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基于MEMS技术的RF开关在电路中的设计

电子设计 ? 2019-03-20 08:22 ? 次阅读

RF开关用于从多个可用信号源中选择所需信号,或将信号路由到所需信道,如分集天线系统,雷达以及测试和测量设置等应用。开关(有时称为继电器)可以使用类似于非RF开关的机电(EM)设计构建,但现在已经被开关IC取代,除了在IC不足的高功率应用中,以及一些非常特殊情况或开关需要多极(触点)。

还有基于MEMS技术的RF开关复制机电设计但使用IC制造技术。本文重点介绍基于IC的固态开关,该开关采用SPDT(单刀双掷)布置(图1),通常采用FET和PIN二极管作为其核心开关元件。

基于MEMS技术的RF开关在电路中的设计

图1:SPDT RF开关在概念上很简单,控制信号指示开关将输入路由到两个可能的输出中的任何一个。 (由Skyworks Solutions提供)

这些是定义RF开关性能的许多参数,并且大多数参数必须与电源电压,温度,频率,功率电平和其他因素进行表征。有些在特定应用中尤其重要,而有些则可能不那么重要。请注意,大多数RF开关设计用于50Ω操作,但有些设计用于75Ω标准的有线电视。鉴于这些开关运行的频率很高,许多供应商现在提供S参数和史密斯圆图作为其数据表规格的部分(有关背景,请参阅techZone文章“史密斯圆图:一个‘古代’图形工具仍然在RF设计中仍然至关重要“),帮助工程师确定整体信号路径性能,匹配元件阻抗以实现最小损耗,以及建模系统性能。

工程师必须检查的第一个参数是开关的频率范围。例如,交换机的性能可以完全指定为1至5 GHz,或3至10 GHz,或者仅限于2.4 GHz WI-FI频段等有限频段(尽管交换机的工作范围较小,但不保证范围之外的范围)。由于潜在的半导体物理特性,基于PIN二极管的RF开关往往在较低频率下性能降低,而基于FET的器件可以在极低频率甚至DC下工作。

功率处理是下一个关键因素。然而,它不仅仅是交换机在故障发生之前能够处理多少功率,而是它在不同功率水平下的性能。今天的复杂调制方案和高平均信号功率比意味着交换机必须提供足够的线性度,相邻信道泄漏比(ACLR),失真,三阶互调产物(IP3)和带内误差矢量性能在感兴趣的功率水平下的幅度(EVM)。

在某些应用中,与频率范围无关的切换速度也很重要。虽然供应商的定义各不相同,但最常见的开启时间定义是在开关“位置”发生变化后,开关RF输出达到其最终值的90%的时间;关闭时间是减少到最终值的10%的时间。 IC开关的开启/关闭时间大约为微秒甚至纳秒(与EM开关相比,它们在毫秒范围内)。与开关速度密切相关,在许多应用中更为重要的是建立时间,当RF输出稳定在最终值的0.1 dB或甚至0.05 dB之内时,因为电路在达到非常接近之前不能对信号起作用在许多应用中,它是最终的,正确的阀门插入损耗定义了信号路径中的衰减。由于通道间电阻,它们对负载阻抗和相关信号反射的导通电阻的增加以及通过内部电容的泄漏,所有IC开关都会导致它们路由信号的一些损耗。插入损耗通常介于0.5和2 dB之间,供应商可以定制内部电阻和电容,以最大限度地减少指定工作频段内的损耗,但代价是降低该频段外的插入损耗。

隔离规范定义了传输RF信号到开关的断开(或脱离)抛出。开关设计人员可以再次设计利用器件物理特性的拓扑结构,并在不同频率下实现单独的折衷。因此,宽带开关在较低频率下可能具有80或甚至90 dB的隔离度,但在较高频率下仅具有30至40 dB的隔离度。

视频馈通表征当开关改变信号路径时出现在开关输出端的电压瞬变,甚至如果当时没有信号。在设计具有AGC(自动增益控制)的高增益放大器时非常重要,AGC旨在有意降低其增益以响应信号电平的增加。

