МИР
Р. А. ПИС
Обнаружение
неисправностей
в аналоговых
схемах
Перевод с английского
А.А. Кузьмичевой
ТЕХНОСФЕРА
Москва
2007
электроники

Пис Р.А.
Обнаружение неисправностей в аналоговых схемах
Москва:
Техносфера, 2007. - 192с. ISBN-10: 5-94836-106-3
ISBN-13: 978-5-94836-106-2
Эта книга предназначена для инженеров, которые проектируют или
обслуживают все виды электронных схем, как аналоговых, так и цифровых.
А также для всех, кто интересуется электронными схемами.
Первая глава - ключ к обнаружению неисправностей в электронных
схемах и правильному пониманию проблем. В последующих главах
подробно освещены способы обнаружения неисправностей в пассивных и
активных компонентах схем, в печатных платах и соединениях.
В этой книге подробно описаны конкретные примеры ошибок и
способы их предотвращения, перечислены все наиболее опасные ситуации,
которые могут возникнуть, а также все возможные отказы и методы их
устранения.
Troubleshooting
Analog Circuits
With Electronics Workbench Circuits
Robert A. Pease
and
Interactive Image Technologies
© 1993, Elsevier Inc.
© 2006, ЗАО "РИЦ "Техносфера",
перевод на русский язык,
оригинал-макет, оформление
ISBN-10: 5-94836-106-3
ISBN-13: 978-5-94836-106-2
ISBN 0-7506-9499-8 (англ.)

Содержание
Предисловие 8
Благодарности И
Об авторе 13
Глава 1. ВВЕДЕНИЕ: ФИЛОСОФИЯ ОБНАРУЖЕНИЯ
НЕИСПРАВНОСТЕЙ 15
В основе эффективности обнаружения неисправностей
лежит правильная философия 15
Кто может дать хороший совет 17
Что нужно сначала определить для понимания причины
отказа 17
Методологический и логический планы обнаружения
неисправности 18
Помните о законе Мэрфи 20
Отказы в проблемных зонах схем 20
Анализ отказов 20
Поиск неисправностей по телефону 21
Перспективы автоматизированного поиска неисправностей.
Компьютер как помощник и друг 22
Глава 2. ВЫБОР НЕОБХОДИМОГО ОБОРУДОВАНИЯ 24
Глава 3. НЕИСПРАВНОСТИ НА УРОВНЕ КОМПОНЕНТОВ.
РЕЗИСТОРЫ И КАТУШКИ ИНДУКТИВНОСТИ 37
Характеристики резисторов 37
Согласование температурных коэффициентов 39
Переменные резисторы 39
Нельзя превышать номинальные параметры потенциометров 41
Обращайтесь осторожно с компонентами 42
Когда резистор не резистор 43
Катушки индуктивности и трансформаторы не так просты 43
Эквивалентные схемы трансформаторов 44
Защита трансформаторов от выброса напряжения 46
Перегрев катушек индуктивности 47

ш4 Содержание
Глава 4. НЕИСПРАВНОСТИ НА УРОВНЕ КОМПОНЕНТОВ.
ПРОБЛЕМЫ С КОНДЕНСАТОРАМИ 48
Неполярные конденсаторы 48
Фольговые конденсаторы 49
Слюдяные конденсаторы с обкладками в виде серебряной
металлизации 51
Подстроенные конденсаторы 52
Поиск неисправностей в схемах с конденсаторами 52
Глава 5. МАТЕРИАЛЫ. НЕИСПРАВНОСТИ СБОРКИ
И МОНТАЖА. НЕИСПРАВНОСТИ В ПЕЧАТНЫХ ПЛАТАХ,
РАЗЪЕМАХ, РЕЛЕ И ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЯХ 54
Как избежать проблем из-за печатных плат на начальном
этапе 54
Утечки тока в печатной плате — причина неисправности
схемы 56
Компоновка 59
Разъем Кельвина 60
Паяные соединения 62
Межсоединения 63
Реле 63
Переключатели 64
Провода и кабели 64
Глава 6. НЕИСПРАВНОСТИ СХЕМ ИЗ-ЗА ПРОБЛЕМ
С ДИОДАМИ 66
Обзор неисправностей диодов 67
Стабилитроны 70
Светодиоды 71
Оптроны 71
Солнечные батареи 72
Глава 7. ОБНАРУЖЕНИЕ И ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ
НЕИСПРАВНОСТЕЙ ТРАНЗИСТОРОВ 74
Полевые транзисторы 75
Мощные биполярные транзисторы 76
Правило пяти секунд 79
Структура мощных биполярных транзисторов 80
Требования к проектированию силовых схем 82
Мощные полевые МОП-транзисторы 82

Глава 8. НЕИСПРАВНОСТИ ОПЕРАЦИОННЫХ
УСИЛИТЕЛЕЙ 84
Погрешности операционных усилителей 84
Погрешности операционных усилителей при обработке
синфазного сигнала 85
Тестирование CMRR операционного усилителя 86
Измерение погрешности CMRR 89
Питание операционных усилителей 90
Измерить ток смещения легче, чем импеданс 90
Правильное понимание погрешностей операционных
усилителей 91
Собственные неисправности операционных усилителей 93
Принцип Роберта Писа 94
Самовозбуждение 95
Шумы 100
Техническое описание как причина возникновения
неисправности 101
Методы обнаружения неисправностей в схемах
с операционными усилителями 102
Глава 9. ПОДАВЛЕНИЕ ПАРАЗИТНЫХ КОЛЕБАНИЙ 103
Колебания, которые не являются генерацией 105
Самовозбуждение компараторов 107
Правильно обращайтесь с компаратором 107
Шум компараторов 108
Синфазный сигнал в компараторе 109
Неустойчивые неисправности 109
Самовозбуждение буферных схем 110
Проблемы триггеров 113
Глава 10. НА ГРАНИЦЕ МЕЖДУ АНАЛОГОВОЙ И ЦИФРОВОЙ
ЭЛЕКТРОНИКОЙ 114
Таймеры 114
Цифровые интегральные схемы в аналоговых схемах 115
Неиспользуемые входы интегральных схем 115
Погрешности параметров сигнала 115
Цифровые схемы и зонды осциллографа 118
Неисправности цифро-аналоговых преобразователей 119
Неисправности аналогово-цифровых преобразователей 121

|Гб Содержание
Проектирование систем с аналогово-цифровыми
преобразователями 122
Преобразователи напряжение—частота
и частота—напряжение 123
Схемы выборки и хранения 124
Время перехода от режима выборки к режиму хранения 124
Время обнаружения 124
Аналоговый мультиплексор 125
Глава 11. ОПОРНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ. НЕИСПРАВНОСТИ
В РЕГУЛЯТОРАХ 126
Регуляторы 126
Допустимое напряжение 127
Комплексная нагрузка 127
Регуляторы с импульсным управлением 128
Регуляторы, работающие на разных уровнях мощности 128
Глава 12. НЕУСТОЙЧИВЫЕ НЕИСПРАВНОСТИ 131
Техника обнаружения причины неустойчивой
неисправности 131
Использование статистических методов 132
Аналоговые измерительные приборы 132
Цифровые измерительные приборы 133
Источники сигнала 134
Методологические ошибки 134
Системы и схемы 136
Как осуществить подстройку схемы без подстроечного
резистора 136
Беспаечные печатные платы 138
Глава 13. ПРИМЕРЫ ОБРАЩЕНИЙ К АВТОРУ
С ВОПРОСАМИ О НЕИСПРАВНОСТЯХ 139
Глава 14. ПРИМЕРЫ РЕАЛЬНЫХ СХЕМ
И НЕИСПРАВНОСТЕЙ В НИХ 154
Заключительные рекомендации 172
Приложение А. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ
С НЕСТАНДАРТНЫМИ ВЫВОДАМИ 173
Схемы подстройки напряжения смещения 173
Сдвоенные операционные усилители 175

Приложение Б. ПОДАВЛЕНИЕ ШУМОВ
В ТРЕХВЫВОДНЫХ РЕГУЛЯТОРАХ НАПРЯЖЕНИЯ 176
Приложение В. ТЕСТИРОВАНИЕ СМЕЩЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ
В БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИХ КОМПАРАТОРАХ 180
Приложение Г. КАК ПРАВИЛЬНО ЧИТАТЬ ТЕХНИЧЕСКИЕ
УСЛОВИЯ 184
Спецификации 184
Гарантии 184
Типичный 185
Максимально допустимые номинальные значения 185
Эксплуатационные характеристики 186
Комментарий примечаний к таблицам 186
Применение 186
Предварительный статус 189
Приложение Д. ВОЗМОЖНОСТИ SPICE 191
Содержание

