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3D打印機技術比較

3D打印機技術比較

本文章會分別解釋及比較現今三種最常用的材料及其製造技術的基礎知識,分別是:FFF(熔絲式線材製作,Fused Filament Fabrication),SLA(光固化立體造型製作,Stereolithography)和SLS(選擇性激光燒結,Selective Laser Sintering)。

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3d printer

在過去的十年中,對3D打印技術的越來越多的使用已經徹底改變了各個領域的現狀,包括學校、企業、軍事和醫療領域等,甚至是家中DIY maker創客的普及。但是,有了許多可用的方法,決定使用哪種方法可能是一個艱鉅而令人困惑的過程。本文章會分別解釋及比較現今三種最常用的材料及其製造技術的基礎知識,分別是:FFF(熔絲式線材製作,Fused Filament Fabrication),SLA(光固化立體造型製作,Stereolithography)和SLS(選擇性激光燒結,Selective Laser Sintering)。

FFF (熔絲式線材製作 / Fused Filament Fabrication)

FFF是最通用,最實惠且較易接觸及入門的3D打印過程,應用範圍最廣。用這種方法,將固體熱塑性塑料加熱到所需的熔融溫度並通過噴嘴擠出。3D打印機將熔化的長絲沉積在冷卻過程中,然後沿著預定坐標逐層沉積到構建板上,直到完成物體,熔化的長絲在冷卻時會固化。近年來,隨著高分辨率工具頭的推出,FFF打印質量證明了分辨率的提高。這項技術可在任何環境中使用,它可以放置在您的辦公桌上,放在教室裡的推車上或家中放置的打印機架子上。

SLA (光固化立體造型製作 / Stereolithography)

使用SLA,可將感光型光敏聚合物樹脂倒入盛有淹沒型表面的槽中。 使用紫外線調諧的激光,一次將樹脂選擇性地固化一層,以形成固體。 一旦完成印刷階段,下一個清潔任務便開始了。 打印機操作員戴上手套,眼睛保護裝置。視工序及規模,操作員可能需要面罩及開啟呼吸器的個人防護設備。將未固化的樹脂從零件中排出,除去印刷表面,並用溶劑或化學藥品沖洗掉剩餘的樹脂。然後,零件將經受額外的UV固化過程。 儘管此方法特別適用於具有復雜幾何形狀和小尺寸對象的零件,但相對於其他3D打印方法,構建完成所需的周期時間和其他設備更為重要。

SLS (選擇性激光燒結 / Selective Laser Sintering)

SLS利用粉末狀的合成聚合物,這些聚合物形成片狀,放在「建構」區域上一層,之後使用高功率激光將選定的部分融合在一起,然後逐層重複此過程,直到完成對象。該方法主要使用聚酰胺,通常簡稱為尼龍,簡稱PA。 這種3D打印方法不需要支撐材料,仔細度高,甚至可以在成品外觀上完全不會看見層線。

