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  • 详解峰值检测电路几电路原理

    一、峰值检测电路定义   峰值检测电路(PKD,Peak Detector)的作用是对输入信号的峰值进行提取,产生输出Vo = Vpeak,为了实现这样的目标,电路输出值会一直保持,直到一个新的更大的峰值出现或电路复位。   峰值检测电路在AGC(自动增益控制)电路和传感器最值求取电路中广泛应用,自己平时一般作为程控增益放大器倍数选择的判断依据。有的同学喜欢用AD637等有效值芯片作为程控增益放大器的判据,主要是因为集成的方便,但个人认为是不合理的,因为有效值和信号的正负峰值并没有必然联系;其次,实际应用中这类芯片太贵了。当然,像电子设计竞赛是可以的,因为测试信号总是正弦波,方波等。 二、峰值检测电路原理   顾名思义,峰值检测器(PKD,Peak Detector)(本文默认以正峰值检测为例)就是要对信号的峰值进行采集并保持。其效果如下如(MS画图工具绘制):   根据这样的要求,我们可以用一个二极管和电容器组成最简单的峰值检测器。如下图(TINA TI 7.0绘制):   这时候我们可以选择用面包板搭一个电路,接上信号源示波器观察结果,但在这之前利用仿真软件TINA TI进行简单验证会节省很多时间。通过简单仿真(输入正弦信号5kHz,2Vpp),我们发现仅仅一个二极管和电容器组成的峰值检测器可以工作,但性能并不是很理想,对1nF的电容器,100ms后达到稳定的峰值,误差达10%。而且,由于没有输入输出的缓冲,在实际应用中,电容器中的电荷会被其他部分电路负载消耗,造成峰值检测器无法保持信号峰值电压。    既然要改进,首先要分析不足。上图检测的误差主要来自与二极管的正向导通电压降,因此我们可以用模电书上说的“超级二极管”代替简单二极管(TINA TI 7.0绘制):    从仿真结果来看,同等测试条件下,检测误差大大减小。但我们知道,超级二极管有一个缺点,就是Vi从负电压变成正电压的过程中,为了闭合有二极管的负反馈回路,运放要结束负饱和状态,输出电压要从负饱和电压值一直到(Vi+V二极管)。这个过程需要花费时间,如果在这个过程,输入发生变化,输出就会出现失真。    因此,我们需要在电路中加入防止负饱和的措施,也就是说,我们输入部分的处理环节要能够尽量跟随输入信号的电压,并提供一个尽可能理想的二极管,同时能够提供有效的输入缓冲。一个经典的电路是通过在输入和输出间增加一个二极管,这有点类似于电压钳位(TINA TI 7.0绘制):    经过以上的简单描述,其实我们已经可以将峰值检测器分成几个模块:    (1)模拟峰值存储器,即电容器。    (2)单向电流开关,即二极管。    (3)输入输出缓冲隔离,即运算放大器。    (4)电容放电复位开关(这部分非必须,如:如果电容值选取合适,两次采样时间间隔较大)。 3、几种峰值检测电路    采用二极管和电容器组成的峰值检测电路有多种实现方式和电路形式,在TI等公司的一下文献中,我们可以查到不少。就自己个人实验的结果而言,二极管、电容、放大器组成的峰值检测器有效工作频率范围在500kHz一下,对100mVpp以上的输入信号检测误差可达到3%以内,后文中3.2的曲线图能较有代表性地反映这类峰值检测器的性能。 3.1分立二极管电容型    TI公司的Difet 静电计级运算放大器OPA128的DATASHEET里提供了一个很好用的峰值检测器:    TINA TI的仿真结果如下:    值得一提的是,该图有几个用心之处:    (1)采用FET运放提高直流特性,减小偏置电流OPA128的偏置电流低至75fA。    (2)将场效应管当二极管用,可以有效减小反向电流同时增加第一个运放的输出驱动力。    (3)小电容应该是防止自激的。实际应用中可以用TL082双运放和1N4148来代替场效应管,性能价格比较高。 3.2无二极管型    该图使用TINA TI 7.0和Multisim10.1均未仿真成功,但电路应该是没有问题的,只是性能得看实验。重点一提的是EDN英文版上有篇文章(见参考文献)提供了一种非常棒的PKD:    性能如下:    该图用TINA未能仿真成功,Mutisim 12仿真成功:    性能如下: 3.3集成峰值检测电路    ADI公司有一款集成的PKD——PKD01,本质也是二极管加电容的结构,性能不详。 3.4其他结构峰值检测电路    在高速的环境下,二极管和电容结构的电路就无法适应了,作者见过FPGA+DAC+高速比较器组成的峰值检测器,原理很简单,就是将DAC输出和输入信号作比较,FPGA负责DAC电压输出控制和比较器输出检测。 四、检查电路实例 4.1基本的峰值检测电路   本实验以峰值检测器为例, 说明可利用反馈环改进非线性的方法。峰值检测器是用来检测交流电压峰值的电路, 最简单的峰值检测器依据半波整流原理构成电路。如图下所示, 交流电源在正半周的一段时间内, 通过二极管对电容充电, 使电容上的电压逐渐趋近于峰值电压。只要 RC 足够大,可以认为其输出的直流电压数值上十分接近于交流电压的峰值。   这种简单电路的工作过程是, 在交流电压的每一周期中, 可分为电容充电和放电两个过程。在交流电压的作用下, 在正半周的峰值附近一段时间内, 通过二极管对电容 C 充电,而在其它时段电容 C 上的电压将对电阻 R 放电。当然,当外界交流电压刚接上时,需要经历多个周期, 多次充电, 才能使输出电压接近峰值。但是, 困难在于二极管是非线性元(器)件, 它的特性曲线如实图下所示。当交流电压较小时,检测得的直流电压往往偏离其峰值较多。   这里的泄放电阻R,是指与 C 并联的电阻、下一级的输入电阻、二极管的反向漏电阻、以及电容及电路板的漏电等效电阻。不难想到, 放电是不能完全避免的。同时, 适当的放电也是必要的。特别是当输入电压变小时, 通过放电才能使输出电压再次对应于输入电压的峰值。实际上, 检测器的输出电压大小与峰值电压的差别与泄放电流有关。仅当泄放电流可不计时, 输出电压才可认为是输入电压的峰值。用于检测仪器中的峰值检测器要求有较高的精度。检测仪器通常 R 值很大,且允许当输入交流电压取去后可有较长的时间检波输出才恢复到零。可以用较小的电容,从而使峰值电压建立的时间较短。   本实验的目的, 在于研究如何用运算放大器改进峰值检测器, 进一步了解运算放大器之应用。 4.2峰值检测电路的改进   为了避免次级输入电阻的影响, 可在检测器的输出端加一级跟随器(高输入阻抗)作为隔离级。   也可以按需要加一可调的泄放电阻。如果允许电路有很长的放电时间, 也可以不用外加泄放电阻。这种电路可以有效地隔离次级的影响, 且跟随器的输出电压(Vo)可视为与电容上的电压相等。   电路中的二极管, 仅在 Vi-Vo > 0 时才导通, 使电容C充电。这时, 二极管上的电压为(Vi-Vo)。为使在(Vi-Vo)很小时也能有足够的充电速度, 可将(Vi-Vo)经过放大, 再作用于二极管。按照这一设想, 可在检测器前加一级比较放大器。   在分析时常认为运算放大器失偏电压为理想值 0V。比较放大器是开环的差动放大器,它可以有很高的增益, 只要 Vi 略大于 Vo, 就可以输出很大的电压驱动 D1 对电容充电。例如运算放大器的增益为 100dB量级, 只需 Vi 比 Vo 大 0.02mV, 就可以输出 2V 的正向电压,显然, 加速了电容的充电过程,直至使 Vo 等于 Vi 的峰值为止。