Предисловие
«Ваша идея настолько привлекательна, что я немедленно готов
подумать над ней, если вы дадите мне 20 минут». Хотя я не раздаю
комплименты направо и налево, но в данном случае идея издания серии Боба
Писа «Обнаружение неисправностей в аналоговых схемах» в
журнальном варианте EDN (сокр. от Edition) оказалась плодотворной.
Фактически она зародилась в мыслях Джона Титуса, вице-президента,
директора издательства и главного редактора журнала EDN, а также Тарлтона
Флеминга, в то время младшего редактора EDN, а сейчас — менеджера
по проектированию в корпорации Maxim Integrated Products.
В начале 1988 года Джон и этот младший редактор EDN проводили
коллективное обсуждение статей (в том числе и для издательства Cahners)
в штаб квартире в городе Ньютон (штат Массачусетс), которые можно
было бы написать по реальным практическим материалам. Джон
рисковал, потому, что читатели EDN выискивали в журнале полезные советы
по улучшению своей работы, а поскольку неисправности вездесущи, то
и их эффективное устранение должно было быть интересно для них.
Тарлтон вел раздел популярных конструкторских идей в EDN и
работал с Бобом на постоянной основе, который делал обзоры аналоговых
схем читателей. Тарлтон вспомнил, что Боб упоминал о книге по
проектированию блоков питания, которую он и его коллеги по National
Semiconductor планировали написать. Талтон сказал, что Боб, наверное,
уже собрал материал по устранению неисправностей. Необходимо было
выяснить, согласится ли National Semiconductor дать разрешение на
публикацию части книги. Тарлтон затеял дискуссию по этому поводу.
Вскоре приличного размера пакет появился в офисе EDN. В нем
был материал, который, в конечном счете, лег в основу первых трех
частей в серии Боба. Вскоре Тарлтон оставил Восточное побережье, чтобы
поискать счастье в Силиконовой Долине, таким образом, работа с
материалами Боба свалилась на меня. Я быстро просмотрел ее и остался
заинтригованным.
Я — сверстник Боба, старше его всего на несколько лет. Хотя мы не
были знакомы, но в то время, когда я был аспирантом в Массачусетс-
ком технологическом институте, Боб был там студентом. Я узнал Писа,
когда он работал на предыдущем месте в George A. Philbrick Researches,
теперь влившийся в Teledyne Components в Дедхаме, Массачусетсе. Даже
в те дни — в конце шестидесятых, начале семидесятых — Боб был
плодовитым автором. Он делился своими мыслями и техническими
озарениями с клиентами Philbrick Researches и другими инженерами,
которые читали фирменное издание The Lightning Empiricist, а также с
читателями профессиональных журналов, таких как EDN.

Предисловие
Те статьи позволили сформироваться Бобу как техническому
эксперту, а также продемонстрировать свое чувство юмора и страсть к
каламбурам, которые затем стали легендой. Как юмор, так и игру слов не
воспринимают слишком много людей. Однако мы с Бобом к этой
категории не относимся. Много лет назад, когда я впервые читал статью,
написанную Бобом, я подумал, что если когда-нибудь встречусь с ним,
то он мне понравится. Когда же я приступил к чтению материала,
собранного им для EDN, я как будто встретился со старым другом,
которого долго не видел.
Материал был не совсем обычным для EDN. Он был посвящен
техническим вопросам, да..., но был намного легче всего того, что мы
публикуем. В нем было совсем немного формул и никаких сложных схем.
Понравится ли это читателям? Я решил, что понравится, в рукописи
было много острых и точных наблюдений.
Стиль тоже не был похож на наш. Раньше твердые ограничения
делали статьи однородными, хотя журнал был сугубо техническим, он
легко и просто читался. Теперь мы немного отступили от старых
принципов. И хотя все равно статьи переписываются, но мы сохраняем стиль
и индивидуальность автора. Я думаю, что в этом есть определенная
заслуга Боба и его серии.
Стиль Боба заключается не только в его чувстве юмора, но и в
особенностях его необычной натуры. А больше всего — в его стремлении к
совершенству и его профессионализме. Если бы мы попытались
переделать материал Боба, чтобы придать ему более традиционную форму,
он потерял бы большую часть своей привлекательности. Успех Боба
заключается в его индивидуальности и его подходе к решению проблем.
И лучшим способом донести до читателя сущность Боба — это
сохранить его стиль.
Один из «принципов» EDN заключается в том, чтобы не задавать
риторических вопросов, поскольку читатели могут отреагировать на них
не так, как хотел бы автор. Сотрудники шутят, что мы «дозируем»
риторические вопросы. По их версии, старший редактор Джоан Морроу Линч
по каждой теме разрешает одному редактору задать один риторический
вопрос. Она действует по системе: кто первым пришел, тот первым и
получил, но может отказать любому, если в последней его работе было
слишком много вопросов. После прочтения материала, который лег в
основу «Обнаружения неисправностей в аналоговых схемах», я
подсчитал, что в нем израсходован весь годовой запас риторических вопросов
журнала EDN. «Но почему бы не рискнуть?» — подумал я, Боб начнет
решать проблемы с постановки вопросов.
Уникальность серии, на мой взгляд, состоит в том, что она
рассматривает вопросы обнаружения неисправностей с точки зрения
инженера-проектировщика. Читатели EDN — проектировщики. Пис — хорошо
образованный проектировщик. Он не только может указать на
неисправность с высоты своего положения, но рассматривает это как неотъем-

10 Предисловие
лемую часть своей работы. Он наслаждается ею, его страстные строки
помогают изгонять «нечисть» из электрических схем.
Этот факт не остался не замеченным читателями. Их реакция была
крайне эмоциональной. Никогда за всю историю EDN (а это почти 35 лет)
публикация не вызывала такого восторга. Каждую неделю новая пачка
карточек обслуживания читателей появлялась в офисе. В них читатели
писали свои комментарии в дополнение к запросам на более
подробную информацию о продуктах, которые рекламировались или были
упомянуты в журнале. Пачки карточек содержали множество рукописных
отзывов, которые все сходились в одном: статьи Боба — лучшее, что
когда либо печатал EDN. Фактически читатели EDN проголосовали за
все 12 статей как за лучшие по соответствующим вопросам. После
завершения публикации серии статей мы стали получать карточки с
предложением выпустить статьи в книжной форме. Поначалу запросы на
книгу были разрозненными, но вскоре они превратились в
настоятельное требование большинства читателей. Итак, те, которые просили и те,
кто никогда не видел серии статей Боба в EDN, но ощущали нехватку
специальных материалов при поиске неисправностей, получите книгу.
Чтобы не показалось, что я один из EDN редактировал книгу Боба,
скажу, что я не сделал даже большей части работы. Кроме меня над
технической частью трудились старший редактор Чарльз X. Смолл и
Энн Уотсон Суогер, ныне региональный редактор на Восточном
побережье в Винвуде, Пенсильвания. Литературное редактирование всех
статей выполнила младший редактор Джули Энн Скофилд.
Художественный отдел EDN, возглавляемый Кеном Расикотом,
подготавливал иллюстрации в Ньютоне. Кроме того, многие фотографии были
представлены коллегами Боба по National Semiconductor. Этот список не
полный. Журнал — это коллективное творчество, и всегда есть риск
кого-то забыть.
Очевидно одно, что все, кто работал над серией, были фанатами
своего дела! Когда Рой Форсберг, ныне издающий другой журнал Cahners,
Test and Measurement World, проводил со мной собеседование перед
приемом в EDN, он сказал, что работа технического редактора самая
интересная в электронике. В то время я воспринял слова Роя как не очень
искренние. Но работая над серией Писа, я понял, что Рой был прав.
Работа над серией статей принесла огромный опыт! Помимо советов
Боба по поиску неисправностей, я надеюсь, серия статей — а теперь и
книга, — передадут больше, нашу радость от работы над проектом.
Дэн Страссберг,
младший редактор журнала EDN

Благодарности
Я хотел бы посвятить эту книгу моему старому другу Брюсу Седдону.
Еще 30 лет назад он помог мне разобраться в тонкостях проектирования
работы системы в наихудших условиях. Этому не учат в школе, поэтому
вы должны иметь старшего наставника, чтобы освоить это с его
помощью. Брюс, несмотря на свою занятость, никогда не отказывал мне в
помощи, а я никогда не успевал поблагодарить его — 30 лет это очень
много даже для такого ленивого человека, как я, — но теперь настало
время сказать: «Спасибо, Брюс».
Я хочу выразить благодарность еще 40 друзьям, которые помогали в
работе над статьями, исправляли мои ошибки, дополняли. Я особо
признателен Джиму Мойеру, Тиму Регану, Деннису Монтичелли, Лэрри
Джонсону и Дэну Страссбергу из EDN, они предложили много
технических идей, до которых я сам бы не докопался. Я также благодарен
Синди Льюис из Sun Circuits Inc (г. Санта-Клара, шт. Калифорния) за
ее помощь в подготовке таблиц по материалам для печатных плат к
главе 5. Моя признательность Минео Яматаке за его изящный проект
усилителя термопары, Стиву Аллену, Пэгги Уиллис, Ай Невес и Франу
Хоффарту за фотографии, а также Энроллу Дитцу и Карлосу Хуерта.
Большое спасибо Хендрику Санто и сотрудникам Natasha's Attic в Сан
Хосе за помощь в разработке, сборке и оформлении «царской
униформы». И каждому из редакторов EDN, которые возились с моей
рукописью: Джули Энн Скофильд, Энн Уотсон Суогер, Чарльзу X. Смоллу и
Дэну Стассбергу, а также Кэрол С. Льюис из HighText Publications в
Сан-Диего. Все они без устали трудились над каждой словом и фразой,
бесконечно исправляли и дополняли текст.
Я также благодарен Джойс Гилберт, нашей секретарше, которой
пришлось печатать намного больше, чем она рассчитывала. Я говорил
ей, что придется напечатать только 50—60 страниц... откуда мы могли
знать, что их будет 280? Нужно отметить, что не только Джойс, но и я
сам все печатал, хотя гораздо больше люблю хороший текстовой
редактор. Я не просил бы ее перепечатывать то, что набрал сам. Однако, со
снижающимися ценами на компьютеры, я больше не требую ни от кого
перепечатывать текст. Дело не в том, что дорого или трудно набрать
текст в совместимом с ASCII формате. Просто я набирал
первоначальный вариант на старом Coleco ADAM с несовместимой памятью на
кассетах. Джойс перепечатала все, что я написал, на Ashton-Tate Multi-mate,
и мы отправляли ASCII файлы в EDN в августе и ноябре 1988 года.
Я получил обратно распечатанные файлы из EDN и потратил много
часов на перепечатку, исправления и добавления. Я благодарен Ванде
Гарретт, которая отвечала на мои бесконечные вопросы о работе элект-

Благодарности
ронного текстового редактора. Если кто-то из моих читателей задумает
написать книгу, пусть решит, что и как он будет делать. Запомните, что
эта книга начиналась как глава к другой книге, Ала Келша об
импульсных стабилизаторах. Я никогда не пошел бы снова таким
малоэффективным путем, если бы знал, какой огромный проект, в конце концов,
получится. Возможно, я никогда бы не взялся за него ...
После всех технических идей и подсказок по обнаружению
неисправностей, которые я вам дал, надеюсь, вы примите мои комментарии.
Боб Пис, штатный научный сотрудник
National Semiconductor Corp.,
M/S C2500A, P.O. Box 58090, Santa Clara,
CA 95052-8090.