驱动和功耗表明电子信号的类型和数量是多少需要管理交换机控制线,以及交换机本身作为有源设备的功率,与直流交换机不同,即使在不改变其路由路径时也会消耗。 (请注意,EM开关在切换时具有相对较高的功率需求,但切换时为零耗散,因为它们是无源器件。)

所有开关都存在可靠性问题。作为没有移动部件的设备,如果在其额定值内使用,IC开关可以“无限期地”(数亿次循环)运行,而EM开关可以仅指定数百万次循环。然而,升高的温度和热循环会降低IC开关的寿命,并且可能因过量的电源或ESD事件而损坏开关。最后,还有开关端接配置。 RF开关设计为反射开路或反射短路(有时称为吸收)设备。反射开路开关在开路连接上没有到系统地的分路,因此可以最大限度地减少未使用端口的负载。相比之下,反射 - 短路开关配置具有50Ω的接地终端路径(分流器),因此信号线上没有反射,因此无论开关状态如何,都具有低VSWR(垂直驻波比)。许多开关都有两种格式,但规格几乎相同。

不同的IC满足不同需求

Hittite MIcrowave Corp.(现为adi公司的一部分)HCM545是一款基本的GaAs SPDT开关,(图2),指定用于DC到3 GHz的操作,针对蜂窝基础设施,无线LAN,汽车设计和测试设备。它具有0.25 dB的典型损耗和+65 dBm的输入IP3,并且在“关闭”时在其端口上设计有反射短路。它由CMOS/TTL信号(0/+ 3 V至0/+ 8 V)控制,采用小型6引脚SOT26塑料封装。

基于MEMS技术的RF开关在电路中的设计

图2:Hittite HCM545使用基本的74C系列CMOS驱动器来操作信号路径控制引脚。

对于更高频率的覆盖但没有DC性能,Skywork Solutions的反射短路SKY13350-385LF GaAs SPDT开关覆盖0.01典型插入损耗为0.35 dB,典型隔离度为25 dB,均为3 GHz。它可以处理高达32 dBm的功率,10/90%的开关速度为45 ns。与几乎所有RF组件一样,性能是电源电压的函数;图3显示了IEEE 802.11a 5.2至5.8 GHz频段内各种电源电压的EVM与输出功率。

基于MEMS技术的RF开关在电路中的设计

图3:几乎所有有源RF组件对电源敏感电压,温度和功率水平;以下是Skyworks Solutions公司的SKY13350-385LF的EVM与供电电压和功率水平的变化。

对于频率更高的设计,M/A-Com MASW-002103-1363 SPDT开关是从50 MHz至20 GHz,最高可达26 GHz;功率处理能力为38 dBm。插入损耗(图4)在该范围的低端约为0.4 dB,在20 GHz时增加到1.0 dB,在25 GHz时增加到1.6 dB。

基于MEMS技术的RF开关在电路中的设计

图4:开关的插入损耗随着频率的增加而增加;在这里,M/A-Com MASW-002103-1363 SPDT开关损耗显示在DC至26 GHz之上。虽然大多数RF开关使用GaAs或CMOS技术,但Peregrine Semiconductor使用专有的UltraCMOS工艺(专利变体)蓝宝石衬底上的绝缘体上硅(SOI)技术提供了他们所声称的GaAs的性能与经济和传统CMOS的集成。他们的PE42520MLBA-Z吸收式RF开关专为测试/ATE和无线应用而设计。它的频率范围为9 kHz至13 GHz,功率处理额定值为36 dBm连续波(CW),38 dBm瞬时功率@ 8 GHz,50Ω。插入损耗分别在3,10和13 GHz时为0.8,0.9和2.0 dB,而在相同频率点的隔离度为45,31和18 dB。与所有RF开关一样,插入损耗也是温度的函数(图5)。

基于MEMS技术的RF开关在电路中的设计

图5:与大多数其他开关参数一样,插入损耗也是温度的函数;对于Peregrine Semiconductor PE42520MLBA-Z SPDT开关,它在-40°C至+ 85°C时增加约0.5 dB。

