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          从信号完整性角度谈选择示波器

          黄工的嵌入式技术圈 ? 2020-01-13 15:40 ? 次阅读

          ?我们经常听到身边的硬件工程师们提到关于信号完整性的话题。 ?那么信号完整性具体是指什么呢?

          信号完整性(Signal Integrity:简称SI),指信号线上的信号质量,是信号在电路中能以正确时序和电压做出响应的能力。

          电路中信号能以要求的时序、持续时间和电压幅度到达接收端时,该电路就有很好的信号完整性。信号完整性问题包括误触发、阻尼振荡、过冲、欠冲等,会造成时钟间歇振荡和数据出错。

          设计环节中,信号完整性是必不可少的考虑因素,当然,在信号测试和调试环节,我们也应对信号完整性问题引起重视,否则会引起测量结果误差,影响工程师判断,调试和改进电路的方向。

          在基础的电子信号测量中,我们通?;嵫∮?a target='_blank' class='arckwlink_hide'>示波器来对信号进行测量。因此,如何选择一款有利于信号完整性测量的示波器尤为重要。

          接下来我们主要从几个大方向介绍了哪些因素会影响信号完整性的测量。(文中主要讨论的为数字示波器)。 ?

          No.1

          带宽

          带宽是我们对于示波器最直接认知的一个指标,他指的是当频率提高到某个值,输入信号幅值刚好被衰减3dB 时所对应的频率点。

          对于信号完整性测量来说,带宽越高越好。这句话从某种意义上来讲是正确的。

          我们知道,任何信号都可以分解成无数次谐波的叠加。理论上来说,带宽覆盖被测信号能量的99.9%,测量的误差可以小于3%。

          根据我们一贯的经验,带宽的要求是被测信号的5倍。但是有这样一种信号,他的基频很低,但是却有快速的上升时间,很有可能会引起振铃现象,这意味着高次谐波能量占的比重大。

          这个时候,5倍法不再适用,并且我们无法得知,哪个频率点我们刚好能覆盖99.9%的能量。如果选择的带宽较低,则意味着这些高频分量会被漏掉,我们没法准确地在示波器上重建信号。

          所以,我们在考虑如何选择示波器时,不仅要考虑带宽的影响,同时也需要考虑到上升时间的影响。这两者都是影响信号完整性的重要因素。

          No.2

          上升时间

          事实上,上升时间并不仅仅指前文我们提到的信号的上升时间,对于示波器来讲,也是具有上升时间这个指标的。

          我们为什么把上升时间拿到和带宽同等的高度来分析它?

          试想,两个具备相同带宽性能的示波器却具有不同的上升时间。那么对于我们测量信号而言,选择哪一个才能更加准确地测量信号?

          尤其是在测量一些快沿和高速串行信号等复杂信号时。

          首先我们先明确示波器的上升时间指的是什么。

          理论上来讲,他是示波器放大器的阶跃响应,反映的是示波器前置放大器的瞬态响应能力?;赗C模型的高斯响应我们可以推导出:

          上升时间=0.35/带宽

          事实上,实际示波器带宽和上升时间的关系可能是0.35-0.5。这取决于示波器频响曲线的形状,有些示波器使用的是高斯型,有些是四阶贝塞尔型,有些是升余弦型。

          但在实际测量中,示波器配合探头测量信号,这样,示波器和探头就组成了一个系统,我们可以得到以下的结论:

          Rise_Time Measure2?