Об авторе
Официально, Боб Пис является старшим научным сотрудником по
промышленному проектированию аналоговых интегральных схем в
National Semiconductor Corporation в городе Санта-Клара, в
Калифорнии, где работает с 1976 года. Он является также один из самых
известных в мире проектировщиков аналоговых схем — он
проектировал аналоговые продукты для удовольствия (своего) и прибыли
(своей и своих работодателей), и писал об аналоговых схемах почти
четверть века. У Боба Писа, как вы можете догадаться, есть много
других достоинств помимо перечисленных. Поиск нетрадиционных или
заброшенных путей — призвание Боба. Он ищет их, когда ходит
пешком, на лыжах, ездит на велосипеде один, или с женой и двумя
сыновьями часто вдоль заброшенных железнодорожных полотен в
Соединенных Штатах и Англии. Кроме умиротворения и острых
ощущений он открывает в поездках новые возможности Америки, которые
немногие замечают. Любовь к железным дорогам проявляется в
вещах, далеких от работы. Например, Боб разработал преобразователь
напряжение — частота. Большинство людей, которые проектируют
такие преобразователи, делают это как часть своей основной работы.
Хотя Боб проектировал преобразователь для National Semiconductor,
он часто делает это и для собственного удовольствия, так как считает
это очень полезным. Пару лет назад он таким образом создал
преобразователь напряжение — частота, в котором использовались только
вакуумные трубки. Благодаря схеме Боба компания, где он
проработал первые 14 лет, George A. Philbrick Researches (чуть позже —
Teledyne-Philbrick, а теперь Teledyne Components в Дедхаме,
Массачусетсе) занялись в 1953 году производством преобразователей — за
восемь лет до того, как Пис стал студентом Массачусетского
технологического института. Через двадцать лет после того, как Боб
спроектировал первые твердотельные преобразователи, они все еще
имели хороший сбыт в Teledyne-Philbrick. История о том, как Пис стал
пионером в бизнесе преобразователей, воспроизведена в книге
«Обнаружение неисправностей в аналоговых схемах: искусство, наука и
люди» (издание Butterworth-Heinemann, 1991) под редакцией Джима
Уильямса (см. рекламу и конец настоящей книги).
Боб обожает писать — делиться своим опытом. Он опубликовал около
60 журнальных статей (не считая серии в EDN, которая легла в основу
этой книги) и получил примерно 10 патентов в США.
Недавно он начал вести колонку в журнале Electronic Design, где он
каждые две недели комментирует различные аспекты конструирования
интегральных аналоговых схем.

Об авторе
Боб получает удовольствие, когда видит, что его идеи находят
воплощение в работах других. Например, он очень гордился сейсмическим
предварительным усилителем, который он спроектировал для
космической компании во время перерыва на чашку кофе. Через много лет
усилитель все еще был в эксплуатации, передавал предупреждения о
лунных землетрясениях (хотя, возможно, его батареи уже сели). Боб
спроектировал компактный размером в 1/3 унции модуль
преобразования напряжение — частота, который взяли на встречу на Эвересте, где
он использовался для преобразования медицинских и научных данных
в 1980 году Американской научно-исследовательской экспедицией (из
Медицинской школы при Калифорнийском университете в Ла-Джола).
National Semiconductor использовал склонность Боба к генерации
идей, которые с успехом могут использоваться другими. В обязанности
старшего научного сотрудника, Боба — помимо проектирования
образцовых источников питания, регуляторов напряжения, датчиков
температуры и преобразователей, — входят консультации сотрудников,
решение сложных проблем других инженеров, проверка конструкций своих
коллег. Кроме того, Боб является внештатным редактором журнала EDN,
в котором он анализирует различные идеи аналоговых схем.

ГЛАВА 1
ВВЕДЕНИЕ:
ФИЛОСОФИЯ ОБНАРУЖЕНИЯ
НЕИСПРАВНОСТЕЙ
Эта книга предназначена для инженеров, которые проектируют или
обслуживают все виды электронных схем и систем, — как аналоговых,
так и цифровых. А также для всех, кто интересуется компьютерами,
микропроцессорами, программным обеспечением.
Данная глава — самая важная в этой книге. В ней ключ к
эффективности обнаружения неисправностей в электронных схемах и
правильному пониманию проблемы. В последующих главах будут подробно
освещены способы обнаружения неисправностей в пассивных и активных
компонентах схемы, в печатных платах и межсоединениях. В этой
книге будут подробно описаны конкретные примеры ошибок и способы их
предотвращения, будут перечислены все наиболее опасные ситуации,
которые могут возникнуть, а также все возможные отказы и методы их
устранения.
В основе эффективности обнаружения
неисправностей лежит правильная философия
Как известно, основополагающая дисциплина всех наук — философия.
А основы искусства поиска неисправностей, его философия,
представлены в этой главе.
Почему важно знать основы обнаружения неисправностей?
Потому что даже самые лучшие инженеры, которые осуществляют тот или
иной проект, всегда сталкиваются с тем, что схема работает не так, как
надо, хотя бы первое время. Например, имеются данные от
производителей дисководов: от 20 % до 70 % этих устройств первоначально
работают с ошибками. Зафиксированы разные показатели правильной
работы схемы при первоначальном ее включении — от 1 % до 100 %, но
следует ориентироваться на среднее число возможных отказов — от 20 %
до 60 %. Поэтому производители обычно планируют выпуск
трехкратного от требуемого количества электронных узлов. Наиболее трудные
неисправности встречаются в новых устройствах, которые еще не
применялись в электронной технике. Такой же уровень неисправностей
встречается в новых устройствах, состоящих из давно применяемых
узлов. Неисправность трудно определить, даже если есть подробное

Глава 1. Введение: философия обнаружения неисправностей
описание схемы. Нереально надеяться, что в новой электронной схеме
не будет отказов. Необходимо быть готовым определить отказ в любое
время. Нельзя надеяться, что этого удастся избежать. Как гласит закон
Мэрфи, если Вы уверены, что схема заработает, то она работать не
будет.
Допустим, есть партия электронных схем, в которых необходимо
обнаружить неисправности. Возникает закономерный вопрос: что
нужно прочесть, чтобы правильно производить поиск отказа? Ответ очень
простой: все, что написано о данной схеме. Однако, как правило, в этих
описаниях оказывается не вся информация.
Знаете ли Вы, как неисправный компонент повлияет на работу той
или иной электронной схемы? Какие отказы наиболее часто
встречаются в той или иной схеме? Эти аспекты будут подробно описаны в
последующих главах.
При обнаружении неисправностей очень важно правильно выбрать
тестирующее оборудование. Детально эта проблема будет освещена в
следующей главе. А сейчас следует упомянуть, что в этой сфере
существует широкий спектр аппаратуры, — от простых дешевых тестеров, с
помощью которых можно определить только короткое замыкание, до
дорогой аппаратуры со сложным программным обеспечением. Чаще всего
для поиска неисправностей используют осциллографы.
А главным инструментом обнаружения неисправностей является
Ваша сообразительность, которая к тому же всегда под рукой. Как
пользоваться этим уникальным инструментом? Здесь нужна своя
философия. Как утверждает известный специалист в этой сфере Юрий
Досталь, в этой работе лучше защищаться, чем бороться. Когда усилия
по обнаружению неисправности носят характер борьбы с неизвестным
оппонентом (компонентом), это неправильный подход к проблеме.
Корректная тактика обнаружения неисправностей подробно описана в
этой главе.
Первое, что необходимо сделать при поиске неисправности, — это
определить и записать все, что может вызвать такой отказ. На заре
инженерного бума разработчики паровых двигателей подробно описывали
все причины, которые могли вызвать ту или иную неисправность. Для
каждого нового двигателя в описания возможных отказов и методов их
устранения вносились изменения. Даже для каждой модификации
одного и того же двигателя эти инструкции отличались, что, конечно,
помогало решить все проблемы. К сожалению, эта традиция в
последующем была нарушена.
Обнаружение неисправностей всегда характеризуется двумя
параметрами: у каждого отказа есть своя хитрость и к каждому нужен свой
ключ. Но у каждой неисправности есть конкретная предпосылка,
следовательно, она и в другой схеме может привести к отказу. Несмотря на
то, что в этой предпосылке фактически нет смысла, она является
основным фактором неисправности, его причиной.

