2009年7月25日 星期六

作虛功?

多數人都不喜歡作虛功。但在古典力學中,虛功原理 (virtual work) 漂亮的洐生出 D'Alembert 原理,以及等價的最小作用原理。後者成為 Lagrangian mechanics 和 Hamiltonian mechanics 的基礎。可以說虛功原理簡單且容易了解,並不是真的作虛功。

什麼是虛功

Wiki 的定義如下。基本上是從牛頓力學第一定律出發導出虛功原理:

Consider a system of particles, i, in static equilibrium.  Based on Newton's first law, the total force on each particle is

\mathbf {F}_{i}^{(T)} = 0.

Summing the work exerted by the force on each particle that acts through an arbitrary virtual displacement, \delta \mathbf r_i, of the system leads to an expression for the virtual work that must be zero since the forces are zero.

\delta W = \sum_{i} \mathbf {F}_{i}^{(T)} \cdot \delta \mathbf r_i = 0.

At this point it should be noted that the original vector equation could be recovered by recognizing that the work expression must hold for arbitrary displacements. Separating the forces into applied forces, \mathbf F_i, and constraint forces, \mathbf C_i, yields

\delta W = \sum_{i} \mathbf {F}_{i} \cdot \delta \mathbf r_i + \sum_{i} \mathbf {C}_{i} \cdot \delta \mathbf r_i = 0.

If arbitrary virtual displacements are assumed to be in directions that are orthogonal to the constraint forces, the constraint forces do no work. Such displacements are said to be consistent with the constraints.  This leads to the formulation of the principle of virtual work for applied forces, which states that forces applied to a static system do no virtual work

\delta W = \sum_{i} \mathbf {F}_{i} \cdot \delta \mathbf r_i = 0.

虛功原理源起於靜力學。它的白話文:對於一個處於平衡 (equilibrium, 一般為靜止)的系統,其外力乘上虛位移 (virtual displacement)為零。虛位移並不是任意的方向,而必須根據 constraint 的限制。

 

 

 

 

Lancos 則有不同的看法,他把虛功原理視為一個假設。配合牛頓第二定律可以推廣至動力學的 D'Alembert 原理。而與最小作用原理是等價。

  

虛功原理的應用

第一個重要的應用就是最低勢能原理。如果所有的外力都是勢能 (potential or work function) 的 derivative  dV = -dU = F. dr = 0 , 虛功原理就變為靜力學的最低勢能原理 (minimal potential)。請參閱另一文章。

應用在 rigid body

 

應用在 rigid body

應用在 deformable body

應用在 incomperssible fluid

 

Pascal principle

differnce between Newtonian

minimal potential principle

difference between least action and virtue work

 

Virtual work does not depend on time (t), only a spacial function

Q: When virtue work equals to Newtonian law?

Q:

2009年7月19日 星期日

RF CMOS Tuner

superheterodyne receiver

一個 generic RF superheterodyne receiver可以分為 RF stage, IF stages (上圖有兩個 IF, 第二個 IF 是 baseband), 和 clocking subsystem。

RF receiver 要達成兩個目的: (I) 將天線接收微弱的RF信號 (例如 -100 dBm, 2.2uV, or 7dBuV) 放大;(II) 把不要的干擾信號濾掉。

(I) 主要是 focus on LNA 的設計,如何提供需要的 RF gain 和夠好的 Noise Figure, 讓 receiver total noise figure 控制的夠小。此外還必須有足夠的 dynamic range 來應付不同強弱的 receiver RF signal.

(II) 主要透過一連串的 filter 設計,濾掉不同頻帶的干擾信號。如下:

  Frequency Interference type Suppresion
Tracking Filter RF far (different band) < 10dB
Image Rejection Filter RF near (+/- N channel)* 30-50dB
IF Filter IF adjacent (+/-1) High Q, 40-50dB
Baseband channel selection filter BB adjacent (+/-1) 30-50dB*
Anti-alias Filter BB near (+/-K)* < 10dB

1: depending on IF frequency; 2: for ZIF or LIF; K depends on ADC oversampling frequency

 

Receiver Filtering

Superheterodyn receiver 有下面三種最常見的變形:(a) HIF (high IF); (b) LIF (low IF); and (c) ZIF (zero IF).  各自對 filter 有不同的要求。