实际工作中, 决定 Vo 与 Vi 有差别的一个重要因素, 将是放大器输入端的失调电压。当然, 放大器也应有足够的带宽,以适应要求检测的交流电压的频率范围。   在 Vi-Vo < 0 时, 比较放大器的输出电压接近于负电源电压, 使 D1 上有较大的反向电压, D1 就会有一定的反向泄漏电流。为抑制 D1 的反向电流, 应使 D1 的正极在反向时的电压, 只略低于 Vo。为此, 在比较放大器(A2)与 D1 之间增设二极管 D2 和电阻 R2。   在 Vi > Vo 时, A2 输出较大的正向电压, 使 D2 与 D1 导通对电容充电。   在 Vi < Vo 时, A2 输出的反向电压使 D2 关断。这时, D2 的负极(D1 的正极)通过 R2 联于 A1 的输出端, 使 R2 一端的电压(对地)为 Vo。如图所示, 流过 D2 的反向电流通过 R2, 因而使 D2 的负极(D1 的正极)上和电容上的电压得以保持。   通常 R2 为数百kW的电阻, 例如在实图下中 R2 为 560kW。若 D2 的反向电流为 0.2mA, 则 R2 上的电压为 0.11V, 即 D1 上的反向电压为 0.11V。由此可见, D2 和 R2 有效的抑制了D1的反向电流, 其作用相当于增大了检测电路的泄放电阻。   还需注意, D2 还有极间电容 C2, 它与 R2 组成阻容耦合电路。以上的分析略去了 C2 的作用,实际上是假定输入信号的频率满足:W << 1/(R2C2)。   因此, 除了选用级间电容较小的二极管之外, 还应参照上式选择 R2。   上图是改进的峰值检测器的原理图。该电路还有一个实际问题。在输入信号的每周期的大部分时间中处于 Vi < Vo 的状态, 因而 A2 输出端的电压几乎等于负电源电压, A2 的中间级和输出级的某些管子, 必处于深饱和和深截止状态。仅当 Vi 在峰值附近的一小段时间中, A2 才可能在线性区中, A2 的某些管子应从深饱和状态(或深截止状态)转向线性区(放大区)中的状态。管子的这种状态的转换需要经历一段时间才能完成。这种效应限制了输入信号频率, 亦即限制了检测速度。   为了改善电路的速度, 用非线性元(器)件 D3, 将比较放大器组成非线性反馈的放大器。在 Vi > Vo 时,Vo2 高于 Vo, D3 处于反偏置状态(不导通),A2 仍可视为无反馈的高增益电路; 在 Vi < Vo 时,Vo2 低于 Vo, D3 处于正偏置状态(导通)呈现为低阻抗, A2 可视为有强反馈的低增益放大器。若 D3 的正向等效电阻为 RD3, 在 rD3 << R3 时, 只要 R3 充分大,保持 Vo 值变化较小,对于输入信号来说, 该电路相当于有偏置的跟随器。   若 rD3 可不计则输出电压为:Vo2 ≌ Vi -Vo – VD3。    Vo2 的最低值为 Vo2min ≌ -2VP – VD3。   式中 Vp 是输入电压 Vi 的峰值。在设计电路时, 若使 Vi 的最大峰值小于 A2 的负向摆幅之半,则 A2 就可以保持在线性区工作。当然,D3的 反向电阻应尽可能大,以保证 Vo2 为正值时不致通过 D3 泄漏至 Vo。   综上所述, 较完善的峰值检测器电路如实图下所示。   参数选择:   按照上面的分析, R3 应满足:RD3 >> R3 >> rD3 ,RD3 是 D3 的反向等效电阻。因 rD3 常在 100W 量级, RD3 常在 1000kW 量级或更大, 故 R3 可选为 10kW 量级。   整个电路,A2是输入缓冲,其输入端包含A1的输出反馈,用于实现比较功能“Vi高于Vo就打开下级电路”。A1是输出缓冲。   注意:   1、只要 R3 充分大,就能保持 Vo 值变化较小。    2、R2用于减少D2的反相泄露电阻。