FFF

SLA

SLS

應用材料

工程熱塑性塑料,包括ABS、尼龍、聚碳酸酯,柔性TPE,PVA/PLA等

光敏樹脂

尼龍粉

層高範圍

0.05 mm – 1.5 mm

0.025 mm – 0.15 mm

0.06 mm – 0.15 mm

尺寸精度

±200 μm

±100 μm

±300 μm

價錢

專業台式機起價為2000美元,更大規模的起價為15,000美元

台式機起價為$ 3000,較大的價格為$ 80,000- $ 750,000

台式機起價為9000美元,更大的價格範圍為10,000美元至100,000美元

應用材料價錢

$20-$50/kg

$50-$100/liter

$100-$500/kg

物料消耗

一卷1公斤的燈絲等於約400件標準尺寸的棋子

一升樹脂等於大約90個標準尺寸的棋子

不確定,取決於機器和材料

額外費用/注意事項

PEI構建的表面塗層可確保在打印時保持適當的底座附著力,在正確保養後幾乎不需要更換。 一些較昂貴的市場選擇需要定期更換打印床表面。

一些FFF打印機製造商收取服務費用,例如基本技術支持和必需的培訓。 更大型的可能要求維修合約費用。
個別FFF類型打印機要求專有的線絲,限制了用家在材料上的選擇,同時增加了成本。
徹底清洗成品上的樹脂可能需要使用超聲波清洗機,價格從$ 300- $5000不等
如需要樹脂在單獨的單元中進行「後固化(post-curing)」,
這可能會額外增加成本$ 100- $ 5000
樹脂托盤需要時常更換,並且壽命根據托盤類型和所用樹脂的不同,可能在2或3幅打印紙之間變化,最多20幅打印紙。 這些通常每個花費在$ 20- $ 50之間。
PEC/PAD無污染抹布(用於清潔敏感的打印機組件)
用於處理樹脂和溶劑的個人護理設備(丁腈手套,安全眼鏡或護目鏡)
需要良好的通風系統
防爆真空吸塵器(有些粉塵可燃,只需點燃一點火花即可),價錢約為1000美元
需要添置設備,例如用於「後處理」時的成品清潔櫃(約(3000美元及以上)及粉末回收系統($2,000-$12,000)
操作和設備維修需要熟練的操作員
高功率激光可能是危險的,需要特定空間
個人護理設備(丁腈手套,安全眼鏡或護目鏡)用於處理和清潔粉末

優點

使用安全,無毒,無刺激性化學物質
清理簡單,無有害粉末或樹脂
材料選擇範圍最廣; 使用最終用途材料(如ABS)進行打印。 可以使用雙擠壓3D打印機打印水溶性支撐物,多種顏色和多種材料模型
最低的新手「入場」門檻和材料成本
易於設備操作和維護
最小的物理佔地面積,不需要額外的實體設備
可以快速打印
打印的物體可以具有光滑的表面光潔度
印刷成品精確,尺寸公差小
無需其他支撐物料
牢固的層附著力
可以同時打印大量零件而不會影響打印時間

缺點

印刷件的結構強度可能取決於印刷密度、方向和印刷分辨率
如需最佳的成品表面處理,便需要更薄的層處理和更長的打印時間
多種材料選擇可能需要線絲存儲空間
已知樹脂和清潔劑有毒; 含有紫外線固化樹脂的材料應作為危險廢物進行處理和處置
不打印最終用途的材料。 材料僅模擬所需的聚合物。
由於難聞的煙氣和雜亂的樹脂,需要專用的空間; 易損件可能會污染附近的表面
不能一次打印多種材料
打印後需要額外的洗滌和固化
薄壁成品通常很脆
UV過度或曝光不足會影響打印次數和壽命
與其他方法相比,桌面模型的構建量較小
具有封閉結構的成品需要添加孔,以使未固化的樹脂逸出
原料是粉末,如果吸入有害
只適合大批量生產; 中小型單品打印不經濟
粒狀,沙質表面處理
材料通常是專用的
產生大的平面和小孔可能會產生問題,因為它們容易翹曲和過度燒結
印刷品本質上是多孔的(通常約為30%),需要特殊潮濕的環境在可為成品「後處理」
打印需要長達12小時的冷卻時間
必須在設計中添加排料孔,以去除空心部分中未燒結的粉末

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運算放大器 OP-Amp (五)

運算放大器 OP-Amp (五)

繼續講解運算放大器,下一個參數「增益帶寬積(Gain-Bandwidth Product )」。

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之前一章解釋了什麼是「開環增益」,它不單是一個基本的知識,它亦是運算放大器的一個重要參數。開始下一個參數「增益帶寬積(Gain-Bandwidth Product )」的講解前,先以下圖一重溫「增益」。

opamp-gain
圖一 運算放大器增益帶寬關係圖

增益帶寬積

如圖一,一個運算放大器的開環增益達到某一頻率時會以6 dB /octave 下降。 在這6 dB /octave 下降率的範圍內,如果我們將頻率加倍,則增益將下降到原來的一半。 相反,如果頻率減半,則開環增益將增加一倍,如圖一所示。

這就產生了所謂的增益帶寬積。 如果我們將開環增益乘以頻率,則乘積為總是一個「常數」。需要注意的是,這乘積必須處於下降6 dB /octave 的部分。這為我們提供了一個方便的因數,用於確定特定的運算放大器在特定的應用中是否可用。

例如,如果我們有一個需要10的增益和100 kHz帶寬的應用,那麼我們就需要一個運算放大器,其增益帶寬積至少為1 MHz。例如Microchip MCP6001

mcp6001
圖二 Microchip MCP6001 規格(GBWP = 1MHz)

不過,這樣解釋有點過分簡化。在現實中,由於增益帶寬乘積的可變性,以及在閉環增益與開環增益相交的位置處,響應實際上下降了3 dB,因此應留一點安全餘量(safety margin)。在上述應用中,增益帶寬乘積為1 MHz的運算放大器是微不足道的。