          =Rise_Time scope2

          +Rise_Time Probe2

          +Rise_Time Signal2

          示波器和探头的上升时间越小,越有利于真实地重建信号,对信号测量的误差影响越小。

          这意味着就算是相同的带宽,示波器测量信号完整性的能力还可以通过示波器的上升时间来加以区分。

          示波器真实的上升时间无法通过带宽来进行计算,?最可靠的方法只能是通过一个理想的阶跃信号去测量。

          No.3

          频率响应

          除了考虑上述带宽和上升时间以外,同时我们也应考虑在带宽内,是否具有平坦的响应。

          不平坦的带内响应,很有可能会导致信号的失真。所以,我们在示波器具备相同带宽的同时,我们也可以要求示波器厂商提供示波器的频响图,以便考察。

          如图为SDS3000X示波器的幅频特性曲线,可以看出,4个通道在带内的曲线都很一致且平滑。

          图1 SDS3000X示波器幅频特性曲线

          No.4

          ADS

          数字示波器的本质是将模拟信号采样为一个一个的离散点。

          连续的模拟信号在转换为数字信号的离散化过程中?,由于没有无限数量的离散化的数字电平来重组连续的模拟信号,实际的模拟电压值与对应的数字化电平值之间总会有偏差,这个偏差值叫量化误差。

          而模数转化器(ADC)的位数则决定了示波器的最小量化电平,也确定了数字示波器的分辨率。?

          ADC的位数越高,则分辨率越高。8位的ADC代表了28=256个量化级别;10位的ADC则代表了210=1024个量化级别;12位的ADC代表了212=4096个量化级别。

          ADC的位数越高,则意味着量化误差则越小,越有利于信号完整性测量。

          除此之外,在我们只能选择既定的ADC位数的示波器之后。要想获得最佳的分辨率,要尽量让波形占满栅格,才能充分利用ADC的范围。如果只让波形占1/2栅格,则测量精度会下降到7-bit。因此合理地选择选择垂直缩放的设置,能获得更加精确的测量结果。

          如下图所示为分别让信号占据满栅格,1/2栅格,1/4栅格….的情况,可以看到,测量的结果出入很大。

          图2?不同情况下的测量结果

          No.5

          ENOB

          ENOB(Effective number of bits)是衡量示波器动态性能的一个指标。

          一些示波器厂商会给出ADC的ENOB值,从某种程度上来讲,8位的ADC的确能够提供8位的精度和分辨率,这只是针对DC信号或者一些低速信号而言。

          随着信号速度的提高,动态数字化性能会显著下降。当达到某一特定临界值,8位的ADC可能降到6位或者4位或者更低的有效位数。

          数字转化器性能的下降主要表现为信号上的噪声水平增加。此处的噪声水平增加主要是指输入信号和数字化输出中叠加的随机误差。

          我们可以用信噪比(SNR)来衡量此系统的好坏。

          SNR=

          ENOB=(SNR-1.76)/6.02

          当然,对于示波器而言,单纯地讲ADC的ENOB是没有意义的,评估整个示波器系统的ENOB才具有实际意义。

          例如一个ADC具有非常优秀的ENOB,但若是前端噪声较大,则会影响整个系统的ENOB.

          在SDS2000X示波器中,提供了增强分辨率模式(ERES采集模式),通过数字滤波的方式降低噪声的带宽,能有效提高信噪比,最高可等效增强3 Bit ENOB,等效提高了示波器的垂直分辨率,且无须依赖于信号的周期性和触发点的稳定。这个模式有利于于信号完整性测量。

          图3 SDS2000X增强分辨率模式

          我们在判定整个系统的ENOB是否会影响信号的测量以及影响信号完整性时,一定要留意自己需要测量的是什么信号。

          例如高速串行信号在一些频点上具有谐波,这些谐波可以通过示波器系统而不受ENOB降低的影响。

          No.6

          噪声

          在示波器不外接任何信号的前提下,我们依然可以在示波器的显示屏上观察到噪声信号,我们称这个信号为示波器的底噪。

          示波器的噪声可能有很多来源,包括示波器的模拟前端,模数转化器,探头甚至是连接测量电路的电缆。

          有利于信号完整性测量的示波器应该具有较小的噪声。

          我们在测试仪器噪声的时候,还要注意影响噪音测试结果的因素很多,比如带宽、采样率、通道垂直分辨率、水平时基和通道耦合方式等。

          总体来说,业界对此的共识如下:

          带宽越高,噪声越大,因为带宽越高采集到的信号谐波分量越丰富。

          水平时基分辨率越低,噪声越大,即时基格度越粗,噪声显示越大。

          对地耦合方式下噪音最小,因为外界信号和电磁环境干扰被隔离;如果要比较真实的仪器噪音,建议DC耦合,此时全带宽开启,所有示波器处于真实的测试环境中。

          如果我们需要观察小信号或者一些微小变化,那么我们需要选用底噪更小的示波器。

          如下我们比较了几款市场上较常见的示波器的底噪:

          图4 SDS3000X底噪

          图5 甲品牌底噪

          图6 乙品牌底噪

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          示波器的信号完整性意义是怎样的

          对任何优秀的示波器系统来说,准确重建波形的能力都是关键,这种能力称为信号完整性。
          发表于 12-31 16:51 ? 156次 阅读
          示波器的信号完整性意义是怎样的

          4M样本点在频谱分析中具有哪些应用优势

          频谱分析仪是目前专用测试信号频域的专用仪器,为何示波器中仍添加了频谱分析功能呢?主要原因有两个:
          的头像 牵手一起梦 发表于 12-31 16:47 ? 966次 阅读
          4M样本点在频谱分析中具有哪些应用优势

          基于示波器的时频域信号分析技术的应用场景

          本文将以泰克新一代示波器MSO64为实例来讲解时频域信号分析技术。MSO64采用全新TEK049平台....
          的头像 牵手一起梦 发表于 12-31 16:02 ? 853次 阅读
          基于示波器的时频域信号分析技术的应用场景

          8051单片机彻底研究基础篇PDF电子书免费下载

          《8051单片机彻底研究:基础篇》全书共21章,分七部分,主要内容包括:第一部分:第1章至第4章,8....
          发表于 12-31 14:16 ? 208次 阅读
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          水流量传感器和水流开关的定义及原理区别

          水流开关是指通过对水流的有无的监控从而输出开关信号的水感应开关,主要有开关信号。具体的分为??秃统?...
          发表于 12-31 08:54 ? 256次 阅读
          水流量传感器和水流开关的定义及原理区别

          传感器动态和静态主要技术指标

          传感器的静态特性是通过各静态性能指标来表示的,它是衡量传感器静态性能优劣的重要依据。静态特性是传感器....
          发表于 12-30 09:31 ? 193次 阅读
          传感器动态和静态主要技术指标

          是德科技开发用于5G和物联网的技术

           是德科技还将提供高速数字仪器产品组合,以促进USB4标准的采用,包括其UXR实时示波器,矢量网络分....
          的头像 倩倩 发表于 12-27 11:22 ? 1182次 阅读
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          超声传感器工作原理与优势

          传感器发出声脉冲,反射进入波场的物体。反射声被传感器接收;当物体在规定范围之内时,该声波回声产生输出....
          发表于 12-27 09:24 ? 148次 阅读
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          NS-Scope 示波器程控软件的产品手册免费下载

          NS-Scope 示波器程控软件是为了解决示波器测试操作流程繁琐、参数配置复杂等问题开发的一款自动化....
          发表于 12-25 08:00 ? 127次 阅读
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          AC电流探头无源与有源分别具有什么优缺点

          电流探头是示波器测量电流的必备配件,目前示波器上的电流探头基本分成两类:即AC电流探头和AC/DC电....
          的头像 牵手一起梦 发表于 12-24 11:43 ? 954次 阅读
          AC电流探头无源与有源分别具有什么优缺点

          高压差分探头的使用步骤与应用范围

          高压差分探头是探头的一种,差分探头是利用差分放大原理设计出来的示波器探头。主要用于观测差分信号。差分....
          的头像 牵手一起梦 发表于 12-24 11:35 ? 1051次 阅读
          高压差分探头的使用步骤与应用范围

          电子工程师自学速成设计篇超清书签版PDF电子书免费下载

           “电子技术无处不在”,小到身边的随身听,大到“神舟飞船”,无一不闪现着电子技术的身影。电子技术应用....
          发表于 12-24 10:37 ? 396次 阅读
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          高压差分探头的工作原理及主要作用是什么

          高压差分探头差分放大原理是指一对信号同时输入到放大电路中,然后相减,得到原始信号。差分放大器是由两个....
          的头像 牵手一起梦 发表于 12-24 09:12 ? 1226次 阅读
          高压差分探头的工作原理及主要作用是什么