    11-19 181浏览
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    09-13 242浏览
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    08-26 174浏览
  • 传了好多年了!运算放大器那些经典的应用电路

    运算放大器的经典应用电路分析

    08-20 168浏览
  • 如何维修无图纸电路板的实用技巧

    怎样维修无图纸电路板? 1.要“胸有成图” 要彻底弄懂一些典型电路的原理,烂熟于心。图纸是死的,脑袋里的思想是活的,可以类比,可以推理,可以举一反三,一通百通。 比如开关电源,总离不开振荡电路、开关管、开关变压器这些,检查时要检查电路有没有起振,电容有没有损坏,各三极管、二极管有没有损坏,不管碰到什么开关电源,操作起来都差不多,不必强求有电路图﹔比如单片机系统,包括晶振、三总线(地址线、数据线、控制线)、输入输出接口芯片等,检修起来也都离不开这些范围﹔又如各种运算放大器组成的模拟电路,纵它变化万千,在“虚短”和“虚断”的基础上去推理,亦可有头有绪,条分缕析,弄个明明白白。练就了分析和推理的好功夫后,即使遇到从未见过的设备,也只要从原理上搞明白就可以了。 2.要讲究检修先后顺序 讲究检修顺序才可找到解决问题的最短路径,避免乱捅乱拆,维修不成,反致故障扩大。维修就象医生给人看病,也讲究个“望闻问切”。“望”即检查故障板的外观,看上面有没有明显损坏的痕迹,有没有元件烧黑、炸裂,电路板有无受腐蚀引起的断线、漏电,电容有没有漏液,顶部有没有鼓起等;“闻”用鼻子嗅一嗅有没有东西烧焦的气味,这气味是从哪里发出的;“问”很重要,要详细地询问当事人,设备出故障当时的情况,从情况推理可能的故障部位或元件;“切”即动用一定的检测仪器和手段,分通电和不通电两种情况,检查电路部位或元件的阻值、电压、波形等,将好坏电路板对比测试,观察参数的差异等。 其实有很多故障你连万用表都没用上就解决了,电路图自然免了。 3.要善于总节规律 一般有一定的维修经验积累后,要善于总节分析每一次元件损坏的原因,是操作不当?欠缺维护?设计不合理?元件质量欠佳?自然老化?相关文章:最容易引发电路故障的元器件都有哪些?有了这些分析,下次再碰到同类故障,尽管不是相同的电路板,心里也就有了一点底。 4.要善于寻找资料 自从互联网出现以来,寻找资料变得非常容易。不明白的设备原理,不明白的电路原理,几乎都可以从网上找得到,什么IC资料都可以从网上找得到。 5.要有必要的检测设备 如果你将维修当成自己的一番事业,那么一定的设备投资是必要的。电烙铁、万用表、常用的拆装工具,牌子不要太差。有条件的话再弄一个100M的双踪示波器,再有条件的话,臵个在线维修测试仪。 工控电路板电容损坏的故障特点及维修 电容损坏引发的故障在电子设备中是最高的,其中尤其以电解电容的损坏最为常见。 电容损坏表现为: 容量变小 完全失去容量 漏电 短路 电容在电路中所起的作用不同,引起的故障也各有特点。在工控电路板中,数字电路占绝大多数,电容多用做电源滤波,用做信号耦合和振荡电路的电容较少。用在开关电源中的电解电容如果损坏,则开关电源可能不起振,没有电压输出;或者输出电压滤波不好,电路因电压不稳而发生逻辑混乱,表现为机器工作时好时坏或开不了机,如果电容并在数字电路的电源正负极之间,故障表现同上。这在电脑主板上表现尤其明显,很多电脑用了几年就出现有时开不了机,有时又可以开机的现象,打开机箱,往往可以看见有电解电容鼓包的现象,如果将电容拆下来量一下容量,发现比实际值要低很多。 电容的寿命与环境温度直接有关,环境温度越高,电容寿命越短。这个规律不但适用电解电容,也适用其它电容。所以在寻找故障电容时应重点检查和热源靠得比较近的电容,如散热片旁及大功率元器件旁的电容,离其越近,损坏的可能性就越大。 有些电容漏电比较严重,用手指触摸时甚至会烫手,这种电容必须更换。 在检修时好时坏的故障时,排除了接触不良的可能性以外,一般大部分就是电容损坏引起的故障了。所以在碰到此类故障时,可以将电容重点检查一下,换掉电容后往往令人惊喜(当然也要注意电容的品质,要选择好一点的牌子,如红宝石、黑金刚之类)。 电阻损坏的特点与判别 要了解了电阻的损坏特点,就不必大费周章,相关推荐:分析各类电子元器件的失效机理。 电阻是电器设备中数量最多的元件,但不是损坏率最高的元件。电阻损坏以开路最常见,阻值变大较少见,阻值变小十分少见。常见的有碳膜电阻、金属膜电阻、线绕电阻和保险电阻几种。前两种电阻应用最广,其损坏的特点一是低阻值(100Ω以下)和高阻值(100kΩ以上)的损坏率较高,中间阻值(如几百欧到几十千欧)的极少损坏;二是低阻值电阻损坏时往往是烧焦发黑,很容易发现,而高阻值电阻损坏时很少有痕迹。线绕电阻一般用作大电流限流,阻值不大。圆柱形线绕电阻烧坏时有的会发黑或表面爆皮、裂纹,有的没有痕迹。水泥电阻是线绕电阻的一种,烧坏时可能会断裂,否则也没有可见痕迹。