增益帶寬安全餘量(或裕度)

優良的設計習慣是確保放大器的GBP擁有一定的額外餘量。40dB是一個很好的安全裕度,可確保運算放大器的開環特性引起的誤差減至最少。為以下圖為例

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圖三 增益帶寬安全餘量示意圖(圖片來源 Amplifiers and Bits: An Introduction to Selecting Amplifiers for Data Converters, Texas Instruments)

這是一個GBWP 1MHz 運算放大器,如果40dB(100倍)是期望中的增益,能有25kHz的帶寬。但由於要有40dB的額外餘量,即是要「假設」這40dB其實是在80dB增益狀態下表現出來,根據1MHz 增益帶寬積,則意味著最大可用頻率僅為1 kHz。這就是為什麼即使對於相對低速的系統也可能需要高速運算放大器的原因之一。

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什麼是eSIM?

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要了解eSIM前,要先說一下IOT(物聯網,Internal of Thing)這「東西」。物聯網是近幾年電子界熱騰騰的話題,事實上,物聯網部署正在上升。以前,這種技術被認為是技術性很高且實施起來很複雜,而今天,我們看到了多個跨部門和用例的IoT連接高峰,這在很大程度上歸功於IoT SIM卡在易用性方面的巨大改進。讓我們回顧一下不同類型的IoT SIM卡,以及它們如何使在全球範圍內實施IoT變得更加容易。

什麼是IoT SIM卡?

簡而言之,IoT SIM卡是一種SIM卡,它可以將網絡用於物聯網服務,或者有時也稱為「機器對機器(M2M)」通訊。

但是,IoT SIM卡的構建並非全部相同,不同網絡對應單一的實體SIM卡,阻礙了IoT 的發展。儘管某些用例仍依靠實體SIM卡來連接IoT設備,但eSIM技術正在興起,使用戶能夠連接其IoT設備並完全通過無線管理IoT配置文件。

eSIM由GSMA開發,已經被電訊市場廣泛接受,是SIM卡技術的新標準。以下是在實體尺寸的比較圖。尺寸形式-從「傳統」形式包括迷你(2FF),微型(3FF)和nano(4FF)以及單獨的嵌入式eSIM芯片(MFF2),例如Truphone eSIM

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圖一 實體SIM卡與eSIM體積的比較 (圖片來源 Truphone Pty Ltd.)

eSIM卡與常規SIM卡有什麼分別?

eSIM完全不需要塑料SIM卡。與標準的塑料SIM卡相比,eSIM卡的主要優點是它不會將您鎖定在任何一個網絡提供商中。eSIM卡是完全可重寫的,這意味著您可以快速輕鬆地切換網絡-類似於我們如何使用不同的WiFi網絡,具體取決於我們身在何處以及哪種網絡效果最好。

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在物聯網領域,eSIM變得特別方便,因為可以使用Bootstrap技術遠程激活它。使用塑料SIM卡(與移動設備一樣),您必須將SIM卡物理插入IoT設備中。借助Bootstrap技術,對於已內置eSIM卡的IoT設備,您可以將其從包裝中取出後立即連接到世界另一端的任何網絡(如果需要)。 Bootstrap消除了為正確的設備找到正確的IoT SIM的麻煩,無論您在哪個國家/地區部署設備,Bootstrap都能為您提供最佳的第一個連接。

eSIM如何用於物聯網?

正如我們剛剛談到的那樣,eSIM是物聯網的巨大受益者,因為它簡化了實施過程,並使大規模推出物聯網設備變得更加容易。

為了說明這一點,假設您是一家為大型機械生產傳感器或跟踪器的公司,以便公司可以使用Bootstrap監視其送貨卡車,無論何時何地,您都可以連接和監視整個卡車車隊(或您)在世界上。比手動添加塑料IoT SIM卡容易得多。在這種情況下,eSIM使服務將不再次受限於主要運營商的漫遊夥伴的功能,就算漫遊夥伴可能無法在所訪問的國家/地區提供最佳覆蓋範圍或最佳網絡性能,eSIM亦可以立即被讀寫而用於當區網絡。

eSIM 安全問題

在安全標準上,安全eSIM生態系統被廣泛認為與現有傳統SIM技術一樣安全。eSIM技術不同於傳統SIM的地方是遠程SIM設置平台的新增功能。 GSMA要求提供遠程SIM供應平台服務將根據其嚴格的SAS安全要求進行認證。這樣的安全規格是無可置疑。