ZIF: 上圖中省略 IF stage,RF 訊號直接 down convert 到 baseband。這是目前最普遍的 RF CMOS tuner。

優點是 RF 架構簡單,低功秏,並且不需要外接 SAW filter,可以達到很高的整合度。

缺點是需要許多的 calibration 來彌補 ZIF 架構上的問題;例如 DC offset calibration, IQ mismatch calibration, baseband filter bandwidth calibration。

receiver filter

第一級的 Band Select Filter 大略上 suppress out of band interference,避免。因為是 wideband filter,通常 suppression 效果有限,一般是在 10dB 以內。

LIF Frequency Interference type Suppresion
Tracking Filter RF far (different band) < 10dB
Image Rejection Filter RF near (+/- N channel)* 30-50dB
IF Filter IF adjacent (+/-1) High Q, 40-50dB
Baseband channel selection filter BB adjacent (+/-1) 30-50dB*
Anti-alias Filter BB near (+/-K)* < 10dB

LIF: 類似 LIF 架構。

例如

2009年7月5日 星期日

力耶?勢耶?孰優孰劣

孫子兵法:故善戰者,求之於勢。善戰人之勢,如轉圓石於千仞之山者,勢也。故上兵伐謀,其次伐交,其次伐兵,其下攻城。伐謀、伐交就是造勢、借勢。伐兵、攻城就是以力取勝。孫子兵法明顯認為 "勢" 優 "力" 劣。

古典力學的兩種 approach

一是大家都熟悉的牛頓力學 (Newtonian mechanics) 和三大定律 (實際上是假設):即 (i) F=0 的慣性定律, (ii) F=mA 運動定律,  和 (iii) 作用力和反作用力定律。其中最重要最關鍵的物理量就是力。這也是為什麼 mechanics 中文翻譯為 "力" 學。

另一類 approach 是基於最小作用原理 (least action principle),通常稱為 Lagrangian mechanics 或是 Hamiltonian mechanics。這裹只有一個假設,就是運動的物體會遵循最小的 action。什麼是 action(S),可以用下面公式定義:

\mathcal{S} = \int_{t_1}^{t_2}\; L(x,\dot{x})\,\mathrm{d}t 

其中 L = T - V。T (kinetic energy) 是動能。V (potential) 通常稱為位能,或是勢(能)。雖然 V 大多是位置的函數,但也可能是速度或是時間的函數,所以位能不是妥當的翻譯。

只要能找出 L (i.e. T-V),其它只是計算。T=1/2mv2 是 well-known.  主要的工作就是找出 V (勢)。

簡言之:牛頓力學 (Newtonian mechanics) 主要的工作就是找到所有的力。Largrangian or Hamiltonian mechanics 主要的工作就是找到勢。在多數的情況,找勢比找力簡單容易。意即"勢" 優 "力" 劣。

靜力學的例子

考慮一條均勻繩子或鏈子兩端固立,在重力場中自然垂下如下。

img025

從牛頓力學的靜力學觀點而言,每一小段鏈子的重力和上下兩端的張力的合力為零。雖然不難,但須費一番功夫。

在靜力場中,動能 T=0, S = (t2-t1) V.   因此在靜力學中,最小作用力原理簡化為最低勢能原理。解法如下:

img026

因為重力場函數是 -gy, 所以只要將每一小段鏈子質量乘上重力場即是每一小段的勢。最後再把所有小段的勢積分就得到全部的勢。

最小作用力原理的優點

(A) 不用找力,不論是明顯的外力 (重力),或是不明顯的內力 (張力);只需要找勢。勢通常只由外力造成,內力可以被忽略(除非有彈力位能)。這讓思考簡化很多,也容易讓電腦自動計算。

(B) 同時勢能是一純量,而力是一向量。這也讓計算簡化許多。

(C) 除此之外,最小作用原理是一普遍的原理。可以同樣適用在相對論力學,量子力學上。這是比牛頓的力學三定律更基本的原理。此外,結合廣義座標和微分幾何,可以得到更深的物理意義。請參閱參考資料。

參考資料: "The Variational Principles of Mechanics" by Lanczos

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