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信息LCX16244包含16个具有3态输出的同相缓冲器,可用作存储器和地址驱动器、时钟驱动器或总线导向发射器/接收器。 该器件为半字节控制器件。 每个半字节均有独立的3态控制输入,可以短接在一起进行完整的16位运行。 LCX16244设计用于接口能力达到5V信号环境的低压(2.5V或3.3V)V应用。 LCX16244采用先进的CMOS技术制造,以在实现高速运行的同时保持CMOS低功耗。 5V容差输入和输出 提供2.3V到3.6V V规格 4.5 ns t(最大值)、10 μA I(最大值) 掉电高阻抗输入和输出 支持带电插/拔(注1) ±24 mA输出驱动(V = 3.0V) 使用专利噪声/电磁干扰(EMI)消减电路 闩锁性能超过500 mA 静电放电(ESD)性能: 人体模型> 2000V 机械模型> 200V 同样采用塑料微间距球栅阵列(FBGA)封装...
发表于 04-18 19:36 ? 0次 阅读
74LCX16244 带5V容差输入和输出的低电压16位缓冲器/线路驱动器

74LCX16240 带5V容差输入和输出的低电压16位反相缓冲器/线路驱动器

信息LCX16240包含16个具有3态输出的反相缓冲器,可用作存储器和地址驱动器、时钟驱动器或总线导向发射器/接收器。 该器件为半字节控制器件。 每个半字节均有独立的3态控制输入,可以短接在一起进行完整的16位运行。 LCX16240设计用于接口能力达到5V信号环境的低压(2.5V或3.3V)V应用。 LCX16240采用先进的CMOS技术制造,以在实现高速运行的同时保持CMOS低功耗。 5V容差输入和输出 提供2.3V到3.6V V规格 4.5 ns t最大值(V = 3.3V),20 μA I最大值 掉电高阻抗输入和输出 支持带电插/拔(注1) ±24 mA输出驱动(V = 3.0V) 实施专利噪声/电磁干扰(EMI)消减电路 闩锁性能超过500 mA 静电放电(ESD)性能: 人体模型> 2000V 机械模型> 200V...
发表于 04-18 19:36 ? 0次 阅读
74LCX16240 带5V容差输入和输出的低电压16位反相缓冲器/线路驱动器

74LCX162244 低压 16 位缓冲器/线路驱动器(输出端带 26? 串联电阻)

信息LCX162244 包含 16 个具有 3 态输出的同相缓冲器,可用作存储器和地址驱动器、时钟驱动器或总线导向发射器/接收器。 该器件为半字节控制器件。 每个半字节均有独立的3态控制输入,可以短接在一起进行完整的16位运行。 LCX162244专门设计用于接口能力达到5V信号环境的低压(2.5V或3.3V)V应用。 此外,输出包含等效26ohm(标称)串联电阻,以减小过冲和欠冲,其设计旨在使灌电流/源电流在V= 3.0V时达到12 mA。 LCX162244 采用先进的 CMOS 技术制造,在实现高速运行的同时保持 CMOS 低功耗。 5 V 容差输入和输出 提供2.3V-3.6V V规格 输出端包含26ohm的等效串联电阻,从而不再需要外部终端电阻,并可减小过冲和欠冲 5.3 ns t最大值(V = 3.0V),20 μA I最大值 掉电高阻抗输入和输出 ±12 mA输出驱动(V = 3.0V) 实施专利噪声/电磁干扰(EMI)消减电路 闩锁性能超过500 mA 静电放电(ESD)性能: 人体模型>2000 V 机械模型>200 V 同样采用塑料细间距球栅阵列 (FBGA) 封装(初始版)...
发表于 04-18 19:35 ? 0次 阅读
74LCX162244 低压 16 位缓冲器/线路驱动器(输出端带 26? 串联电阻)