總結

eSIM能夠實現網絡的遠程切換的靈活性將為未來的IoT設備提供支持,對於產品設計師而言,eSIM的最大優勢在於其模塊化架構,電路及外型設計更具靈活性。

對於製造商而言,eSIM的最大優勢在於可以在整個生命週期內構建,維護和支持產品,不需再昂貴地生產多個SKU,每個SKU都是為單個運營商量身定制的。借助eSIM,製造商可以生產單個SKU,隨後可以空中對其進行個性化設置。將您的業務模式從一次性交易轉變為終身關係,並釋放新的經常性收入來源。

eSIM的步伐還是剛開始…

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運算放大器 OP-Amp (四)

開環增益(Open-Loop Gain)

開環增益(通常稱為AVOL)是在沒有閉合反饋環路的情況下放大器的增益,因此稱為「開環」。對於精密運算放大器,該增益可以高到大約160 dB或更高,這代表是是1億倍的增益。

該增益從DC到主導極點(Dominant Pole)是平坦的。之後從那裡開始以6 dB /Octave 或20 dB /Decade 下降。(注:Octave是兩倍頻,Decade是10倍頻)。這稱為單極點響應(single-pole response)。

它會繼續以這種速度下降,直到它到達響應的另一個極點為止。第二極將使開環增益下降的速率增加一倍,即達到12 dB /倍頻程或40 dB /十倍頻程。

如果開環增益在到達第二極點之前已經降到0 dB(單位增益,unity gain)以下,則運算放大器在任何增益下都將是無條件穩定(unconditionally stable)的。在規格書上,這通常被稱為單位增益穩定(Unity Gain Stable)。

但是,如果在開環增益大於1(>0 dB)時達到第二極點,則放大器在某些情況下可能不穩定。我利用兩張圖為大家解釋可能更易明白。

圖一是「無條件穩定」的運算放大器,可見在0 dB時還在第一極點6 dB /Octave範圍。

Unity Gain Stable
圖一 「無條件穩定」的運算放大器

圖二是「可能不穩定」增益的運算放大器,可見達到第二極點12 dB /倍頻程時,開環增益還大於0dB。

Unstable
圖二 「可能不穩定」增益的運算放大器

由於這是顯而易見的「不穩定」,所以運算放大器生產商將產品推出市場時已設計成「無條件穩定」,例如texas instruments OPA820,規格書寫明「Unity Gain Stable」。但是如何驗證? 一般運算放大器的規格書都有提供開環增益頻率響應(Open-Loop Gain Frequency Response)圖,再以OPA820為例,開環增益頻率響應是這樣的-

frequency-response
圖三 開環增益頻率響應(圖片來源 TI OPA820 規格書)

這就是標準的Unity Gain Stable。

了解開環增益後,之後了解閉環增益、環路增益、信號增益和噪聲增益之間的差異說明就容易很多,而這些參數在選擇運算放大器非常重要。它們本質上是相似的,相互關聯的,但又有所不同。 我之後將詳細討論它們。

事實上,開環增益不是一個完全受到精確控制的規格。在生產上,它可以而且確實具有相對較大的範圍,並且在大多數情況下在規格中將以典型數字(typical)而不是最小/最大數字給出。 在某些情況下,通常是高精度運算放大器,其規格將是最低的。

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圖四 規格書上開環增益範圍(圖片來源 TI OPA820 規格書)

另外,開環增益會因輸出電壓電平和負載而變化。對溫度也有一定的依賴性。通常,這些影響程度很小,在大多數情況下可以忽略不計。 際上,這種非線性並不總是包含在該器件的數據手冊中。

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什麼是熱成像(Thermal Imaging)?

「眼見為憑」,但可惜人類視覺固有的局限性使我們只可在狹窄的可見光範圍內看東西。紅外線(Infrared)能量是從太陽,甚至地球上的每個物體和生物所散發出的電磁輻射(electromagnetic radiation),是人類只能使用熱像儀(thermal imaging camera, TIC)才能看到的東西。紅外線輻射恰好在750nm(納米)左右的可見光波長之外,並且屬於較長頻率範圍的一部分,緊接著的是太赫茲(terahertz),微波和無線電波。由於人類視覺「看不見」紅外線,我們需要利用工具將紅外線轉為人類「可視」影像,即是熱像儀(thermographic camera)。

Visible Spectrum
圖一 可見光頻譜(圖片來源 Seek Thermal, Inc)

從以前的大體積,如何成為細小的便攜式操作?