          差分信号的应用优势及差分探头的种类及作用介绍

          探头从总体上可分为无源探头和有源探头两大类型,而宽带宽示波器和有源探头的用户还需要在单端探头和差分探....
          的头像 牵手一起梦 发表于 12-23 11:32 ? 792次 阅读
          差分信号的应用优势及差分探头的种类及作用介绍

          安捷伦6000系列通用示波器和混合信号示波器的操作指南免费下载

          新型 Agilent 6000 系列彩色示波器与同一档次的示波器相比,具有更强大的功能和更高的性能。....
          发表于 12-23 08:00 ? 80次 阅读
          安捷伦6000系列通用示波器和混合信号示波器的操作指南免费下载

          频谱分析仪的RFID和NFC是怎样应用的

          RFID系统、特别是带有反向散射无源终端的RFID系统,给测试和诊断带来了独特的挑战。
          发表于 12-20 15:07 ? 226次 阅读
          频谱分析仪的RFID和NFC是怎样应用的

          如何使用AD7745芯片设计微电容加速度计测量电路

          AD7745是世界上首款24bit数字输出的电容读取芯片,可以测量一对差分电容。它的输入共模偏置电容....
          发表于 12-18 17:01 ? 174次 阅读
          如何使用AD7745芯片设计微电容加速度计测量电路

          MCP3901 ADC评估板的用户手册免费下载

          用于16位MCU的MCP3901ADC评估板系统能够评估MCP3901双通道ADC的性能。它还为使用....
          发表于 12-13 15:34 ? 138次 阅读
          MCP3901 ADC评估板的用户手册免费下载

          泰克新一代示波器MSO 4荣获“2019年度IoT技术创新奖”

          刚刚结束的2019年度第六届中国IoT大会上,《电子发烧友》公布了中国IoT创新奖名单,泰克科技新一....
          发表于 12-13 09:33 ? 303次 阅读
          泰克新一代示波器MSO 4荣获“2019年度IoT技术创新奖”

          Saleae逻辑分析仪的应用手册详细说明

          本文档的主要内容详细介绍的是Saleae逻辑分析仪的应用手册详细说明
          发表于 12-12 16:52 ? 130次 阅读
          Saleae逻辑分析仪的应用手册详细说明

          CCD摄像头在智能车路径识别上应用的详细资料说明

          CCD摄像头是现代智能汽车路径识别系统中的重要构成部分?;贑CD摄像头采集的信息,该系统能够实现对....
          发表于 12-11 14:29 ? 159次 阅读
          CCD摄像头在智能车路径识别上应用的详细资料说明

          1N4148WT 小信号二极管

          信息1N4148WT快速开关二极管(Trr < 4.0nsec)扁平引线、小于0.70mm高度的表面贴装器件超小型塑料封装SOD523F湿度敏感度为1无铅版本且符合RoHS标准雾锡(Sn)镀铅层绿色塑封混合材料规格参数产品种类:发光二极管(通用、电源、转换)   峰值反向电压:75V   正向连续电流:0.3A   配置:Single   恢复时间:4ns   最大反向漏泄电流:5uA   工作温度范围:+150℃ ~ -55℃   安装风格:SMD/SMT   二极管型:标准   RoHS:是   安装类型:表面贴装   箱体:SOD-523F-2   包装:剪切带(CT)电路图、引脚图和封装图...
          发表于 04-18 20:01 ? 11次 阅读
          1N4148WT 小信号二极管

          1N4447 小信号二极管

          应用 此产品是一般用途,适用于许多不同的应用。 电路图、引脚图和封装图
          发表于 04-18 20:01 ? 28次 阅读
          1N4447 小信号二极管

          1N916 小信号二极管

          信息 1N916 此产品是一般用途,适用于许多不同的应用。
          发表于 04-18 20:01 ? 18次 阅读
          1N916 小信号二极管