Что нужно сначала определить для понимания причины отказа
Кто может дать хороший совет
Некоторые думают, что хороший совет можно получить только у
экспертов. Они знают, как решить трудную проблему. Автор считает, что
это неверно. Иногда основной причиной трудности проблемы является
то, что Вы слишком хорошо знаете схему, которая не хочет работать.
Спросите кого-нибудь из коллег, незнакомого с ней, и Вы наверняка
получите правильную подсказку. И проблема будет решена. Часто
такую подсказку легче получить у техника, нежели у авторитетного
инженера. Обычно эта догадка является счастливой случайностью. А есть
феномены, которые могут решить любую самую хитрую проблему,
понять причину отказа. Такие друзья дороже золота. Автору повезло
работать в коллективе таких людей. Мы практически никогда не можем
точно сказать, кто же конкретно определил причину отказа, кто нашел
ошибку.
Что нужно сначала определить
для понимания причины отказа
Прежде чем приступить к поиску неисправностей в очередной схеме,
нужно сначала найти четкие ответы на четыре основных вопроса:
1. Работала ли эта схема когда-нибудь правильно?
2. Что указывает на то, что она работает неправильно?
3. Когда она стала плохо работать или перестала работать?
4. Что происходило со схемой до этого момента, после этого
момента и непосредственно в момент отказа?
Ответы на эти вопросы должны быть как можно более точными и
подробными.
Ответы на вопросы записываем!
После того, как получили ответы на эти вопросы, их нужно
обязательно зафиксировать, — записать в рабочий журнал. Далее
найденные решения при каждом отказе также фиксируются в рабочем журнале.
Впоследствии их нужно регулярно перечитывать. Такие записи
помогают сэкономить много рабочего времени при поиске неисправностей в
других схемах.
Как правило, только этими четырьмя вопросами инженеры не
ограничиваются. Из полученных ответов возникают другие вопросы.
Например, инженеры-новички часто подходят ко мне с партией
интегральных схем, которые по некоторым параметрам дают плохие
результаты тестов. Я обычно спрашиваю, каковы результаты других тестов, и
слышу, что никто из них не продолжал тестирование интегральных схем
после обнаружения одной ошибки. Более опытные инженеры проводят
полную проверку компонентов, и это совершенно правильно. Что я
советую новичкам и сделать. Поэтому, если Вы будете консультироваться

Глава 1. Введение: философия обнаружения неисправностей
у кого-нибудь по поводу какой-нибудь неисправности, соберите
максимально возможное количество фактов о проблеме, чтобы получить
нужный ответ. В таких случаях мне хватает одной минуты, чтобы
подсказать инженеру решение. Никто не поможет Вам обнаружить
неисправность, если Вы не уверены, запускается ли схема от + 12 В или от ± 12 В,
или начинаете говорить о несовместимых вещах.
Методологический и логический планы
обнаружения неисправности
Даже если зафиксирована неисправность в резисторном делителе
напряжения, советую Вам всегда составлять подробный план ее поиска.
Допустим, у Вас есть цепь последовательно соединенных 128
резисторов по 1 кОм (рис. 1.1). Если приложить + 5 В к верхней клемме, а О В к
нижней, то в середине цепи Вы уверенно ожидаете около + 2,5 В. А если
Вы наблюдаете там О В, то начинаете поиск неисправности, проверяя
напряжение последовательно на каждом резисторе с самого начала цепи.
Эта стратегия абсурдна! Проверьте напряжение, например, на
резисторе, который находится посередине от начала цепи до середины всей
все резисторы имеют номинал 1 кОм
Рис.1.1. Схема из последовательно соединенных резисторов. Если в
центральной точке не 2,5 В, а, допустим, О В, как Вы будете искать
неисправность? Как Вы определите короткое замыкание или
разрыв цепи?
середина
цепи

Методологический и логический планы обнаружения неисправности
цепи. В зависимости от результата измерения, продолжайте поиск
неисправного резистора по алгоритму деления на 2 неисправного отрезка
цепи. Такая стратегия более эффективна. В такой длинной цепи за 7
шагов измерений можно определить сгоревший резистор или короткое
замыкание на землю. При первоначально описанной неправильной
стратегии Вам пришлось бы сделать 64 измерения.
Допустим, есть схема на основе операционного усилителя,
собранная на макетной плате, и она не работает. Чаще всего можно нормально
проверить операционный усилитель, резисторы и индуктивности. Но
невозможно проверить конденсатор, не вынув его из макетной платы.
Однако, если выходное напряжение операционного усилителя не
соответствует указанному на несколько милливольт, резисторы тоже
невозможно проверить. Бывает, что вообще невозможно ничего проверить в
схеме, без изучения выходного сигнала с помощью осциллографа.
Таким образом, о любой неисправной схеме необходимо собирать как
можно больше данных, пока не найдется решение проблемы.
Поэтому сначала формулируем предположение о неисправности, а
затем проводим проверку или серию проверок, которые помогут ее
определить. И, может быть, предположение подтвердится. Все эти тесты
должны быть, конечно, выполнимыми. Но можно определить
необходимый тест, а он окажется невыполнимым или очень трудным для
исполнения. Таким образом, возникает логическое заключение: если тест
и удастся произвести, он ведь даст либо положительный, либо
отрицательный результат. И, вполне возможно, понадобятся другие тесты, чтобы
найти неисправность.
Например, в процессе поиска неисправности возникла
необходимость прозондировать первый металлический слой интегральной
схемы, в которой два металлических слоя. Но вместо этого можно сделать
серию других тестов. Естественно, опытный инженер выберет второй
вариант, — лучше избегать трудновыполнимых или почти
невыполнимых тестов.
Конечно, иногда текущий результат теста дает совершенно
невероятный ответ, отличный от того, который ожидался. Это заставляет
обдумывать проблему сначала, искать ошибку в предположениях. Или
измерения были выполнены некорректно? Или первоначальные данные были
ошибочными? Вот почему обнаружение неисправностей — очень
интересное дело, — никогда не бывает скучно.
С другой стороны, кажется, что глупо планировать подробно все
тестирование, так как часто, сделав по плану все операции проверки,
убеждаешься, — они оказались ненужными. Это инженеры называют
«паралич анализа». Но планирование позволяет провести сложное
тестирование очень интенсивно; у автора обычно планирование и само
тестирование занимает равное количество времени. И, если
положительного результата не получается, составляется новый план, — как
правило, более подробный.

20 Глава 1. Введение: философия обнаружения неисправностей
Помните о законе Мэрфи
Даже если Вы самый лучший инженер-электронщик, в Вашей работе
всегда следует руководствоваться законом Мэрфи: «Если что-нибудь
может выйти из строя, оно сломается обязательно». В своей работе автор
постоянно убеждался в справедливости этого закона. При
проектировании схемы рекомендуется не применять такие решения, при которых
Вы не уверены, как будет работать схема. При проектировании
печатных плат необходимо межслойные соединения делать как можно
проще, область для резисторов и конденсаторов делать шире на случай
необходимой модификации их номиналов, при проектировании
интегральных схем не делать маленьких контактных площадок в стратегических
точках на поверхности кристалла, чтобы была возможность легко
проверить металлические слои. Таким образом, уже на стадии
проектирования необходимо минимизировать проблемы по поиску
неисправностей. В этом польза знания закона Мэрфи.
Отказы в проблемных зонах схем
За многие годы работы с электронными схемами автор постоянно
сталкивался с проблемами в их энергетически-запрещенных зонах.
Поэтому, чтобы не повторять старые ошибки, было составлено подробное
описание успешных решений в схемах с энергетически-запрещенными
зонами и основные правила проектирования схем с такими зонами. Также
описаны неправильные схемные решения и отказы, которые были
вызваны этими решениями. Все новые схемы рекомендуется сравнить с
этими описаниями. Это поможет избежать около 50 % отказов схем.
Автор планирует составить аналогичные описания для пусковых схем и
схем подстройки, которые используются в игровых устройствах.
Анализ отказов
Одна из важных частей работы инженера — это ведение журнала
«Анализ отказов». Даже простое описание отказа и способа его
устранения хотя и не является полноценным анализом, но помогает
пониманию причины отказа. Автор в своей практической деятельности всегда
ведет такой журнал. Кроме того, составляет несколько копий отчетов по
каждому отказу, которые предназначены для руководителя и для
коллег. При последующих отказах такие отчеты помогают быстрее решить
проблему. Автор и его коллеги постоянно перечитывают эти журналы и
считают, что это способствует высокой продуктивности их работы.
Иногда приходится, чтобы докопаться до сути проблемы,
рассматривать внутреннее состояние подозрительного компонента. Аккуратно
молотком разбить и заглянуть. Например, проверка схемы на опера-