每個熱像儀都通過測量物體發射、透射和反射的紅外能量來進行操作。使用稱為微測輻射熱計(microbolometer)的微小釩氧化物傳感器,使現今市場上的熱像儀可以便攜式操作,而不必依靠固定的低溫冷卻器即可正常工作。

照相機對從物體發出的熱量進行表面溫度測量,然後將其作為圖像投射到屏幕上,稱為熱分析圖。儘管此功能可以識別表面的「涼爽」或「熱點」,但通常不會給用戶提供X-ray射線視力看穿牆壁的能力,哪麼說可看穿水管漏水或喉管電線過熱,如何做到?

黑體的基準發射率是「1」,並且提供了一個參考,可以根據該參考測量其他輻射度。然後利用算法功能來計算和分析物體周圍的多個紅外能量源,並構建隨後顯示在LCD屏幕上的圖像。由於在測量及分析過程中會受到外界環境影響,例如光源、濕度、反射等,將可能造成影響的「因子(factor)」演化成數學模組,經不斷的環境測試、實驗及數學計算,將得出的誤差值減到最低,這說是一價值USD100 與USD1000一部熱像儀的分別了。

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與光學相機不同,熱成像儀不依賴玻璃製成的聚焦透鏡,因為它會阻擋長波紅外光。部份生產商會使用由特殊材料製成的鏡頭,例如鍺或藍寶石晶體,它們是自然物料但易碎且生產成本昂貴。硫屬化物玻璃(Chalcogenide glass)是一種更新、更便宜的材料,可以降低熱像儀進入市場並進入客戶手中的成本。 該材料是透鏡的理想選擇,因為它可以通過其表面傳輸各種電磁頻率。鏡頭焦點處的矩形光感測像素稱為焦平面陣列(Focal Plane Arrays, FPA),有助於接收紅外能量並將其聚焦到傳感器上。

顯示影像

圖像往往是單色的,或顯示錯誤的配色方案,以使溫度的任何變化都可辨別。相機芯片處理器從不同像素的顯示屏中分配每個像素來代表溫度。計算完後,然後為像素分配顏色,從而在屏幕上生成結果圖像。在熱配色方案中,通常使用較深的藍色,紫色和綠色來表示較低的溫度,而較亮的顏色(黃色,橙色,紅色)通常表示存在熱量。

圖二 熱成像照相機影像生成圖 (圖片來源Seek Thermal, Inc)

與夜視儀(Night Vision Devices,NVD)之間的區別

儘管夜視鏡熱成像儀通常都屬於「NVD」一詞的總稱,但它們的工作方式卻大不相同。

傳統的夜視鏡使用真空管(又稱圖像增強器)來增強低水平的環境光以生成可區分的圖像,並以不同的綠色陰影對其進行演色(rendering)。它們廣泛用於軍事和執法界,是監視和防止罪案發生的好幫手。

但是,獲得清晰的圖像在很大程度上取決於現有環境光的存在。在一個完全黑暗的房間裡看夜視鏡將幾乎無法提供清晰度。相比之下,熱像儀不需要光線亦可操作,並且可以在完全黑暗的環境中以及煙、霧和霾中進行掃描。

儘管NVD提供了更多的「逼真」輪廓圖像,但它們在軍事應用之外的使用仍然很少。隨著越來越多的應用,熱像儀利用其豐富多彩的,鮮明的對比從遠處照亮物體和人物,並在眾多設置中突出顯示關注的區域,這是熱像儀的成功及普及的原因及優勢。

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運算放大器 OP-Amp (三)

擺率(Slew rate)

擺率(Slew Rate,或稱迴轉率)測量運算放大器的輸出變化的速度。 該值定義為每單位時間的電壓變化,通常以V /μS為單位。

在線路設計上,如使用了擺率不足的Op-Amp,將會導致輸出波形失真,如下圖所示。 為了避免這種失真,工作頻率必須滿足以下不等式:

圖片來源: Yves-Laurent Allaert / Wikimedia Commons / CC-BY-SA-3.0 / GFDL

紅色方波是預期的輸出,綠色波是實際的失真輸出。

舉例,峰值輸出擺幅為1V且產生1Mhz正弦波的運算放大器必須具有6.28 V / us的最小擺率。

擺率與帶寬的分別

乍看,轉換速率似乎只是運放帶寬限制的時域表現。 有人可能會認為,當我們使用正弦信號時,運算放大器會在高頻下損失增益,而當我們使用瞬態事件時,相同的基本機制會限制輸出信號的最大變化率。 但是,重要的是要認識到頻率響應和壓擺率是不同的現象,並且這兩種現象的影響在根本上是不同的。

運算放大器傳遞函數中的「極(Pole)」表演出典型的低通濾波器行為;信號幅度隨頻率增加而減小,並發生相移。 但是這些效應是線性的,因此它們不會在輸出信號中引入失真。

但是,擺率是非線性效應。 如果正弦輸入信號乘以運算放大器的增益後得出的斜率高於運算放大器的壓擺率,則輸出波形的一部分將是一條直線,而不是正弦曲線的彎曲部分。 因此,擺率可以改變信號的形狀,因此是失真的來源,而不僅僅是幅度或相位的改變。

實際擺率注意事項

工程師目前可以選擇的運算放大器種類繁多,涵蓋了很大的壓擺率範圍。 一些設備每微秒提供幾伏特甚至更低,而其他設備每微秒提供幾百伏特。 如果您要設計一個涉及瞬態信號,高振幅正弦波或數字波形的電路,請在選擇運算放大器之前快速考慮壓擺率。

如下表所示,電流消耗與壓擺率之間存在很強的關係。 如果您試圖將良好的迴轉性能納入低功耗設計中,則必須謹慎選擇組件。

圖二 對應不同擺率OP-Amp的瞬態電流的比較表
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RFID技術基礎

RFID技術基礎

射頻識別(Radio Frequency Identification, RFID)是通過電磁波在特定標籤和閱讀器之間無線或非接觸式傳輸數字編碼及其他數據的方法。 實體的標籤使企業團體和消費者或使用者以分配一個唯一的數碼身份(一對相同的數碼)來無縫地識別、認證、追踪、感知每個需參與的物件對象。

與其他自動ID技術(例如光學QR碼)相反,根據RFID系統的類型,RFID允許在幾厘米到20多米(約60英尺)的距離內無需視線即可讀取標籤。 典型的例子是在托盤上的盒子內讀取數百種帶有標籤的產品,在裝運碼頭的門後安裝有固定的閱讀器門,或在商店貨架和貨架上滑動手持閱讀器以在幾秒鐘內計算庫存,或在錢包上點擊智能手機以驗證真實性並簽署會員計劃。

RFID如何運作?

簡而言之,RFID系統由三部分組成:RFID標籤或智能標籤; RFID閱讀器(也稱為詢問器(interrogators)); 以及將獲取的數據輸入IT系統或物聯網(IoT)的軟件(也稱為中間件(middleware))。 根據應用需求,需要仔細選擇系統組件,以實現所需的性能,準確性和可靠性。

RFID 標籤

RFID標籤具有各種形狀和大小,並且是「無源」或「有源」的。 通常,它們是被動的,這意味著它們不需要集成的能源,例如電池。 無源標籤通常由RFID嵌體和用於防止物理損壞的外殼組成。 嵌件(Inlay)由一個小的矽微芯片組成,該芯片存儲數字身份以及其他數據,並附著在諸如紙或塑料(PET)薄膜等薄基板上的天線上。 無源標籤的天線接收來自閱讀器的無線電波,並將其引導到微芯片,在微芯片中,能量被收集並用於將無線電信號發送回閱讀器。

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嵌件非常薄,可以輕鬆嵌入傳統標籤中,將其轉變為智能標籤,也可以嵌入非常堅固的塑料(硬標籤)或生物相容性玻璃(玻璃標籤)中,以用於極端惡劣的環境或註入動物體內。

RFID類型

RFID系統分為三個主要的射頻範圍:低頻(Low Frequency, LF),高頻(High Frequency, HF)和超高頻(UHF)。 它們從應用、最大讀取範圍以及所使用的RFID標籤和讀取器的類型而異。

超高頻(Ultra-High Frequency, UHF)