          1N914BWT 小信号二极管

          WT 特性 快速开关二极管(Trr
          发表于 04-18 20:00 ? 22次 阅读
          1N914BWT 小信号二极管

          1N916B 小信号二极管

          信息 1N916B 此产品是一般用途,适用于许多不同的应用。
          发表于 04-18 20:00 ? 18次 阅读
          1N916B 小信号二极管

          1HP04CH P沟道小信号MOSFET -100V -170mA 18Ω

          率MOSFET采用安森美半导体的沟槽技术生产,该技术专门用于最大限度地降低栅极电荷和低导通电阻。该器件适用于低栅极电荷驱动或低导通电阻要求的应用。 特性 优势 高压(100V) 用于存储48V的LiB电路 高速开关和低损耗 对应于电机电路所需的特性 符合RoHS标准 环境考虑 4V驱动器 ESD二极管?;っ? 应用 终端产品 锂离子电池充电和放电C平衡 锂离子电池充电器 电路图、引脚图和封装图...
          发表于 04-18 19:55 ? 8次 阅读
          1HP04CH P沟道小信号MOSFET -100V -170mA 18Ω

          2N5551 小信号NPN双极晶体管

          信息高压NPN双极晶体管设计用于通用开关应用。该器件采用TO-92封装,专为中等功率应用而设计。 可提供无铅封装 电路图、引脚图和封装图
          发表于 04-18 19:54 ? 36次 阅读
          2N5551 小信号NPN双极晶体管

          2N5550 小信号NPN双极晶体管

          信息高压NPN双极晶体管设计用于通用开关应用。该器件采用TO-92封装,专为中等功率应用而设计。 可提供无铅封装 电路图、引脚图和封装图
          发表于 04-18 19:54 ? 14次 阅读
          2N5550 小信号NPN双极晶体管

          2N3906 小信号PNP双极晶体管,TO-92

          信息 PNP双极晶体管设计用于线性和开关应用。该器件采用TO-92封装,专为中等功率应用而设计。 可提供无铅封装* 电路图、引脚图和封装图
          发表于 04-18 19:53 ? 22次 阅读
          2N3906 小信号PNP双极晶体管,TO-92

          7B35 带24 V隔离环路电源的隔离过程电流输入信号调理???/a>

          信息优势和特点 接受发送器输入(0-20mA或4-20mA) 提供发送器环路电源 100 Hz带宽 1-5V或0-10V输出Additional 7B Resources:?Accessories?and?Backplanes?Sales and Service:?North America (SCS Embedded Tech),?Rest of World电路图、引脚图和封装图
          发表于 04-18 19:49 ? 62次 阅读
          7B35 带24 V隔离环路电源的隔离过程电流输入信号调理??? />    </a>
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          3B47 隔离线性热电偶输入信号调理???/a>

          信息优势和特点 接受所有常见TC输入(J, K, T, E, R, S, B) 内部CJC和开路TC检测 与传感器温度成比例的线性输出 0至+10 V输出Additional 3B Resources: Accessories, Backplanes and Power SuppliesSales and Service: North America (SCS Embedded Tech), Rest of WorldDownload a PDF copy of this user manual电路图、引脚图和封装图
          发表于 04-18 19:45 ? 44次 阅读
          3B47 隔离线性热电偶输入信号调理??? />    </a>
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          3B42 隔离交流正弦波输入;0至1 V rms信号调理???/a>

          信息优势和特点 接受交流输入 20mV至1V输入 交流电流检测应用 3 Hz带宽 电压(± 10V)和电流输出(0-20mA或4-20mA)Additional 3B Resources: Accessories, Backplanes and Power SuppliesSales and Service: North America (SCS Embedded Tech), Rest of WorldDownload a PDF copy of this user manual电路图、引脚图和封装图
          发表于 04-18 19:43 ? 40次 阅读
          3B42 隔离交流正弦波输入;0至1 V rms信号调理??? />    </a>
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          3B20 非隔离交流应变或扭矩输入信号调理???/a>

