放大電路實驗故障分析
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摘要：模擬電路實驗會不可避免地出現(xiàn)各種故障現(xiàn)象，分析故障產(chǎn)生的原因，排除故障可以提高實驗技能，提高分析問題、解決問題的能力。以分立元器件及集成運算放大器構(gòu)成的放大電路為例提出三步法進(jìn)行故障排查，通過理論指導(dǎo)及實踐經(jīng)驗，確定不同故障現(xiàn)象可能的原因，切實提高實踐技能并加深對電路及器件的理解。
關(guān)鍵詞：放大電路；故障分析；電子設(shè)備
為了使學(xué)生具有良好的工程素養(yǎng)和一定的創(chuàng)新意識，能夠?qū)⑺鶎W(xué)理論解釋用于處理相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域?qū)嶋H問題，具備電子技術(shù)類應(yīng)用型、技能型人才所必需的電子線路的分析、制作、測試及常見故障排查能力，在實驗課程中應(yīng)注重引導(dǎo)學(xué)生遇到問題學(xué)會分析排故。在各種電子設(shè)備中，放大電路的應(yīng)用非常廣泛。一個電子信息系統(tǒng)對信號最基本的處理就是放大，而且模擬電路多以放大電路為基礎(chǔ)[1]。在實際應(yīng)用中，如果放大電路出現(xiàn)故障，可能直接影響系統(tǒng)的正常運行，查找放大電路中的故障不管在電子技術(shù)實驗中，還是在今后工作的電子設(shè)備維修中都有重要意義[2]。本文分別以分立元器件和集成運算放大器構(gòu)成的放大電路為例進(jìn)行常見故障排查分析。
1故障排查三步法
在實際電路中，電路可能因為人為或者元器件、線路等問題出現(xiàn)故障[3]，因此提出故障排查三步法如下。一看。在電路不通電的情況下，主要從外觀上先看電路中的元器件是否正常、電解電容變形等問題，再看電路中元器件之間的連接是否有明顯的開路，可能存在如元件的管腳懸空或短路現(xiàn)象。二摸。在通電的情況下用手接觸各元器件，感觸有無發(fā)燙現(xiàn)象。如有發(fā)燙可能電流或者電壓超過額定值，也可能因為電路搭建錯誤，需立即斷電，進(jìn)行下一步排查。三查。排查故障通常是從左至右，按級排查。尤其是多級復(fù)雜電路，可先測第一級輸出，觀察示波器或者萬用表結(jié)果，如果與理論分析結(jié)果相符可進(jìn)行下一級故障排查。如果該級電路輸出結(jié)果錯誤，需對該級電路中重點器件及易損壞器件進(jìn)行進(jìn)一步的故障確定。
2分立器件構(gòu)成放大電路故障分析
以電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路為例，電路如圖1所示，如果電路能夠正常工作，可利用函數(shù)信號發(fā)生器給放大電路提供交流信號源，通過示波器會觀察到電壓幅值及頻率與理論相符的輸出波形。如果出現(xiàn)了故障，在示波器中觀察到的現(xiàn)象主要分為無波形輸出和有波形但失真輸出。按照逐級測試方法，測試VT1集電極波形若無波形，說明第一級放大電路有故障，以第一級電路故障為例進(jìn)行下述檢測，若第一級輸出正常則用同樣方法排查第二級故障。
2.1無輸出波形故障
在放大電路中，晶體管要工作在放大區(qū)，靜態(tài)工作點要求發(fā)射結(jié)正偏，UBE大于等于0.6V，集電結(jié)反偏，UCE大于UBE。利用萬用表的電壓檔，分別測量晶體管的基極-發(fā)射極間的電壓UBE，集電極-發(fā)射極間的電壓UCE，以此判斷晶體管是否工作在放大區(qū)。為保證放大電路具有一定的動態(tài)范圍，UCE不能太小。(1)遵循先靜后動的原則，斷開輸入信號，從以下幾個方面進(jìn)行檢查。①查電源。首先查看電路上的電源、地端是否正常連接，有沒有錯接、漏接的情況；然后利用萬用表上的電壓檔測量接入的電源端和地端是否是預(yù)定的電壓值。②查電位器。電阻損壞概率較小，即使損壞通常是通過“一看”觀察到的，可能會燒黑，或者有短路情況。而電位器損壞時外觀難以辨別，需用萬用表對阻值進(jìn)行測試。③查晶體管。在電源正常的情況下，測量晶體管三個電極的電位與極間電壓，以此判斷電路中晶體管的好壞和偏置電路可能存在的故障。(2)主要有以下五種典型的故障情況。①基極電位非常小，大約在微伏級；集電極電位等于電源電壓。此時，晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)，存在基極電阻開路故障。