保险电阻烧坏时有的表面会炸掉一块皮,有的也没有什么痕迹,但绝不会烧焦发黑。根据以上特点,在检查电阻时可有所侧重,快速找出损坏的电阻。 根据以上列出的特点,我们先可以观察一下电路板上低阻值电阻有没有烧黑的痕迹,再根据电阻损坏时绝大多数开路或阻值变大以及高阻值电阻容易损坏的特点,我们就可以用万用表在电路板上先直接量高阻值的电阻两端的阻值,如果量得阻值比标称阻值大,则这个电阻肯定损坏(要注意等阻值显示稳定后才下结论,因为电路中有可能并联电容元件,有一个充放电过程),如果量得阻值比标称阻值小,则一般不用理会它。这样在电路板上每一个电阻都量一遍,即使“错杀”一千,也不会放过一个了。 运算放大器的好坏判别方法 理想运算放大器具有“虚短”和“虚断”的特性,这两个特性对分析线性运用的运放电路十分有用。为了保证线性运用,运放必须在闭环(负反馈)下工作。如果没有负反馈,开环放大下的运放成为一个比较器。如果要判断器件的好坏,先应分清楚器件在电路中是做放大器用还是做比较器用。 对于运算的认识,可以移步此文:看懂运算放大器原理。 从图上我们可以看出,不论是何类型的放大器,都有一个反馈电阻Rf,则我们在维修时可从电路上检查这个反馈电阻,用万用表检查输出端和反向输入端之间的阻值,如果大的离谱,如几MΩ以上,则我们大概可以肯定器件是做比较器用,如果此阻值较小0Ω至几十kΩ,则再查查有无电阻接在输出端和反向输入端之间,有的话定是做放大器用。 根据放大器虚短的原理,就是说如果这个运算放大器工作正常的话,其同向输入端和反向输入端电压必然相等,即使有差别也是mv级的,当然在某些高输入阻抗电路中,万用表的内阻会对电压测试有点影响,但一般也不会超过0.2V,如果有0.5V以上的差别,则放大器必坏无疑! 如果器件是做比较器用,则允许同向输入端和反向输入端不等, 同向电压>反向电压,则输出电压接近正的最大值; 同向电压<反向电压,则输出电压接近0V或负的最大值(视乎双电源或单电源)。 如果检测到电压不符合这个规则,则器件必坏无疑! 这样你不必使用代换法,不必拆下电路板上的芯片就可以判断运算放大器的好坏了。 万用表测试SMT元件的一个小窍门 有些贴片元件非常细小,用普通万用表表笔测试检修时很不方便,一是容易造成短路,二是对涂有绝缘涂层的电路板不便接触到元件管脚的金属部分。这里告诉大家一个简便方法,会给检测带来不少方便。 取两枚最小号的缝衣针,(深度工控维修技术专栏)将之与万用表笔靠紧,然后取一根多股电缆里的细铜线,用细铜线将表笔和缝衣针绑在一起,再用焊锡焊牢。这样用带有细小针尖的表笔去测那些SMT元件的时候就再无短路之虞,而且针尖可以刺破绝缘涂层,直捣关键部位,再也不必费神去刮那些膜膜了。 电路板公共电源短路故障的检修方法 电路板维修中,如果碰到公共电源短路的故障往往头大,因为很多器件都共用同一电源,每一个用此电源的器件都有短路的嫌疑,如果板上元件不多,采用“锄大地”的方式终归可以找到短路点,如果元件太多,“锄大地”能不能锄到状况就要靠运气了。在此推荐一比较管用的方法,采用此法,事半功倍,往往能很快找到故障点。 要有一个电压电流皆可调的电源,电压0-30V,电流0-3A,此电源不贵,300元左右。将开路电压调到器件电源电压水平,先将电流调至最小,将此电压加在电路的电源电压点如74系列芯片的5V和0V端,视乎短路程度,慢慢将电流增大,用手摸器件,当摸到某个器件发热明显,这个往往就是损坏的元件,可将之取下进一步测量确认。当然操作时电压一定不能超过器件的工作电压,并且不能接反,否则会烧坏其它好的器件。 一块小橡皮,解决大问题 工业控制用到的板卡越来越多,很多板卡采用金手指插入插槽的方式.由于工业现场环境恶劣,多尘、潮湿、多腐蚀气体的环境易使板卡产生接触不良故障,很多朋友可能通过更换板卡的方式解决了问题,但购买板卡的费用非常可观,尤其某些进口设备的板卡。其实大家不妨使用橡皮擦在金手指上反复擦几下,将金手指上的污物清理干净后,再试机,没准就解决了问题!方法简单又实用。 时好时坏电气故障的分析 各种时好时坏电气故障从概率大小来讲大概包括以下几种情况: 1.接触不良 板卡与插槽接触不良、缆线内部折断时通时不通、线插头及接线端子接触不好、元器件虚焊等皆属此类; 2.信号受干扰 对数字电路而言,在特定的情况条件下,故障才会呈现,有可能确实是干扰太大影响了控制系统使其出错,也有电路板个别元件参数或整体表现参数出现了变化,使抗干扰能力趋向临界点,从而出现故障; 3.元器件热稳定性不好 从大量的维修实践来看,其中首推电解电容的热稳定性不好,其次是其它电容、三极管、二极管、IC、电阻等,相关失效案例请移步此处:开发VS测试VS用户,温度过高导致产品崩了。 4.电路板上有湿气、积尘等 湿气和积尘会导电,具有电阻效应,而且在热胀冷缩的过程中阻值还会变化,这个电阻值会同其它元件有并联效果,这个效果比较强时就会改变电路参数,使故障发生; 5.软件也是考虑因素之一 电路中许多参数使用软件来调整,某些参数的裕量调得太低,处于临界范围,当机器运行工况符合软件判定故障的理由时,那么报警就会出现。