UHF RFID系統在860和960 MHz之間的頻率範圍內運行。 典型的讀取距離是從近距離接觸到20米或60英尺以上,從而實現了廣泛的應用,例如庫存和供應鏈管理,智能製造,航空行李跟踪,運動計時等等。
在該頻率範圍內,監管機構定義了兩個主要的區域子帶。 歐洲電信標準協會(The European Telecommunications Standards Institute, ETSI)為RFID的使用定義了865-868 MHz,聯邦通信委員會(Federal Communications Commission, FCC)選擇了902-928 MHz。 我們的某些RFID標籤和嵌體指定用於FCC或ETSI頻率,但是許多較新的產品都支持這兩個頻段。
UHF Tag (支持兩個頻段)
圖一 UHF Tag (支持兩個頻段) (ART915X252503MA-IC, Abracon LLC)
與HF和LF相比,UHF系統支持更遠的讀取範圍,並支持具有成本效益的各種尺寸和形狀的嵌件和標籤,以及快速讀取散裝物品的方法,但缺點是較容易受到金屬或導電材料的無線電波干擾或液體。

高頻(HF)和近場通信(Near-Field Communication, NFC)

HF和NFC RFID系統在13.56 MHz的頻帶內工作,讀取範圍從接近接觸到50厘米或20英寸。 典型的應用是圖書館媒體管理、製造自動化、賭博籌碼管理、ID卡及使用NFC支付卡或智能手機應用的非接觸式支付等。 與HF標籤需要特殊的讀取器不同,NFC標籤幾乎可以在幾厘米的距離內用任何智能手機讀取。
HF/NFC Tag
圖二 13.56MHz NFC Tag(2800, Adafruit)
當今市場上有數十億支持NFC的智能手機,越來越多的消費者習慣於非接觸式支付,因此利用NFC標籤進行消費者互動和其他以消費者為中心的新應用的機會很大。

低頻(Low Frequency,LF)

大多數低頻系統在125-134 kHz的頻帶內運行,並允許最大10厘米或4英寸的讀取範圍。 典型的應用領域包括動物識別、通道控制、汽車進出以及液體和金屬密度高的環境。
LF Tag
圖二 LF Tag (IPC03-50P, Pepperl+Fuchs, Inc.)
與UHF和HF相比,LF系統的數據傳輸速率和讀取距離較低,但其優點是支持困難環境中的應用。

(參考原文:RFID technology basics, Avery Dennison Corporation )

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運算放大器 OP-Amp (二)

輸出類型

運算放大器通常只有一個輸出,在零件的規格書上一般會表達為VOL(Output Voltage – Low Limit)和VOH(Output Voltage – High Limit)指定的範圍之間擺動。 該範圍通常不會超出於VSS至VDD的範圍。 例如,提供+/- 12V的運算放大器只能具有+/- 10V的輸出擺幅。

在「輸出類型」,我們大致將它們分成五類:

差分(Differential):運算放大器具有正輸出和負輸出,例如Texas Instruments OPA1632

軌對軌(Rail-to-Rail):運算放大器的輸出電壓擺幅可以比傳統運算放大器更靠近電源軌。 通常在毫伏範圍內,這類型在任何一款運算放大器都是最普遍。例如Microchip MIC7111

漏極開路(Open Drain):運算放大器的輸出在IC封裝內連接到晶體管的基極(Gate)。 因此,運算放大器在運作時讓晶體管的漏極導通,只能吸收電流。這類型一般用於電流感應,應用層面不大,故市場上的選擇較少,例如MAXIM INTETRATED MAX34406

推挽式 (Push-Pull):運算放大器的輸出級使用一對處於推挽式配置的晶體管,其中一個晶體管提供電流,另一個晶體管吸收電流。它好處是當沒有信號存在時,輸出晶體管中沒有功耗。但是,與漏極開路一樣,應用層面不大,沒有太多外國生產商會再發展這輸出級的運算放大器,故市場上的選擇較少。例如JRC NJM13600

以上是在運算放大器IC封裝時為工程師作個「方便」,將輸出級加在內,優點是可減少附設零件數量,缺點是限制了使用,所以市場上除了這4類型外,單純的運算放大器在IC封裝內仍是佔大多數。

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運算放大器 OP-Amp (一)

時常收到客人關於OP-AMP的查詢,設計電路時為特定應用選擇正確的運算放大器時仍然感到很困難,新手固然不太能掌握當中原理,就算是有經驗的工程設計師在選擇OP-AMP時,亦有可能忽略了部份參數,而影響了產品的運作,因為有些是通用的,有些則噪聲低,有些則輸入阻抗高,等等。我就用OP-AMP做我第一篇基礎電子知識文章,從分類、應用及線路等,為大家由淺入深刻認識OP-AMP