Поиск неисправностей по телефону
ционном усилителе ничего не могла определить. Заподозрили
микросхему операционного усилителя. Оказалось, что один из выводов
микросхемы был с трещиной, его сопротивление увеличилось и вместо 0,5 А
поступало 0,3 А. Таким образом, молоток тоже помогает обнаружить
неисправность.
Если попадается целая партия каких-нибудь компонентов с
идентичными дефектами, то целесообразно, выявив причину, сообщить об
этом производителю. Автор обычно посылает при этом свой отчет с
анализом неисправности. Производитель внесет поправки в
технологический процесс.
Молоток рекомендуется использовать и для уничтожения
компонента, который определенное время заставлял Вас терзаться. Нужно
разбить его на как можно мелкие кусочки. И это не шутка. Допустим,
Вы определили, что неисправен конденсатор или переменный
резистор. Вы откладываете его в сторону, на его место ставите исправный
компонент и продолжаете работать со схемой. Большая вероятность того,
что если его не разбить вовремя, он опять будет использован где-нибудь
в схеме, и кто-то будет долго искать неисправность.
Поиск неисправностей по телефону
У автора данной книги такой большой опыт обнаружения
неисправностей, что он делает это даже по телефону. За каждым звонком может
стоять либо простой вопрос типа: «как правильно использовать схему»,
либо очень трудный или даже неразрешимая проблема. Чаще всего
правильный совет удается дать сразу же. Но иногда требуется время для
изучения проблемы. В этом случае возникает необходимость в
письменном описании проблемы или даже в очном изучении схемы, —
оппонент тогда присылает ее в лабораторию.
Бывает, что неисправность возникает из-за неправильной
эксплуатации схемы. Например, производитель стоматологического
оборудования пожаловался на устойчивый отказ в регуляторе LM317. В результате
подробной беседы выяснилось, что отказ произошел в Северной Дакоте
в феврале. В этой местности такой климат, что в это время года в
кабинете дантиста было очень сухо. Это способствовало накоплению
высокого потенциала статического электричества. Регулятор LM317 имеет
защиту от статического электричества в пределах от 3 кВ до 4 кВ. В
кабинете было более высокое напряжение статического электричества. Реостат
устройства контроля скорости в данном оборудовании дантиста одной
стороной напрямую соединялся с регулятором LM317, а другая сторона
его была заземлена через резистор в 1 кОм (рис. 1.2). Таким образом,
реостат функционировал как громоотвод для статического
электричества, и при этом разряд шел на регулятор.
Проблема легко решалась изменением способа подключения
резистора (рис. 1.3). При этом скапливающееся статическое электричество

|Г22 Глава 1. Введение: философия обнаружения неисправностей
Рис. 1.2. Схема первоначального подключения реостата к микросхеме
регулятора.
выход
на нагрузку
LM317
регулировка
устройство
контроля скорости
Рис. 1.3. Схема правильного подключения реостата к микросхеме регулятора.
стекает на землю, а не на микросхему. Улучшило бы работу схемы и
добавление конденсатора небольшой емкости между выводом
микросхемы «регулировка» и землей, но разработчик оборудования отказался это
сделать, так как микросхема LM317 больше не давала отказов. Следует
заметить, что эту конкретную проблему удалось решить по телефону.
Перспективы автоматизированного
поиска неисправностей. Компьютер
как помощник и друг
Давайте задумаемся, что нужно для обнаружения неисправности?
Схемы? Телевизионная техника? Машины? Люди? Работа инженера похо-
устройство
контроля скорости
выход
на нагрузку
LM317

Перспективы автоматизированного поиска неисправностей
жа на работу врача, который по симптомам пытается найти решение. А
если эту работу поручить компьютерной системе? В принципе, она
может распознать все симптомы, задать нужные вопросы, достаточно
достоверно все это оценить и сделать верный диагноз. Такие
компьютерные системы называют экспертными системами, и они являются
составной частью искусственного интеллекта. Но автор предпочитает
гениальный интеллект. Люди же, которые полностью полагаются на
искусственный интеллект, могут решить некоторые виды проблем, но
никогда не удастся застраховаться от гениальной глупости этих систем.
Автор согласен, что компьютер в работе по поиску неисправностей
будет экономически выгоден и исключит ошибки по рассеянности, но
никогда не заменит полностью работу человека со схемами (и с
человеческим организмом). Скорее всего, на компьютер будет возложена
функция рутинной работы.
Применение экспертных систем в авиации значительно улучшило
работу механизмов, и всегда их диагностика была правильной. Вся
авиационная техника стала стремительно усложняться, а компьютерные
системы аккуратно отслеживали их работу, и ошибок становилось все
меньше. Этот факт как бы опровергает мнение автора о применении
экспертных систем в поиске неисправностей в электронных схемах. Возможно,
автор ошибается и изменит свое мнение.

ГЛАВА 2
ВЫБОР НЕОБХОДИМОГО
ОБОРУДОВАНИЯ
Главным инструментом эффективного обнаружения неисправностей
является Ваша сообразительность. Однако вполне нормальным
является желание иметь и какое-нибудь оборудование для этого. В данной
главе будет рассмотрено оборудование для поиска неисправностей, как
имеющееся в продаже, так и то, которое можно сделать самим.
Перед тем, как решать очередную задачу по поиску неисправности,
Вы должны хорошо знать возможности оборудования и максимально их
использовать. Также необходимо знать, какое оборудование подходит
для того или иного типа схемы. Так, цифровой вольтметр не
понадобится для обнаружения большинства неисправностей в цифровой
технике. Наличие и доступность оборудования могут составлять некоторые
проблемы. Например, лучше иметь осциллограф с максимально
широким диапазоном функций.
При нехватке оборудования, Вы можете столкнуться еще и с
несоответствием приборов для выполнения тех или иных тестов и затратить
больше времени и сил для выполнения задачи. В большинстве случаев
это затруднение не бывает катастрофичным, но в некоторых случаях
время устранения отказа является важным фактором какого-нибудь
процесса. Поэтому очень важно хорошо знать все существующее
оборудование и уметь принять решение, какой из приборов необходимо
применить для быстрого обнаружения неисправности.
Следует отметить также важность полного понимания того, как
работает схема и как работает прибор, который используется для поиска
причины отказа.
Далее будет перечислено оборудование, которое более всего
подходит при обнаружении неисправностей в большинстве аналоговых
электронных схем.
Двухлучевой осциллограф. Чувствительность осциллографа должна
быть от 1 до 2 мВ/см, а полоса пропускания — не менее 100 МГц. Но
если приходится работать с высокоскоростными схемами, то полоса
пропускания осциллографа должна быть соответствующей.
Два или три зонда. Они должны быть в исправном состоянии.
Рекомендуется иметь переключающийся зонд (до 10-ти кратного изменения
уровня сигнала), которым можно измерять как большие, так и очень
маленькие сигналы. Следует помнить, что прямой зонд имеет полосу
пропускания от 16 до 20 МГц, даже если он используется с
осциллографом 100 МГц. Также следует помнить, что при использовании зонда

Глава 2. Выбор необходимого оборудования
25
к осциллографу
- Вертикальная
развертка
Рис. 2.1. Если на выходе усилителя или компаратора должны быть
прямоугольные сигналы, а на осциллографе имеется картинка (а) или
(б), то как можно найти неисправность в схеме? Никогда не
найдете! Если же правильно подключить зонд «10х» (используя
компенсатор), на экране будет картинка (в) Схема правильного
подключения зонда «10х» представлена на (г).
«10х» для компенсации его емкости необходимо использовать
калибратор прямоугольных сигналов, как показано на рис. 2.1.
Идеально было бы иметь три зонда, — чтобы можно было их
использовать для триггерного входа и для каждого из каналов
осциллографа. Рекомендуется на каждом зонде иметь длинный провод для
заземления, с возможностью заменять его при работе с высокоскоростными
схемами на короткий, как показано на рис. 2.2. Более короткий провод
заземления обеспечивает лучшие частотную и переходную
характеристики сигнала, а также подавляет шумы.
В некоторых схемах с высоким импедансом зонд «10х», емкость
которого составляет от 9 до 15 пФ, нельзя использовать. Для работы с такими
схемами необходим активный зонд, входная емкость которого составляет
от 1,5 до 3 пФ. Его можно сделать самим в соответствии с рис. 2.3.
Если возникнет необходимость работы с переключающимся
регулятором, понадобится пара токовых зондов. Только с их помощью можно

26 Глава 2. Выбор необходимого оборудования
Рис. 2.2. Когда при измерении сигнала в
высокоскоростных схемах наблюдается
изображение (а), замените провод
заземления на короткий A5 см), (в). Если же
есть возможность подключить заземление
зонда в непосредственной близости от
проверяемой точки схемы, то
изображение сигнала значительно улучшится (б).
увидеть сигналы на этом устройстве. Следует заметить, что некоторые
модели токовых зондов могут работать только с переменным током
(более дешевые), а некоторые модели — как с переменным, так и с
постоянным током.
Осциллограф с памятью. Такие осциллографы могут быть особенно
полезными при исследовании малых и прерывистых сигналов. Этот тип
осциллографов позволяет сохранять определенные результаты. Следует
заметить, что обращение с ними бывает очень сложным, требуется
дополнительное изучение их функционирования. Они бывают с
аналоговой памятью и с цифровой. Последний тип можно квалифицировать
как импульсную систему, поэтому необходимо следить за корректным
применением импульсного осциллографа. После подробного изучения
его возможностей, очень удобно применять в работе такие функции,
как автоматическое измерение параметров сигнала, получение графика
формы сигнала.
Цифровой вольтметр. Лучше всего применять модель, имеющую
самые высокие точность и быстродействие, автоматическую установку
диапазона измерения. Для работы с большинством аналоговых схем
такие вольтметры должны обладать очень высоким входным
сопротивлением, намного больше 10 МОм. Если имеется обычный цифровой
вольтметр, то увеличить его входное сопротивление 10 МОм можно,
подсоединив последовательно к зонду резисторы с сопротивлением 33 кОм

Глава 2. Выбор необходимого оборудования
27
Примечания:
Q, = Q2 = 2N5486 *s
R, = R2 = R3 = 10 М
(эти резисторы обладают
емкостью примерно 0,08 пф)
Рис. 2.3. Тестовая схема имеет
входной импеданс 10й Ом с
параллельной емкостью 0,29 пФ (а).
Сначала оптимизировали зонд для
схемы с таким импедансом, —
использовали зонд с полосой
пропускания 90 МГц и скоростью
нарастания выходного напряжения
300 В/мкс. Следует учесть, что
корпуса полевых транзисторов и
печатная плата дают
дополнительную емкость 0,08 пФ.
Просверленные отверстия, как показано на
(б), добавляют к входному
импедансу только 0,06 пФ.
или 100 кОм. При этом точность измерения снизится на 1 %. Хорошие
цифровые вольтметры имеют входной ток менее чем 500 мкА, который
дает ошибку менее чем 50 мкВ. Высокоразрешающий цифровой
вольтметр дает отклонение от 100 до 200 мкВ на сигнале 11В. Многим
инженерам незнание этой погрешности затрудняло обнаружение
неисправности в полупроводниковых приборах. Следует знать также, что анало-
гово-цифровой преобразователь цифрового вольтметра может вносить
некоторые шумы в схему. Минимизировать эту проблему можно
использованием RC-фильтра (рис. 2.4).