          信息优势和特点 接受交流应变计或扭矩传感器输入 完善的应变计调理 1kHz至10KHz交流激励 10KHz带宽 电压(± 10V)和电流输出(0-20mA或4-20mA)Additional 3B Resources: Accessories, Backplanes and Power SuppliesSales and Service: North America (SCS Embedded Tech), Rest of WorldDownload a PDF copy of this user manual电路图、引脚图和封装图
          发表于 04-18 19:39 ? 50次 阅读
          3B20 非隔离交流应变或扭矩输入信号调理??? />    </a>
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          3B16 非隔离应变计输入;3 Hz带宽信号调理???/a>

          信息优势和特点 接受应变计输入 提供电桥激励 低噪声 3Hz带宽 电压(± 10V)和电流输出(0-20mA或4-20mA)Additional 3B Resources: Accessories, Backplanes and Power SuppliesSales and Service: North America (SCS Embedded Tech), Rest of WorldDownload?a PDF copy of this user manual电路图、引脚图和封装图
          发表于 04-18 19:39 ? 50次 阅读
          3B16 非隔离应变计输入;3 Hz带宽信号调理??? />    </a>
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          3B17 非隔离LVDT或RVDT输入信号调理???/a>

          信息优势和特点 接受LVDT或RVDT输入 完善的LVDT调理 1kHz至10KHz交流激励 100 Hz带宽 电压(± 10V)和电流输出(0-20mA或4-20mA)Additional 3B Resources: Accessories, Backplanes and Power SuppliesSales and Service: North America (SCS Embedded Tech), Rest of WorldDownload a PDF copy of this user manual电路图、引脚图和封装图
          发表于 04-18 19:39 ? 58次 阅读
          3B17 非隔离LVDT或RVDT输入信号调理??? />    </a>
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          6B21 隔离电流输出:信号调节???/a>

          信息优势和特点 Process Current Output (0-20mA or 4-20mA) RS-485 Interface Programmable Slew Rate National Instruments Labview Supported 产品详情The 6B Series of modules and boards provides the hardware needed to implement a flexible, distributed monitoring and control application. By selecting only the modules and interfaces needed and connecting them via RS-485, the data acquisition and control strategy can be designed for optimum location of the I/O as well as minimizing sensor runs. The modularity and configurability of the 6B Series also makes them very cost effective.电路图、引脚图和封装图...
          发表于 04-18 19:16 ? 72次 阅读
          6B21 隔离电流输出:信号调节??? />    </a>
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          6B12 单通道信号调理???/a>

          信息优势和特点 Accepts mV and V Input RS-485 Interface National Instruments Labview Supported 2500V CMV Version Available 6B12-HV Additional 6B Resources: Accessories, Backplanes and Power SuppliesSales and Service: North America (SCS Embedded Tech), Rest of World
          发表于 04-18 19:16 ? 179次 阅读
          6B12 单通道信号调理??? />    </a>
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          6B13 2线,3线,4线RTD输入:信号调理???/a>

          信息优势和特点 Accepts RTD Input RS-485 Interface National Instruments Labview Supported 2500V CMV Version Available 6B13-HV Additional 6B Resources: Accessories, Backplanes and Power SuppliesSales and Service: North America (SCS Embedded Tech), Rest of World电路图、引脚图和封装图
          发表于 04-18 19:16 ? 48次 阅读
          6B13 2线,3线,4线RTD输入:信号调理??? />    </a>
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          6B11 热电偶输入:mV / Volt输入:电流输入:信号调节???/a>

          信息优势和特点 2500V CMV Version Available 6B11-HV Accepts mV, V, I, and Common TC Inputs (J, K, T, E, R, S, B) National Instruments Labview Supported RS-485 接口Additional 6B Resources: Accessories, Backplanes and Power SuppliesSales and Service: North America (SCS Embedded Tech), Rest of World电路图、引脚图和封装图
          发表于 04-18 19:16 ? 43次 阅读
          6B11 热电偶输入:mV / Volt输入:电流输入:信号调节??? />    </a>
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          BAS16SL 小信号二极管

          信息小信号二极管 低正向压降 快速开关 非常小的薄型 最大剖面高度为0.43mm 尺寸为1.0 x 0.6mm
          发表于 04-18 19:14 ? 67次 阅读
          BAS16SL 小信号二极管
          2019年新103期梦解诗句大全