74ALVC162244 低电压16位缓冲/线路驱动器,带3.6V容差输入和输出,输出端带26 Ohm串联电阻

信息ALVC162244包含16个具有3态输出的同相缓冲器,可用作内存和地址驱动器、时钟驱动器或总线导向发射器/接收器。 该器件为半字节(4位)控制器件。 每个半字节均有独立的3态控制输入,可以短接在一起进行完整的16位运行。 74ALVC162244设计用于低电压(1.65V到3.6V)V应用,I/O能力最高可达3.6V。 74ALVC162244也设计为输出端带26ohm串联电阻。 此设计可降低应用中的线路噪声,如内存地址驱动器、时钟驱动器,或总线导向发射器/接收器。 74ALVC162244采用先进的CMOS技术制造,以在实现高速运行的同时保持CMOS低功耗。 1.65V至3.6V V电源操作范围 3.6V容差输入和输出电压 输出端带26ohm串联电阻 t最长3.8 ns,3.0V到3.6V V最长4.3 ns,2.3V到2.7V V最长7.6 ns,1.65V到1.95V V 断电高阻抗输入和输出 支持带电插拔 使用专利噪声/电磁干扰(EMI)消减电路 闩锁符合JEDEC JED78规定 静电放电(ESD)性能: 人体模型> 2000V 机械模型> 200V 同样采用塑料微间距球栅阵列(FBGA)封装...
发表于 04-18 19:19 ? 22次 阅读
74ALVC162244 低电压16位缓冲/线路驱动器,带3.6V容差输入和输出,输出端带26 Ohm串联电阻

74ACT541 八路缓冲器/线路驱动器(带3态输出)

信息AC540为八通道缓冲器/线路驱动器,设计用于内存和地址驱动器、时钟驱动器以及总线导向发射器/接收器。 这些器件在功能上与AC240相似,同时提供流通架构(输入在与输出相反的一端)。 这种引脚排列使得这些器件特别适合用作微处理器的输出端口,可实现轻松布局并获得更大的PC板密度。 I和I降低50% 3态输出 输出和输出在封装相反的两侧,更易于与微处理器接口 24 mA输出源电流/灌电流 74AC541是74AC540的一款同相选项 74ACT541具有TTL兼容输入...
发表于 04-18 19:19 ? 20次 阅读
74ACT541 八路缓冲器/线路驱动器(带3态输出)

74ACT244 八路缓冲器/线路驱动器(带3态输出)

信息AC/ACT244是一款八通道缓冲器和线路驱动器,设计用作存储器地址驱动器、时钟驱动器以及可提高印刷电路板密度的总线式发送器或接收器。 I和I降低50% 3态输出驱动总线线路或缓冲存储器地址寄存器 24 mA输出源电流/灌电流 ACT244具有TTL兼容输入
发表于 04-18 19:19 ? 24次 阅读
74ACT244 八路缓冲器/线路驱动器(带3态输出)

74ACT240 八路缓冲器/线路驱动器(带3态输出)

信息AC/ACT240是一款八通道缓冲器和线路驱动器,设计用作存储器地址驱动器、时钟驱动器以及可提高印刷电路板密度的总线导向发射器或接收器。 I和I降低50% 反相3态输出驱动总线线路或缓冲存储器地址寄存器 24 mA输出源电流/灌电流 ACT240具有TTL兼容输入
发表于 04-18 19:19 ? 23次 阅读
74ACT240 八路缓冲器/线路驱动器(带3态输出)

74AC540 八路缓冲器/线路驱动器(带3态输出)

信息AC540为八通道缓冲器/线路驱动器,设计用于内存和地址驱动器、时钟驱动器以及总线导向发射器/接收器。 这些器件在功能上与AC240相似,同时提供流通架构(输入在与输出相反的一端)。 这种引脚排列使得这些器件特别适合用作微处理器的输出端口,可实现轻松布局并获得更大的PC板密度。 I和I降低50% 3态反相输出 输出和输出在封装相反的两侧,更易于与微处理器接口 24 mA输出源电流/灌电流...
发表于 04-18 19:18 ? 24次 阅读
74AC540 八路缓冲器/线路驱动器(带3态输出)

74AC541 八路缓冲器/线路驱动器(带3态输出)

信息AC540为八通道缓冲器/线路驱动器,设计用于内存和地址驱动器、时钟驱动器以及总线导向发射器/接收器。 这些器件在功能上与AC240相似,同时提供流通架构(输入在与输出相反的一端)。 这种引脚排列使得这些器件特别适合用作微处理器的输出端口,可实现轻松布局并获得更大的PC板密度。 I和I降低50% 3态输出 输出和输出在封装相反的两侧,更易于与微处理器接口 24 mA输出源电流/灌电流 74AC541是74AC540的一款同相选项 74ACT541具有TTL兼容输入...
发表于 04-18 19:18 ? 22次 阅读
74AC541 八路缓冲器/线路驱动器(带3态输出)