Глава 2. Выбор необходимого оборудования
Рис. 2.4. Даже если цифровой вольтметр работает на батарее, он все
равно генерирует шум в схему, которая тестируется.
Минимизируются шумы использованием RC-фильтра.
Дополнительные вольтметры. Иногда для тестирования одной схемы
требуется два хороших цифровых вольтметра, два небольших 3-х
разрядных цифровых вольтметра, которые производят мониторинг
напряжения питания, один цифровой вольтметр для мониторинга утечки тока
и еще аналоговый вольтметр. Должна быть возможность собрать все это
оборудование и совершить атаку на проблему в схеме. В некоторых
случаях лучше применить аналоговый вольтметр, а не цифровой. Хотя он
имеет более низкую точность, но является пассивным устройством, то
есть не производит шумов. Кроме того, обладает более низкой
емкостью относительно земли. Также им можно измерять скорость
изменения сигнала, — цифровым вольтметром этого сделать нельзя.
Функциональный генератор. Как известно, синусоидальный и
прямоугольный сигналы широко применяются в качестве тестирующих
сигналов. Треугольный сигнал используется для исследования
нелинейности. Иногда требуется два функциональных генератора. Один из них
предназначается для определения рабочей точки тестируемой схемы.
Источники питания со стабильными выходами. Они должны иметь
грубую и точную регулировки напряжения, а также регулируемый ток.
Источники питания с цифровыми настройками не рекомендуется
применять, так как они не обеспечивают непрерывное изменение
напряжения. Если емкость источника питания создает проблемы, нужно
заменить его на такой, в котором выходная цепь не имеет большой емкости,
например, построенная на операционном усилителе. В этом случае
покупается соответствующий источник питания или дорабатывается
имеющийся как показано на рис. 2.5.
Если в качестве источника питания используются батареи, то
нужно иметь комплект из двух или четырех батарей на 9 В:
никель-кадмиевых, гелиевых или других подходящих. Преимущество батарей состоит
в том, что они не производят шумов и поэтому не создают
дополнительных трудностей при обнаружении неисправностей.
Несколько магазинов емкостей и сопротивлений. Они
изготавливаются в заводских условиях. Принципиальная схема одного из популярных

Глава 2. Выбор необходимого оборудования
29
Рис. 2.5. Схема на выходе источника питания, которая не имеет большой
выходной емкости. Выходное напряжение можно установить в
диапазоне от 3 до 30 В регулировкой сопротивления резистора Rv
Сопротивление Rsc должно быть от 3 до 100 Ом; ток короткого
замыкания равен 20 мА + 600 mB/Rsc
Примечания:
15 < R, < 10 к
15 к < R2< 10 М
100 пФ<С, ?0,22мкФ
Рис. 2.6. Принципиальная схема магазинов емкостей и сопротивлений
VIZ WC-412A. Номиналы сопротивлений резисторов лежат в
диапазоне от 15 Ом до 10 Мом, емкость конденсаторов - в
диапазоне от 100 пФ до 0,2 мкФ.
магазинов VIZ WC-412A представлена на рис. 2.6. С помощью такого
устройства можно составить цепь из резисторов, конденсаторов,
последовательных RC-цепей, параллельных RC-цепей, собрать разорванную
цепь или коротко замкнутую цепь. Таким образом, можно
смоделировать различные тесты и быстрее найти ответ.

Глава 2. Выбор необходимого оборудования
Возможно, для моделирования тестов понадобятся другие
компоненты. На рис. 2.7 представлены принципиальные схемы
самостоятельно изготовленных магазинов емкостей. На рис. 2.7, а изображена схема
с переменными резистором и конденсатором, которую можно
применить, моделируя, например, операционный усилитель. На рис. 2.7, б
изображена схема с резисторами и конденсаторами высокой емкости,
которую можно применить, моделируя, например, источники питания
и регуляторы.
Развязывающий трансформатор. Для предотвращения возникновения
недопустимого напряжения при работе со схемами, где есть
переключающийся регулятор, нужно использовать такой трансформатор. Если у
Вас нет развязывающего трансформатора, то его можно сделать из пары
обычных трансформаторов в соответствии со схемой на рис. 2.8.
Регулируемый автотрансформатор. Этот прибор обеспечивает
различное напряжение питания и позволяет наблюдать соответствующие
реакции в схеме.
Самописец напряжения. С помощью этого прибора можно
зафиксировать, например, что в определенных условиях два транзистора имеют
одинаковое напряжение насыщения, даже если их вольтамперные ха-
развязывающий
выход
Рис. 2.8. Принципиальная схема развязывающего трансформатора.
Рис. 2.7. Принципиальные схемы магазинов емкостей.

Глава 2. Выбор необходимого оборудования
рактеристики различны. Если один из них исправен, а другой работает
неправильно, самописец напряжения поможет понять, почему. Также
этот прибор незаменим при определении нелинейности сопротивления
и проводимости в диодах, конденсаторах, газоразрядных лампах,
резисторах. С его помощью можно тестировать батареи для определения
степени их разрядки и на предмет необходимости их подзарядки. Кроме
того, самописец напряжения применяется для определения пробоя в
полупроводниках. Также с его помощью можно определить
коэффициент усиления, коэффициент ослабления синфазных сигналов и
соотношение сигнал/шум конкретного операционного усилителя.
Запасные компоненты к схеме, которая тестируется. Следует
обратить внимание, что запасные компоненты должны быть проверены и
инженеры могли быть уверены, что они работают корректно.
Полный комплект резисторов и конденсаторов всех номиналов. У Вас
всегда должны быть резисторы с номиналами от 0,1 Ом до 100 МОм и
конденсаторы с номиналами от 10 пФ до 1 мкФ, даже если схема,
которую Вы проверяете, не содержит резисторы и конденсаторы с такими
номиналами. Естественно, под рукой всегда должны быть провода.
Принципиальные схемы. Рекомендуется иметь несколько копий
принципиальных схем устройства, которое Вы проверяете. На одной копии
можно проставить значения напряжений, токов и форму сигнала в
определенных точках схемы. На других копиях схемы можно проставить
все параметры из описания данной схемы. Кроме того, если в
проверяемой схеме используются интегральные схемы, у Вас должны быть
принципиальные схемы этих микросхем и их описания.
Специализированное тестирующее оборудование. Выбор такого
оборудования зависит от типа схемы, в которой необходимо обнаружить
неисправность.
Детектор короткого замыкания. Этот прибор необходим при
определении неисправности в большой печатной плате. С его помощью можно
обнаружить короткое замыкание между шиной земли и шинами для
сигналов или питания. Конечно, с помощью чувствительного
цифрового вольтметра тоже можно обнаружить такую неисправность, но
детектор короткого замыкания делает это быстрее и эффективней. При
тестировании детектором плата отключена от питания. В приборе
предусмотрена тонкая пошаговая регулировка тестирующих сигналов.
Принципиальная схема детектора короткого замыкания представлена
на рис. 2.9.
На рисунке в проверяемой плате имеется короткое замыкание
между землей и одной из пяти шин питания. Чтобы определить
местонахождение короткого замыкания, необходимо просто скользить
положительным входным зондом по шинам. Во всех точках, кроме К,
показания прибора не будут меняться, а в точке К, где есть короткое замыкание,
падение напряжения изменится. Это простой и наглядный способ
обнаружения короткого замыкания в печатных платах.

Глава 2. Выбор необходимого оборудования
Примечание:
все резисторы ±10%
Рис. 2.9. Принципиальная схема детектора короткого замыкания.

Глава 2. Выбор необходимого оборудования
Приемник радиоволн с амплитудной модуляцией. Иногда в схемах
возникает генерация непонятного происхождения. Она прослеживается на
выходе схемы, на входе, на некоторых узлах и даже на земле.
Проверив несколько раз схему, убеждаетесь, что все собрано и работает (по
отдельности) правильно. Отключив вольтметр, все другие приборы и
даже питание, обнаруживаете, что осцилляция не исчезла. Тогда
приходится искать внешний источник помехи. Может быть, где-то рядом
работает какой-нибудь генератор или регулятор. Именно для этих целей
применяется обыкновенный транзисторный радиоприемник. Как
известно, радиоволны с частотной модуляцией (FM) не производят помех, а
радиоволны с амплитудной модуляцией вызывают помехи различной
интенсивности и частоты.
Хотя транзисторные приемники рассчитаны на работу в диапазоне
частот с центром 5 кГц, они улавливают помехи любого диапазона
благодаря тому, что все высокочастотные шумы содержат гармоники
низкочастотного диапазона. Поэтому чувствительность таких
радиоприемников, — несколько микровольт на метр, является приемлемой для
обнаружения помех в любой схеме.
Измеритель резонансной частоты. В случаях, когда частота и
скорость повторения помехи настолько высоки, что транзисторный
радиоприемник бесполезен, используется измеритель резонансной частоты.
Принцип его действия основан на давно известном эффекте: при
расположении генератора на электровакуумной лампе в электромагнитном
поле ток на сетке лампы изменяется при совпадении частот. Долгое
время измерители резонансной частоты были построены на
электровакуумных лампах, но в настоящее время их основу составляют полевые
транзисторы и тетроды. Эти приборы определяют помехи в диапазоне
до 250 МГц.
Кроме обнаружения помех, измеритель резонансной частоты
применяется для работы с пассивными блоками настройки, принцип
действия которых, как известно, основан на явлении резонанса.
Несколько функционирующих схем. Основным методом поиска
неисправностей является сравнение работы отдельных узлов неработающей
схемы с функционированием таких же узлов в работающей схеме.
Кроме того, правильно функционирующая схема нужна для того, чтобы
проверить тестирующее оборудование.
Правильно организованное рабочее место. Прежде всего, все
оборудование на рабочем месте инженера, работающего с электронными
схемами, должно быть заземлено. Кроме прочего, это исключит
образование шумов в тестируемых схемах. Для исключения короткого
замыкания на землю между рабочим столом и проверяемой схемой должен
быть изолирующий картон. Чтобы предотвратить воздействие
статического электричества на схему, необходимо одевать на руку браслет,
соединенный с землей через резистор 1 МОм.

