Calculs de conception pour l'EE chevronné

Les concepteurs chevronnés ont-ils tendance à faire une bonne quantité de calculs ou de grandes parties de circuits sont-elles conçues de manière intuitive? Je pose la question car il semble que les ingénieurs d'études aient tendance à avoir une idée de la valeur maximale que vous souhaitez avoir ici, de la résistance là-bas, pour les parties communes des circuits. Si c'est le cas, est-ce parce qu'ils ne font que recycler des designs? Pour le novice, c'est époustouflant. Cependant, des livres comme l'Art de l'électronique semblent encourager l'approche de faire des calculs approximatifs à la volée.

Je suis un ingénieur électricien professionnel qui conçoit régulièrement de nouveaux circuits pour la production en volume, et ce depuis plus de 35 ans.

Oui, je fais souvent des calculs pour déterminer les spécifications exactes des pièces. Il y a aussi de nombreux cas où l'expérience et l'intuition sont assez bonnes et les exigences assez lâches pour que je choisisse une valeur. Ne confondez pas cela avec une valeur aléatoire, cependant.

Par exemple, pour une résistance déroulante sur la ligne MISO d'un bus SPI, je vais juste spécifier 100 kΩ et j'en aurai fini. 10 kΩ fonctionneraient bien aussi, et quelqu'un d'autre qui choisirait ce ne serait pas faux non plus. Si j'utilise une résistance de 20 kΩ ailleurs, je pourrais en spécifier une autre sur la ligne MISO pour éviter d'ajouter une autre pièce à la nomenclature. Le fait est que vous avez parfois beaucoup de latitude et que l'intuition et l'expérience sont assez bonnes.

D'un autre côté, en regardant le schéma de ma dernière conception, que je suis en train de mettre en place les premières cartes de maintenant, je vois un cas où j'ai passé un certain temps non seulement à spécifier la valeur de la pièce mais à calculer le résultat de la variance sur le reste du système. Il y avait trois cas de deux résistances utilisées dans la rétroaction d'une alimentation à découpage. Voici le problème rédigé comme des devoirs:

Un seuil d'entrée de rétroaction de la puce d'alimentation est de 800 mV ± 2%. Vous utilisez trois instances de cette puce pour réaliser les alimentations 12 V, 5 V et 3,3 V. Vous avez précédemment décidé d'utiliser environ 10 kΩ pour la résistance inférieure de chaque diviseur de tension. Déterminez les spécifications complètes de la résistance dans chaque cas et déterminez la tension d'alimentation nominale résultante min / max. Respectez les valeurs de résistance facilement disponibles. Utilisez 1% si approprié et spécifiez en conséquence.

C'est un véritable problème du monde réel qui a pris quelques minutes avec une calculatrice. Soit dit en passant, j'ai déterminé que 1% des résistances étaient assez bonnes. C'est en fait ce à quoi je m'attendais, mais j'ai quand même fait les calculs pour m'en assurer. J'ai également noté la plage nominale complète pour chaque alimentation directement sur le schéma. Non seulement cela pourrait être utile de s'y référer plus tard, mais cela montre également que cette question a été prise en compte et les calculs effectués. Moi ou quelqu'un d'autre n'aurai pas à me demander un an plus tard quelle est la tolérance de l'alimentation 3,3 V, par exemple, et refaire les calculs.

Voici un extrait du schéma montrant le cas décrit ci-dessus:

Je viens de choisir R2, R4 et R6, mais j'ai fait les calculs pour déterminer R1, R3 et R5, et les plages nominales d'alimentation résultantes.

Ajouté sur les parties SHx (réponse au commentaire)

Les pièces SH sont ce que j'appelle des "shorts". Ce ne sont que du cuivre sur la carte. Leur but est de permettre à un seul réseau physique d'être divisé en deux réseaux logiques dans le logiciel, qui est Eagle dans ce cas. Dans les trois cas ci-dessus, les pièces SH connectent la masse locale d'une alimentation à découpage au plan de masse à l'échelle de la carte.

Les alimentations à découpage peuvent avoir des courants importants traversant leurs terres, et ces courants peuvent avoir des composants haute fréquence.

Une grande partie de ce courant ne fait que circuler localement. En faisant de la terre locale un réseau séparé connecté à la terre principale en un seul endroit, ces courants circulants restent dans un petit réseau local et ne traversent pas le plan de masse principal. Le petit filet de terre local rayonne beaucoup moins et les courants ne provoquent pas de décalage dans le sol principal.

Finalement, le courant doit s'écouler d'une alimentation et revenir par la terre. Cependant, ce courant peut être filtré beaucoup plus que les courants internes haute fréquence d'une alimentation à découpage. Si cela est fait correctement, seul le courant de sortie bien comporté du commutateur le rend hors de la proximité immédiate des autres parties du circuit global.