74AC240 八路缓冲器/线路驱动器(带3态输出)

信息AC/ACT240是一款八通道缓冲器和线路驱动器,设计用作存储器地址驱动器、时钟驱动器以及可提高印刷电路板密度的总线导向发射器或接收器。 I和I降低50% 反相3态输出驱动总线线路或缓冲存储器地址寄存器 24 mA输出源电流/灌电流 ACT240具有TTL兼容输入
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74AC240 八路缓冲器/线路驱动器(带3态输出)

74AC244 八路缓冲器/线路驱动器(带3态输出)

信息AC/ACT244是一款八通道缓冲器和线路驱动器,设计用作存储器地址驱动器、时钟驱动器以及可提高印刷电路板密度的总线式发送器或接收器。 I和I降低50% 3态输出驱动总线线路或缓冲存储器地址寄存器 24 mA输出源电流/灌电流 ACT244具有TTL兼容输入
发表于 04-18 19:16 ? 28次 阅读
74AC244 八路缓冲器/线路驱动器(带3态输出)

BQ50002 无线功率驱动器和解调器

信息描述 bq50002 是一款高度集成的无线电源发送器模拟前端,其中包含实现符合 WPC 标准的 5V 发送器所需的全部模拟组件。bq50002 将全桥电源驱动器与 MOSFET、变频振荡器、双通道通信解调器、线性稳压器以及保护电路相集成。为实现紧凑型双芯片无线电源发送器解决方案,bq50002 必须与数字控制器 bq500511 搭配使用。 bq500511 可安全接合 Rx 器件、接收充电器件传输的通信数据包以及根据 WPC v1.2 规范管理功率传输。 该系统支持外来物体检测 (FOD),具体方法是通过持续监视传输功率并将功率值与接收器报告的接收功率相比较。 该功能可防止因在无线电源传输场中错误放置金属物体而产生功率损耗。 为此,bq50002 使用电流感测放大器对输入直流电流进行高精度测量。 如果在功率传输过程中出现任何异常情况,bq500511 会对其进行处理并提供指示输出。 综合状态和故障监视特性可实现一个经 WPC 认证的低成本、稳健耐用的无线电源系统设计。bq50002 采用 5.00mm × 5.00mm 32 引脚散热增强型四方扁平无引线 (QFN) 封装。特性 符合无线充电联盟 (WPC) V1.2 A11 低功耗发送器规范的 5V 发送器模拟前端 (AFE)专为与 bq500511 WPC 控制器搭配...
发表于 04-18 19:10 ? 55次 阅读
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MEMS加速度计陀螺仪磁力计的如何工作

技术成熟的MEMS加速度计分为三种:压电式、容感式、热感式,压电式MEMS加速度计运用的是压电效应,....
的头像 发烧友学院 发表于 04-18 16:16 ? 397次 阅读
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5G的到来 Skyworks和Qorvo开辟了智能手机之外的广阔市场空间

进入2019年,半导体股票在经历了2018年的大幅下挫之后触底回升。2018年,中美贸易战爆发,叠加....
发表于 04-18 15:11 ? 179次 阅读
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W83627THF和W83627THG Winbond LPC IO产品的用户手册免费下载

83627THF是Winbond LPC I/O产品。它在芯片中集成了以下主要的外围设备功能:磁盘驱....
发表于 04-18 08:00 ? 40次 阅读
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IT8661F即插即用超级AT IO芯片的用户手册免费下载

IT8661F即插即用超级AT I/O芯片是一款I用户友好、低成本的外围设备控制器。它提供了一个理想....
发表于 04-18 08:00 ? 46次 阅读
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MAX22513方案尺寸缩小3倍、功耗降低4倍,是工业4.0应用的理想选择

随着工业4.0系统的智能化程度越来越高,传感器和执行器必须不断减小尺寸、提升可靠性、降低功耗,以更轻....
的头像 美信半导体 发表于 04-17 18:11 ? 1294次 阅读
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2019年真的会成为MEMS激光雷达技术路线元年吗?