Глава 2. Выбор необходимого оборудования
Меры безопасности. Если приходится работать с неисправными
схемами большой мощности, следует помнить о возможности взрыва.
Необходимо одевать защитные очки и иметь под рукой огнетушитель.
Паяльник. Для пайки или распайки различных типов проводов и
компонентов используются разные типы паяльников. Паяльник
сначала нагревается до определенной температуры. В некоторых случаях
требуется заземление паяльника.
Приборы для удаления припоя. При выборе типа такого прибора
необходимо иметь в виду, что некоторые компоненты очень чувствительны
к статическому электричеству. Поэтому лучше выбрать
антистатическую модель прибора для удаления припоя.
Ручные инструменты. При работе с электронными схемами всегда
потребуются кусачки, плоскогубцы, ножницы, отвертки, гаечные
ключи, устройство для удаления изоляции с проводов, скальпель.
Всегда будут нужны провода, сигнальные провода, кабели,
разъемы, разъемы типа «бэби N», зажимы типа «крокодил», сферические
зажимы.
Фен и охлаждающее устройство. Для быстрого охлаждения
отдельных компонентов используется специальный охлаждающий аэрозоль.
Следует заметить, что аэрозоль не должен содержать хлорофтороуглево-
дороды, которые наносят вред окружающей среде. Фен используется
для подогрева всей схемы.
Лупа. Для исследования печатных плат, проводов и компонентов на
наличие обрывов, трещин, волосков или капелек припоя рекомендуется
иметь лупу.
Настольная лампа или фонарик. При работе с электронными
схемами необходимо четко видеть, что Вы делаете. Поэтому работайте с
настольной лампой. Кроме того, настольная лампа или фонарик помогут
Вам лучше рассмотреть печатную плату или отдельный компонент.
Термопара. С помощью термопары можно измерить температуру
любой точки схемы. Измерения сравниваются с требуемыми
условиями. В схеме не должно быть электрических или термальных перегревов.
На рис. 2.10 представлена схема усилителя термопары с теплопоглоща-
ющим устройством. Температурная компенсация обеспечивается
понижением тока транзисторами Qv Для получения лучшего результата
рекомендуется использовать 4 резистора по 100 кОм, соединенных
последовательно с резистором Л,, и2 резистора по 100 кОм, соединенных
последовательно с резистором Rr Все резисторы должны быть одного
типа и от одного производителя.
В настоящее время, кроме термопар для измерения температуры,
можно использовать специальные теплочувствительные интегральные
схемы, например, серии LM35 (рис. 2.11). Однако, измерение
температуры термопарой более точное в случае небольших или очень больших
температур.

Глава 2. Выбор необходимого оборудования
35
горячий контакт;
хромель-алюмелевая
термопара 40,8 мкВ/*С
Рис. 2.10. Схема усилителя термопары с тепловой компенсацией.
Примечание:
все резисторы ± 1 %

36 Глава 2. Выбор необходимого оборудования
аналоговый
или цифровой
вольтметр
Рис. 2.11. Схема теплового сенсора LM35CAZ.
Фильтры. Когда необходимо получить правильное изображение
сигнала на осциллографе, используются определенные фильтры для
подавления шумов. Обычно это набор различных фильтров в одном корпусе с
переключателями. Такие комплекты легко изготовить самим.
Устройства сопряжения, линейные адаптеры. Несколько устройств
сопряжения необходимы, например, для подключения нескольких
зондов и функциональных генераторов к земле. Кроме того, часто в
схемах требуется создать независимые петли заземления. Поэтому всегда
должен быть хороший запас устройств сопряжения различной
модификации.
Конечно, не все перечисленное оборудование может Вам
понадобиться, все зависит от того, с какими схемами придется работать. А,
возможно, понадобится то, что не описано в этой главе. Например, логический
анализатор, анализатор импеданса, спектральный анализатор,
программируемый генератор тока, измеритель емкости, импульсный генератор.
LM35CAZ
I или
LM35CAH

ГЛАВА 3
НЕИСПРАВНОСТИ
НА УРОВНЕ КОМПОНЕНТОВ.
РЕЗИСТОРЫ И КАТУШКИ
ИНДУКТИВНОСТИ
Усвоив философию обнаружения неисправностей в электронных
схемах и ознакомившись с необходимым для этой работы оборудованием
(см. предыдущие главы), необходимо досконально изучить влияние
неисправного компонента на работу всей схемы.
Поиск неисправности в схеме часто сводится к обнаружению
проблем в пассивных компонентах. Обычно неисправность схемы из-за
пассивных компонентов вызвана неправильным их выбором на стадии
проектирования. Чаще всего такую неисправность вносят резисторы,
катушки индуктивности и трансформаторы.
Резисторы — основной пассивный компонент в электронных
схемах, поэтому чаще всего именно они становятся причиной
неисправности схемы. Выход из строя резистора может быть обусловлен
неисправностью в другой части схемы, то есть неисправный резистор в этом
случае является симптомом другой неисправности. Кроме того, бывает,
что маркировка резистора не соответствует его реальному
сопротивления. Поэтому следует проверять компоненты и в этом аспекте.
Установлено влияние на сопротивление резистора циклических
нагревов. Например, пленочные резисторы, которые несколько раз
подверглись изменению температуры от -55 до +125 °С, изменяли свое
сопротивление от 20 до 900 %.
Характеристики резисторов
Очень важно знать все типы резисторов, — это поможет правильно
использовать их в своей работе. Один тип резистора будет хорошим
выбором при одном применении и губительным при другом.
Например, в условиях, когда требуется стабильность и низкий
температурный коэффициент, следует применять углеродистый резистор. Метал-
лопленочный резистор будет плохим выбором. С другой стороны, в
схемах, где нежелательно статическое электричество, углеродистые
резисторы лучше не применять, там будут хороши металлопленочные
резисторы. В табл. 3.1 приведены основные типы резисторов и их
характеристики.

|Г38 Глава 3. Неисправности на уровне компонентов
Таблица 3.1. Характеристики типичных резисторов.
Тип резистора
Композиционный
Металл опленочный
Угольнопленочный
Проволочный,
прецизионный
Проволочный,
силовой
Тонкопленочный
Толстопленочный
Диффузионный
Диапазон
номиналов,
Ом
1+22 МОм
10+1 МОм
10+10 МОм
1+1 МОм
0,01+100 кОм
25+100 кОм
10+1 МОм
20+50 кОм
Температурный
коэффициент
±РРМ/°С
Высокий
Низкий
Средний
Низкий
Средний
Низкий
Низкий
Высокий
Паразитные
эффекты
Низкие
Средние
Средние
Высокие
Высокие
Низкие
Низкие
Высокие
Цена
Низкая
Средняя
Средняя
Высокая
Средняя
Средняя
Средняя
Низкая
Следует заметить, что знание конструкции резисторов и
физических свойств материалов, из которых они изготовлены, несомненно,
поможет лучшему пониманию возникшей проблемы. На рис. 3.1
представлены чертежи конструкций резисторов. Например, при
превышении напряжения в металлопленочном резисторе может произойти
замыкание спирали, ток увеличится, и резистор начнет разрушаться.
Следовательно, там, где возможны повышения напряжения, лучше ис-
Рис. 3.1. Конструкции резисторов:
а — пленочные резисторы делаются срезанием спирали на слое металла
или графита, который нанесен на непроводящий сердечник; б —
композиционные резисторы — это сердечник из резистивного материала;
в — проволочные резисторы изготавливаются наматыванием резистив-
ной проволоки на непроводящий сердечник.

