王永良
哥尼斯堡桥与PCB设计(试图严谨的类比)
2024-4-30 10:45
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哥尼斯堡(Konigsberg),是俄罗斯加里宁格勒省的首府。加里宁格勒省与俄罗斯本土没有连接,是俄罗斯境外的飞地。

哥尼斯堡流过一条Pregel河,河中有两个岛;城区被分成四块,彼此通过七座桥连通,从中引出了著名的七桥难题。

1736年,瑞士数学家欧拉(E. Euler)发表了讨论哥尼斯堡七桥难题的论文( “Solutio problematis ad geometriam Situs pertinantis” authored by Leonard Euler),将哥尼斯堡交通网络抽象成由四个顶点七条支路连成的图,其中城区是顶点,桥是连接顶点的支路,从而将七桥难题化为一个图论问题。欧拉之后,图论开始建立,为能用图(节点V,支路E的集合)描述的实际问题,提供数学分析手段。电路就是典型的应用图论分析的物理实体。

一个电路是 一个载流子电荷生活的“哥尼斯堡”,其中,

1) 流动的正电荷就是行走的居民(与电子反向运动等价);

2) 印制电路板(PCB)的铜皮就是被分割的城区(顶点V集合);

3) 电子元件就是连接各城区的桥(支路E集合);

4) PCB铜皮被腐蚀掉的绝缘区域就是河道。

  因此,制作一个PCB电路,就是建造一座载流子的“哥尼斯堡”

1)     一块铺满铜皮的PCB原始板,就是一块未开发的陆地。

2)     原理图是城市规划图,PCB版图就是施工图。

3)     在原理图中定义的网络集(Nets)就是命名要创建城区(顶点V集合)。

4)     在原理图中使用的元件集(Components)就是连接城区的桥(支路E集合)。

5)     元件引脚上的网络名(net name)就是桥头对应的城区名(节点名)。

6)     元件具有标准化封装(foot print),相当于桥是预制的,引脚(Pin)即桥头,

7)     PCB布局,就是确定预制桥的摆放位置。

8)     PCB布线,就是根据桥头城区编号,划分城区(称为走线,route)。

9)     走线的区域保留铜皮,形成城区。

10)  未走线区域,蚀刻去除铜皮,形成河道。

11)  加工好的PCB板,就是一个挖好河道,留好预制桥接入口(焊盘)的毛坯城市。

12)  焊上元件的PCB电路,就是装上预制桥可运行的城市。

最后,加电运行的PCB电路,就是开始经济运行的城市。其运行原理与居民城市有诸多相似之处。

类比是一种本能思维模式;类比不严谨,但符合直觉,可以加快对复杂事物的理解。

    电路的电磁场通量分配模型(Electromagnetic-Flux-Distribution Model)[1] 及其磁通流通图(Magnetic-Flux-Flow diagram,MFF diagram)[2] 、电通流图(Electric-charge-flow diagram,ECF diagram)[3] 就是一种更符合直觉的电路模型 和 新型交互式电路图,能帮助我们更直观地分析载流子的电磁场相互作用,加深对隐含电磁场理论的电路效应的理解。

    特别的,MFF图,首次以磁通为载流子,更直观形象地诠释 基于宏观量子效应的超导约瑟夫森结电路的工作原理。

[1] Y. L. Wang, "An Electromagnetic-Flux-Distribution Model for Analyses of Superconducting Josephson Junction Circuits and Quantum Phase-Slip Junction Circuits," IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 32, no. 5, pp. 1-6, Aug 2022.

[2] Y. L. Wang, "Magnetic-Flux-Flow Diagrams for Design and Analysis of Josephson Junction Circuits,"  Ieee Transactions on Applied Superconductivity, vol. 33, no. 7, pp. 1-8, Oct 2023

[3] Y. L. Wang, "A general flux-Based Circuit Theory for Superconducting Josephson Junction Circuits," arXiv:2308.01693, pp. 1-35, 2023.

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