②基極與發(fā)射極之間電壓約0.5～0.7V，集電極電位非常小，大約在微伏級。此時，晶體管導(dǎo)通，存在集電極電阻開路故障。③基極電位等于基極電位，集電極電位也等于電源電壓12V，發(fā)射極電位為11.5V。此時，發(fā)射極開路。④基極電位等于基極電位，集電極電位也等于電源電壓，發(fā)射極電位為0V。此時，晶體管存在故障。⑤基極與發(fā)射極之間的電壓約0.5～0.7V，集電極電位等于電源電壓。此時，晶體管存在故障。(3)對于上述五種故障情況，處理方法如下。①如果晶體管存在故障，可用萬用表二極管檔位進(jìn)一步測試確定，更換晶體管。將萬用表打到二極管檔位，紅黑表筆分別插到基極、發(fā)射極，如果正向?qū)?.5～0.7V，反向為無窮大，說明發(fā)射結(jié)是好的。如果不管紅黑表筆怎么插，數(shù)值都很小，約0.1V，說明燒短路了。如果不管紅黑表筆怎么插，數(shù)值都是超量程，說明發(fā)射結(jié)內(nèi)部開路了。同樣方法判斷集電結(jié)的好壞。②如果存在可能開路的故障，再利用萬用表進(jìn)行線路通斷測量，進(jìn)一步確定故障的具體位置。具體操作方法如下：將萬用表撥到二極管測量檔，表筆插孔位置與電壓測量相同。將紅黑表筆分別放在需測量的連接線兩端，如果兩點電路之間是接通的，則萬用表會發(fā)出“滴”聲；如果無聲音，說明這兩點之間不連通。
2.2示波器中有輸入波形和輸出波形但輸出波形失真
失真主要有以下幾種情況。(1)非線性失真。此時輸出波形出現(xiàn)頂部失真或底部失真。如果輸出波形頂部失真，則是由于靜態(tài)工作點太低而導(dǎo)致的截止失真。為了消除失真，需要增大基極電流、提高基極電位。根據(jù)分壓原理，此時應(yīng)減少Rp1。如果輸出波形底部失真，則是由于靜態(tài)工作點過高而導(dǎo)致的飽和失真。為了消除失真，一方面可以減小基極電流、降低基極電位。此時，應(yīng)減小基極電阻Rp2。另一方面可以增大電壓UCE，此時，應(yīng)減小RC。如果輸出波形的頂部、底部都失真了，這說明輸出信號過大，超過了放大電路的動態(tài)范圍，此時需要減小輸入信號的幅值。(2)頻率失真。此時輸出波形與輸入波形不再滿足相位反相的關(guān)系，出現(xiàn)了超前相移或滯后相移。由放大電路的頻率響應(yīng)可知，如果出現(xiàn)了超前相移，說明輸入信號頻率過低；如果出現(xiàn)了滯后相移，說明輸入信號頻率過高。(3)如果輸出波形的幅值較小，通過對比輸入輸出波形的幅值發(fā)現(xiàn)電路的放大倍數(shù)只有幾倍或十幾倍，比預(yù)期小得多。此時，應(yīng)檢查發(fā)射極旁路電容CE是否正常工作。利用萬用表進(jìn)行CE兩端線路的通斷測量；如果線路接觸良好，則可能電容CE故障。
3集成運放構(gòu)成放大電路故障分析
分析圖2電路A1及外圍電路構(gòu)成反向比例運算放大器，且由于二極管D1，D2的作用，僅能放大正的電壓信號。即當(dāng)vi>0時，v01=-2vi；當(dāng)vi>0時，v01=-2vi。A2及其外圍電路構(gòu)成加法電路，v0=-(v01+R17×vi/RP2)，若Rp2調(diào)為10k則v0=-(v01+vi)，改變Rp2輸出波形幅值變化。采用三步法，一看電路連線有無問題。該電源為正負(fù)12V供電，不能接反；電源模塊與集成運放模塊要共地；兩個二極管正負(fù)極連接是否正確；同相輸入端電阻是否接地。二摸器件尤其是集成運算放大器741是否發(fā)熱。三查故障，按照第一級放大、第二級放大的順序排查，查看v01波形，如果輸出電壓接近電源電壓，可能負(fù)反饋電阻斷開或者同相輸入端電阻斷開，確定外圍電路沒有問題，則可能是芯片損壞，更換芯片后進(jìn)一步測試。如果v01波形正確，v0有問題，用同樣方法排查，若改變Rp2輸出波形不變，則Rp2損壞。
4結(jié)語
采用故障排查三步法的重點在于“查”，這需要在理解電路原理、了解元器件特性的基礎(chǔ)上采用適當(dāng)?shù)膬x器進(jìn)行測試，根據(jù)測試數(shù)據(jù)綜合判斷故障原因。尋找故障方法是靈活多變的，尤其對于復(fù)雜電路，根據(jù)豐富的經(jīng)驗?zāi)軌蚩焖贉?zhǔn)確地檢測故障并加以排除[4]，這需要在實踐中不斷總結(jié)，一步步積累，才能夠提高實踐能力。
參考文獻(xiàn)
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作者：孫艷麗 劉曉娣 王國慶 單位：海軍航空大學(xué)