一是MEMS微振镜帮助激光雷达摆脱了笨重的马达、多棱镜等机械运动装置,毫米级尺寸的微振镜大大减少了激....
的头像 MEMS 发表于 04-17 18:01 ? 1074次 阅读
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电容式和差分电容式传感器的工作原理及应用

单电容传感器的一个极板固定,称为静极板,另一极板与被测物体连接为动极板。差分电容传感器的上下极板均固....
发表于 04-17 15:01 ? 167次 阅读
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高精度 MEMS解决方案助力产品开发

随着“工业4.0”推进,MEMS传感器迎来了巨大的发展机遇。
的头像 MEMS 发表于 04-16 18:10 ? 512次 阅读
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Power Integrations推出各种高效、高可靠性、高集成度的电机驱动器参考设计方案

BridgeSwitch器件的半桥驱动器集成方式可以非常灵活地适用于单相或多相电机驱动应用,并且兼容....
的头像 PI电源芯片 发表于 04-16 14:55 ? 372次 阅读
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博世半导体又推出了其最新的产品SMI230

博世最新的SMI230产品能够精确测量车辆的偏航角速度以及加速度,帮助车辆的导航系统持续计算车辆运动....
的头像 MEMS 发表于 04-16 11:45 ? 1433次 阅读
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MEMS激光雷达技术及其相比机械式激光雷达的优势!

MEMS微镜已经存在多年,甚至在视频投影机这样的日常设备中得到了应用。当今MEMS微镜的问题在于很难....
的头像 MEMS 发表于 04-16 11:33 ? 923次 阅读
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THS3091和THS3095运算放大器的数据手册免费下载

THS3091和THS3095是一种高电压、低失真、高速、电流反馈放大器,设计用于在宽的T5 V至1....
发表于 04-16 08:00 ? 61次 阅读
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51单片机的并口知识点详细资料说明

51单片机有4个并行输入∕输出口,每个口有8根口线,因而4个端口共有32根口线。每个都是双向口,既可....
发表于 04-15 18:24 ? 36次 阅读
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51单片机按键控制步进电机加减速及正反转的资料和程序免费下载

之前尝试用单片机控制42步进电机正反转,电机连接导轨实现滑台前进后退,在这里分享一下测试程序及接线图....
发表于 04-15 18:22 ? 74次 阅读
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电机控制和工厂自动化的门面:STSPIN、MCSDK、收发器和预测性维护

许多工程师都是因为STSPIN 电机驱动器而了解ST的,例如,我们获得巨大成功的STSPIN820,....
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随着智能手机中智能语音应用的逐渐升级,作为语音沟通中最重要的接收和信号转化的载体,MEMS麦克风也因....
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深入了解工业应用的高性能RF MEMS开关

当栅极和源极之间的偏置电压超过开关阈值电压时,梁上的触点便接触漏极,源极和漏极之间的电路闭合,开关接....
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“机器人和无人机是绝对可能的应用领域,”Gylfason说,“目前的激光雷达系统对于自动驾驶汽车而言....
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新型 MEMS光束操纵技术有望大幅降低激光雷达成本

研究人员首次利用MEMS可调谐波导光栅在实验中成功演示了低功率光束操纵技术。
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DaVinci Resolve15&16添加了协同工作功能,配合东睿ARC-8050T3-SAN雷电共享存储

所谓协同工作(Collaborative work),就是指多个人共同完成同一个工程。多人同时打开同....
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宽温/高压/高灵活性数字隔离器产品组合

Silicon Labs 的 ISOdrivers 产品提供了超快的传输延迟,具有更好的时序余量、绝....
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无刷直流电机驱动的乐趣在于算法

无刷直流电机驱动的乐趣在于算法。您可以实现有传感器或无传感器监控、梯形或正弦控制、磁场定向控制(FO....
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IOE-RELAY-PW01使用说明手册资料免费下载

本文档的主要内容详细介绍的是IOE-RELAY-PW01继电器使用说明手册资料免费下载。
发表于 04-11 08:00 ? 124次 阅读
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基于MEMS技术的微型硅基声呐器件提供了毫米级精度的距离传感功能

超低功耗的片上系统(SoC)控制整个ToF处理过程:发送超声波脉冲,将接收的超声回波数字化,检测To....
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基于MEMS技术的微型硅基声呐器件提供了毫米级精度的距离传感功能
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