運算放大器 (Operational Amplifier, 或簡稱op-amp)是許多電子設計的基本組成部分之一。 它們用途廣泛,幾乎可以在運用在任何應用中。使用範圍從簡單地將小信號放大到高級模擬信號處理。 在查看實際op-amp的現實情況的規格之前,將我介紹理想(ideal)的op-amp模型(這對之後的理解非常重要!)。當然,理想的模型只是方便簡化設計中涉及的數學運算,但在實踐中不存在。

理想運算放大器的一些特徵是:

  • 無限增益(gain)
  • 無限輸入阻抗(input impedance)
  • 無限帶寬(bandwidth)— 運算放大器的增益不受頻率的影響。
  • 無限的擺率(slew rate)— 運算放大器的輸出可以根據需要快速變化。
  • 零輸入偏置電流(input bias current)— 沒有電流流入輸入端。
  • 零輸入失調電壓(input offset voltage)— 運算放大器的輸入相等時,其輸出為零。

查看下面的實際參數時,請先記住這幾項「理想」參數。

參數指標

像許多IC一樣,op-amp也有多種規格需要牢記。 以下列表細分了運放系列在眾多應用的一般劃分。劃分好,之後對個別應用的參數要求更能容易理解。

  1. 音頻(Audio):這些運算放大器針對音頻的低噪聲和失真進行了優化。此類別的放大器沒有輸出功率級。
  2. 緩衝器(Buffer):運算放大器配置為模擬線路中的緩衝器,通常是單位增益。這些通常只有一個輸入,不能用作為一般的運算放大器。
  3. CMOS:即是運算放大器中使用的是CMOS工藝技術,而不是傳統的雙極工藝。CMOS運算放大器通常比雙極型器件具有更高的輸入阻抗和更低的功耗。
  4. 電流反饋(Current Feedback):運算放大器其輸出與電流成比例,而不是電壓。這類型運算放大器通常具有更快的壓擺率和不受頻率影響的增益。
  5. 電流檢測(Current Sense):一種運算放大器用於測量電阻兩端的小壓降,其中輸出電壓與通過電阻的電流成比例。
  6. 差分(Differential):從技術上講,所有運算放大器都是差分放大器,但通常是代表用於放大單個信號。這類型的差動被設計為放大兩個信號之間的差別。
  7. 儀表(Instrumentation):這些放大器通常由3個獨立的放大器組成。輸入先通過緩衝放大器,然後分別饋入差分放大器。這類放大器專為高精度、高輸入阻抗和高開環增益而設計。
  8. 隔離(Isolation):具有內置光電隔離器的運算放大器,可將輸入與輸出物理隔離。
  9. JFET:使用JFET工藝製造的運算放大器。與雙極型器件相比,它們具有更高的輸入阻抗和更低的輸入偏置電流。
  10. 限制(Limiting):可以在內部箝位輸出電壓的放大器。
  11. 對數(Logarithmic):放大器的輸出與輸入相對於參考的對數成正比。
  12. 功率(Power):具有輸出功率級的運算放大器,使其可以提供比典型運算放大器更多的電流。
  13. 可編程增益(Programmable Gain):具有可變增益的運算放大器,可以進行數字編程。這類型在封裝後可以通過選擇引腳或通過串行接口(如SPI)來完成。
  14. 採樣和保持(Sample and Hold):通常與模數轉換器(ADC)一起使用,這些放大器將保持足夠長的輸出值以完成轉換。
  15. 跨傳導(Transconductance):這類型放大器,它接受電壓輸入並產生電流輸出。
  16. 跨阻抗(Transimpedance):這類型放大器,其輸入電流並產生電壓輸出。
  17. 可變增益(Variable Gain):與可編程增益放大器相似,但是增益可以通過數字或模擬電壓進行控制。
  18. 電壓反饋(Voltage Feedback):除非指定為電流反饋放大器,否則所有運算放大器均使用電壓反饋。
  19. 零漂移(Zero-Drift):這類型的特點是低偏移(offset)電壓和隨溫度變化的低偏移漂移。

最後,如果產品沒有特別要求,我便歸納為「通用」。大多數運算放大器屬於「通用」類別。