang ground board-lebar.

Mengalihkan catu daya dapat memiliki arus signifikan yang melintasi lahan mereka, dan arus ini dapat memiliki komponen frekuensi tinggi.

Banyak dari arus ini hanya beredar secara lokal. Dengan membuat tanah lokal sebagai jaring terpisah yang terhubung ke tanah utama hanya di satu tempat, arus yang bersirkulasi ini tinggal di jaring lokal kecil dan tidak melintasi bidang tanah utama. Jaring ground lokal kecil terpancar jauh lebih sedikit, dan arus tidak menyebabkan offset di ground utama.

Akhirnya daya harus mengalir keluar dari catu daya dan kembali melalui tanah. Namun, arus itu dapat disaring lebih dari arus internal frekuensi tinggi catu daya switching. Jika dilakukan dengan benar, hanya arus keluaran berperilaku baik dari switcher yang membuatnya keluar dari sekitar langsung ke bagian lain dari keseluruhan rangkaian.

Anda benar-benar ingin menjaga arus frekuensi tinggi lokal dari pesawat ground utama. Tidak hanya itu menghindari tegangan ground offset yang dapat menyebabkan arus, tetapi juga mencegah ground utama menjadi antena patch. Untungnya, banyak arus tanah yang buruk juga bersifat lokal. Itu berarti mereka dapat disimpan secara lokal dengan menghubungkan jaring tanah lokal ke tanah utama hanya dalam satu tempat.

Contoh yang baik dari ini termasuk jalur antara sisi dasar tutup bypass dan pin dasar IC yang dilewati. Itulah tepatnya yang Anda tidak ingin berlari melintasi jalan utama. Jangan hanya menghubungkan sisi tanah dari topi bypass ke tanah utama melalui via. Hubungkan kembali ke ground IC melalui jalurnya sendiri atau ground lokal, lalu sambungkan ke ground utama di satu tempat.

Saya melakukan terutama hal-hal pasar komersial & industri volume rendah, jadi ini mungkin berbeda di tempat lain.

Paling tidak 75% dari skema tipikal biasanya membangun semacam rekayasa blok, "Saya butuh rel 5V pada 3A, tol 5%, saya punya 15V", hampir tidak ada gunanya merancang itu, ketika Ti / Linear / Micrel memiliki semua mendapat desain yang sangat bagus di lembar data mereka, itu hanya kasus memilih satu (Dan pilihan biasanya tidak banyak masalah). Tentu saja saya dapat mendesain dari prinsip-prinsip pertama, tetapi bukan itu yang saya bayar.

Hal yang sama berlaku untuk banyak subsistem lainnya.

Lalu ada kasus "Itu hanya perlu memiliki urutan besarnya yang tepat", tarik ke atas dan tarik ke bawah untuk cmos, resistor seri untuk LED indikator, hal-hal seperti itu. Praktik saya yang biasa di sini adalah mengabaikannya sampai saya melihat nilai-nilai apa yang saya butuhkan di beberapa tempat yang benar-benar penting, lalu mengambil sesuatu dari nilai-nilai itu jika memungkinkan. "Daya pada LED, hijau, rel 12V? Ok, led akan turun beberapa volt lebih atau kurang, dan saya mungkin ingin suatu tempat di kisaran 1 - 10mA atau lebih, jadi di mana saja di beberapa wilayah K akan baik-baik saja, oh lihat aku butuh 3k9 resistor untuk filter itu, salah satunya akan menyelesaikannya ".

Trik yang sebenarnya adalah mengetahui kapan tebakan 'jari di udara' TIDAK akan memotongnya, biasanya hal-hal seperti filter, jaringan yang cocok, dan sirkuit pengaturan waktu, pll, dan umpan balik lainnya yang melibatkan perubahan fase signifikan kemungkinan merupakan tempat yang buruk untuk menebak. Tempat-tempat seperti itu di mana Anda benar-benar perlu untuk mendapatkan matematika Anda (Biasanya matlab / scilab / iklan akan menyelesaikan pekerjaan, tidak perlu benar-benar mengingat banyak tabel standar integral di luar pemicu yang sangat mendasar).

Sebenarnya sangat jarang (dan sangat menyenangkan ketika itu terjadi) berakhir di tempat di mana elektronik bertemu dengan fisika memenuhi matematika, yakin itu terjadi, path loss calcs, noise calcs saat melakukan analog, hal semacam itu, tapi itu mungkin 10% dari desain, sisanya biasanya barang cookie cutter.

Khususnya ketika menggunakan IC analog, biasanya akan ada satu atau lebih rangkaian aplikasi yang disarankan dalam lembar data. Sebagai contoh, saya sedang merancang penerima Qi untuk sebuah proyek. Kapasitor dalam loop induktif tergantung pada sejumlah variabel, dan lembar data memberikan beberapa persamaan untuk menentukan nilainya:

Jadi itu hanya masalah memasukkan angka-angka, memasang papan sirkuit dan mencobanya.

Untuk desain analog, kami melakukan perhitungan untuk sebagian besar. Beberapa hal, seperti kopling dan kapasitor bypass / filter kita mungkin hanya memilih nilai "khas", mengetahui bahwa itu akan berfungsi untuk aplikasi. Tetapi perhatikan bahwa "tipikal" akan berbeda untuk sirkuit DC, audio, dan radio - ini adalah sesuatu yang harus kita ketahui.

Untuk bias dan gain resistor biasanya kita lakukan perhitungan. Saya melakukannya dengan tangan, karena persamaannya sederhana. Seringkali kita menginginkan sirkuit "penguatan sekitar 10", sehingga rasio cukup sederhana untuk dilakukan di kepala Anda, dan nilai-nilai (1K vs 1Meg) dipilih untuk jenis sirkuit.

The akurasi yang dibutuhkan oleh aplikasi Anda, adalah apa yang menentukan jumlah reuse, desain intuitif, dan / atau desain resmi yang satu akan digunakan. Salah satu contoh dari masing-masing adalah: penguat audio, penguat noise rendah untuk TV, dan penguat noise sangat rendah untuk teleskop radio, masing-masing. Harus jelas bahwa seberapa "formal / akurat" desain Anda seharusnya, tergantung pada seberapa "kritis" aplikasi tersebut (serta berapa banyak waktu dan uang yang tersedia untuk desain).