    08-16 278浏览
  • 12位ADC如何计算才正确?

    计算12位ADC输入电压Vin=AD值*Vref/4095:式中到底是4095还是4096呢?

    08-09 241浏览
  • PCB上的过孔大小对散热的影响

    在自然对流散热产品中,PCB上的过孔大小对散热的影响是很大的,但是具体有多大,还不知道,我们就从简单的产品分析开始,以单个芯片的过孔参数为对象,研究过孔参数变化对导热系数的影响: 条件: 4层板   PCB 尺寸100x100x1.6mm 芯片尺寸:40x40x3mm 过孔范围:40x40mm 过孔镀铜厚度:0.025mm 过孔间距:1.2mm 过孔之间填充:空气 针对过孔,主要有以下几个参数对散热有影响: 过孔的直径 过孔的数量 过孔铜箔的厚度 当然手工也可以计算(并联导热): 不过既然有了软件,我们可以利用软件快速地计算出各种组合的变化: 1 过孔的直径影响(其他参数不变) (为什么是线性呢?想想......) 2 过孔的数量影响(其他参数不变) (也是线性。。) 3 过孔的铜箔厚度影响(其他参数不变) (还是线性。。) 结论: 加热过孔的目的就是为了增强Z向导热的能力,让发热面的元件快速冷却,所以,结合以上的数据可以看出,增加孔径,增加镀层厚度,增加过孔数目都是能显著强化Z向的导热的。 需要注意的是孔径的增加会破坏XY向平面的导热效果,不过这种破坏几乎可以忽略不计的。 另外,在过孔里面增加填充材料也能进一步提高Z向的导热效果。 在自然对流情况下,用过孔来进行对流散热带走的热量同样可以忽略不计。

    08-07 109浏览
  • 如何优化PCB设计中的去耦电容布局

    “ 电路中装设在元件的电源端的电容为去耦电容。”01—去耦电容去耦电容是电路中装设在元件的电源端的电容,此电

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