Vous voulez vraiment garder les courants locaux à haute fréquence hors du plan de masse principal. Non seulement cela évite les compensations de tension de terre que ces courants peuvent provoquer, mais cela empêche la terre principale de devenir une antenne patch. Heureusement, bon nombre des courants terrestres désagréables sont également locaux. Cela signifie qu'ils peuvent être maintenus locaux en connectant le réseau de mise à la terre local à la terre principale en un seul endroit.

De bons exemples de cela incluent le chemin entre le côté terre d'un capuchon de dérivation et la broche de terre du CI qu'il contourne. C'est exactement ce que vous ne voulez pas courir sur le sol principal. Ne vous contentez pas de connecter le côté terre d'un bouchon de dérivation à la terre principale via un via. Reconnectez-le à la terre du CI via sa propre piste ou terre locale, puis connectez-le à la terre principale en un seul endroit.

Je fais principalement des trucs commerciaux à faible volume commercial et industriel, donc cela peut être différent ailleurs.

Au moins 75% d'un schéma typique est généralement une sorte d'ingénierie de blocs de construction, "J'ai besoin d'un rail 5V à 3A, 5% tol, j'ai 15V", il est presque inutile de concevoir cela, lorsque Ti / Linear / Micrel ont tous ont des designs parfaitement bons dans leurs fiches techniques, il s'agit juste d'en choisir un (Et le choix n'a généralement pas beaucoup d'importance). Je peux bien sûr concevoir à partir des premiers principes, mais ce n'est pas ce pour quoi je suis payé.

La même chose s'applique à de nombreux autres sous-systèmes.

Ensuite, il y a les boîtiers "Il suffit d'avoir le bon ordre de grandeur", tirez vers le haut et vers le bas pour les cmos, résistances en série pour les voyants LED, des trucs comme ça. Ma pratique habituelle ici est de laisser ces chiffres jusqu'à ce que je vois de quelles valeurs j'ai besoin dans ces quelques endroits où cela compte vraiment, puis de choisir quelque chose parmi ces valeurs si possible. "Power on LED, green, 12V rail? Ok, la led baissera de quelques volts plus ou moins, et je veux probablement quelque part dans la gamme 1 - 10mA, donc n'importe où dans la région du couple K ira bien, oh regardez, j'avais besoin d'une résistance 3k9 pour ce filtre, l'un d'eux le fera ".

Le vrai truc est de savoir quand cette supposition `` du doigt dans l'air '' ne va pas la couper, généralement des choses comme les filtres, les réseaux et les circuits de synchronisation correspondants, pll et d'autres choses de rétroaction impliquant des déphasages importants sont probablement de mauvais endroits pour deviner. Des endroits comme celui-là où vous avez réellement besoin de faire vos calculs (généralement matlab / scilab / ads fera le travail, pas besoin de se souvenir de la plupart des tables standard d'intégrales au-delà du trig très basique).

Il est en fait assez rare (et très agréable quand cela se produit) de se retrouver à cet endroit où l'électronique rencontre la physique et les mathématiques, bien sûr que cela se produit, la perte de trajectoire calcule, calcule le bruit lors de l'analogique, ce genre de chose, mais que représente peut-être 10% d'un dessin, le reste est généralement composé de coupe-biscuits.

En particulier lors de l'utilisation d'un CI analogique, il y aura généralement un ou plusieurs circuits d'application suggérés dans la fiche technique. Par exemple, je conçois actuellement un récepteur Qi pour un projet. Les condensateurs dans la boucle inductive dépendent d'un certain nombre de variables, et la fiche technique fournit quelques équations pour déterminer leurs valeurs:

Il s'agit donc simplement de brancher les chiffres, de tester le circuit et de l'essayer.

Pour la conception analogique, nous faisons les calculs pour la plupart. Certaines choses, comme le couplage et les condensateurs de dérivation / filtre, nous pourrions simplement choisir une valeur "typique", sachant que cela fonctionnera pour l'application. Mais notez que "typique" sera différent pour les circuits CC, audio et radio - c'est quelque chose que nous devons connaître.

Pour les résistances de polarisation et de gain, nous faisons généralement les calculs. Je les fais à la main, car les équations sont simples. Souvent, nous voulons un circuit "gain d'environ 10", donc les ratios sont assez simples à faire dans votre tête, et les valeurs (1K vs 1Meg) sont choisies pour le type de circuit.

La précision requise par votre application est ce que dicte la quantité de réutilisation, la conception intuitive et / ou la conception formelle que l'on utiliserait. Un exemple de chacun est, respectivement, un amplificateur audio, un amplificateur à faible bruit pour la télévision et un amplificateur à très faible bruit pour un radiotélescope. Il doit être clair que le degré de «formel / précision» de votre conception dépend de la «critique» de l'application (ainsi que du temps et de l'argent disponibles pour la conception).