Переменные резисторы
пользовать композиционные резисторы, — они выдерживают
кратковременное превышение напряжения на 200—400 % без потери своих
свойств. Пленочные резисторы отличаются высокой точностью и
хорошими температурными свойствами. Кроме того, они обладают очень
низкой индуктивностью, в отличие от проволочных резисторов,
поэтому в высокочастотных схемах надо использовать именно их.
Согласование
температурных коэффициентов
Диффузионные резисторы, которые используются в интегральных
схемах, имеют оригинальные характеристики. Их температурный
коэффициент относительно большой, — около +1660 ррт/°С, но нелинейный
(квадратичный). Таким образом, сопротивление растет быстрее, чем
температура в высокотемпературном диапазоне, и медленнее в
низкотемпературном диапазоне. Поэтому в интегральных схемах требуемый
номинал получается цепочкой нескольких резисторов.
Многие интегральные схемы, такие, как цифро-аналоговые
преобразователи и источники опорного напряжения, содержат
тонкопленочные резисторы (нихромовые). По сравнению с другими резисторами, у
них более низкий температурный коэффициент, — от 50 до 350 ррт/°С,
лучше температурная стабильность сопротивления, лучшая
температурная согласованность и меньшая нелинейность.
Следовательно, когда приходится согласовывать вход с
цифро-аналоговым преобразователем, необходимо, чтобы входной резистор имел
отклонение сопротивления от 1 до 3 % в рабочем диапазоне температур.
Кроме согласования температурных коэффициентов, следует
учитывать и емкость резисторов. Понижение паразитной емкости
резистора можно осуществить способом, представленым на рис. 3.2.
Сопротивление в 10 МОм получается соединением последовательно четырех
резисторов по 2,5 МОм. Паразитная емкость одного композиционного
резистора (и 10 МОм, и 2,5 МОм) составляет 0,3 пФ, а паразитная
емкость четырех последовательно соединенных резисторов ставила 0,08 пФ.
Следует заметить, что наименьшей паразитной емкостью обладают
пленочные резисторы.
Переменные резисторы
Так же, как и постоянных резисторов, существует несколько типов
переменных резисторов: подстроечные резисторы, потенциометры,
реостаты. Эти резисторы изготавливаются из самых различных резистивных
материалов: графита, металлокерамики, специального пластика,
проволоки. Так же, как и с постоянными резисторами, нужно внимательно
выбирать тип переменного резистора. Учитывать их температурный ко-

|Г40 Глава 3. Неисправности на уровне компонентов
Рис. 3.2. Понижение паразитной емкости одного резистора (а) за счет
получения требуемого номинала соединением последовательно
нескольких резисторов (б); в — эквивалентная схема такого
соединения; г — такое соединение улучшает и частотную
характеристику сопротивления.
эффициент, паразитную емкость, точность установки. Например,
графитный переменный резистор хорошо работает в качестве переменного
делителя напряжения или потенциометра, но неприемлем в качестве
реостата. Металлокерамические переменные резисторы имеют множе-

Нельзя превышать номинальные параметры потенциометров
ство преимуществ, но не рекомендуется их применять в схемах, где
предусмотрены сотни циклов скольжения ползунка (например, в
радиоприемнике).
Главной проблемой переменных резисторов является установка его
на нужное сопротивление, так как он имеет бесконечное количество
вариантов установки. Самый лучший показатель точности установки
требуемого сопротивления — 0,1 %. На точность установки влияет не
только конструктивная способность скользящего контакта занять нужное
положение, но также и его способность оставаться на этом месте.
Нельзя превышать номинальные параметры
потенциометров
Как возникают неисправности в переменных резисторах? Если
приложить постоянное напряжение между скользящим контактом и одним из
концов, а затем сдвинуть контакт к этому концу, то получится
превышение максимально допустимого тока на скользящем контакте, что
приведет к скорому выходу из строя этого контакта. Максимально допустимая
мощность большинства переменных резисторов обычно рассчитывается
из предположения, что вся рассеиваемая мощность распределяется
равномерно по всему резистору. Таким образом, если в схеме будет
использоваться меньше половины резистивного элемента, то этот
резистор скоро выйдет из строя.
В спецификациях некоторых подстроечных резисторов нет
ограничений по постоянному току на скользящем контакте. Но надо знать, что
даже 1 мкА постоянного тока может вызвать ненадежность работы
резистора, шумы в схеме или разрыв цепи. Графитные потенциометры
более устойчивы к таким неисправностям.
Как распознать неисправность в резисторе? Обычно вышедший
из строя резистор горячий и пахнет фенолом. Следует быть
осторожным при поиске и помнить, что можно обжечь пальцы. Однако,
когда определяется неисправный резистор, не всегда причиной
неисправности схемы является именно он. В 90 % случаях оказывается, что
неисправность где-то в другом месте, — вышедший из строя резистор
является симптомом неправильной работы другого компонента
(например, транзистора). Если просто поменять резистор, новый
резистор скоро сгорит.
Чтобы проверить резистор, надо отсоединить один его конец от
схемы и измерить его сопротивление. Казалось бы, что достаточно
измерить падение напряжения и ток на резисторе, не отключая его от
схемы, — но это будет неточная величина.
Если какой-нибудь резистор вызывает подозрения о его
температурной чувствительности, необходимо проверить это, замерив его
сопротивление в нагретом и охлажденном состоянии.

Глава 3. Неисправности на уровне компонентов. Резисторы
Рис. 3.3. Принципиальная схема измерения сопротивления резистора Rxc
точность выше, чем у любого омметра.
Измеряя сопротивление резисторов, следует помнить, что даже
самые лучшие омметры имеют небольшую точность. Это особенно важно
учитывать при работе с резисторами маленьких номиналов. На рис. 3.3
представлена схема прибора на основе цифрового вольтметра для более
точного измерения сопротивления резистора. Измеряются напряжения
на опорном резисторе RREF и на измеряемом резисторе Rr Соотношение
напряжений будет равно соотношению сопротивлений. Точность при
этом будет выше, чем у любого омметра.
Обращайтесь осторожно с компонентами
С резисторами, как и с любыми компонентами, необходимо
обращаться очень аккуратно, чтобы в схеме не было таковых с дефектами.
Например, резистор с трещиной может быть причиной шума или
прерывистой работы схемы. Неисправный резистор может быть причиной
другой неисправности.
Важно знать, какое неправильное действие к каким
неисправностям может привести. Если резистор перегреется (например, 2 или 3 Вт
попадет на резистор, рассчитанный на 0,25 Вт), то он, скорее всего,
станет причиной такой неисправности, как разрыв цепи, но никогда не
будет причиной короткого замыкания. Точность и стабильность
электронных высокоимпедансных схем и схем с высокоомными резисторами
зависят от условий, в которых они работают. Нельзя их трогать руками
и нужно следить, чтобы на них не было пыли.
цифровой
вольтметр

Катушки индуктивности и трансформаторы не так просты
Существует еще одна проблема, которая относится ко всем
резисторам, — это эффект Зеебека. При монтаже схемы всегда присутствует
соединение двух различных металлов, которое может быть причиной
температурного градиента (потока тепловой энергии). Необходимо
стараться, чтобы прецизионные резисторы не попадали под такие
градиенты. Известно, что прецизионные проволочные и пленочные
резисторы обладают низким коэффициентом Зеебека, от 0,3 до 1,5 мкВ/°С.
А оксидные резисторы, которые к тому же имеют термальную
характеристику в виде петли, обладают высоким коэффициентом Зеебека, до
100 мкВ/°С.
Когда резистор не резистор
Резистор перестает быть резистором, когда он плавится. Это
происходит, если на резистор небольшого сопротивления подается очень
большой ток. Расплавленный резистор нетрудно обнаружить. Да и случается
это очень редко. В настоящее время все электрические сети и
электронные схемы имеют надежную защиту от больших токов. Расплавление
резистора не происходит при переменном напряжении ниже 230 В и
постоянном напряжении ниже 32 В. Из вышеуказанного следует
важное правило: в схемах выпрямителей всегда надо иметь защиту от
большого постоянного тока.
Катушки индуктивности и трансформаторы
не так просты
Катушки индуктивности и трансформаторы не так часто применяются в
схемах, как резисторы, и не так сложны конструктивно, как резисторы.
Их сердечники имеют различную форму и размеры. Материалами
сердечников являются воздух, сталь, ферриты. Конечно, как
проектируются катушки индуктивности и трансформаторы и как они применяются в
электронных схемах, мы не будем рассматривать в этой книге. Обсудим
виды неисправностей этих компонентов. Например, если сердечник
сделан из хорошего материала, но там есть воздушные полости, то за
счет этого в нем будет накапливаться энергия, и индуктивность будет
менять свое значение в широком диапазоне. Большие проблемы
создают сердечники из неподходящего материала.
Измеряется индуктивность с помощью измерителя индуктивности
или моста для измерения полного сопротивления.
Для большинства катушек индуктивности и трансформаторов
сердечники делают из ферромагнитных сплавов, которые обеспечивают
лучшие параметры этих компонентов.
Так же, как и с резисторами, с катушками индуктивности нужно
обращаться очень аккуратно, иначе поиск неисправности может стать

Глава 3. Неисправности на уровне компонентов. Резисторы
неразрешимой задачей. Это относится и к процессу измерения
индуктивности этих компонентов. Например, нужно не забывать о таком
свойстве катушек индуктивности, как насыщение.
Эквивалентные схемы трансформаторов
Допустим, необходимо проверить трансформатор с коэффициентом
передачи N. У данного трансформатора число витков первичной обмотки
равно Nl9 а число витков вторичной обмотки Nv тогда N = N{ /Nr
Принципиальную схему такого трансформатора можно представить в
виде Т-образной эквивалентной схемы (рис. 3.4). Если измерить
индуктивность между точками А и В при незамкнутых контактах С и D, она
будет очень большой. В этом случае измеряется совместная индуктив-
сопротивление вторичной обмотки
утечка индуктивности на вторичной
обмотке
емкость вторичной обмотки
емкость между первичной и
вторичной обмотками
Рис. 3.4. Эквивалентная схема трансформатора с передаточным числом N.
При измерении индуктивности необходимо учитывать эту
эквивалентную схему. С учетом влияния каждого компонента
эквивалентной схемы можно правильно оценить измеренную
величину.
сопротивление первичной обмотки
утечка индуктивности на первичной
обмотке
емкость первичной обмотки
взаимная индукция
затухание на сердечнике
первичная
обмотка
вторичная
обмотка

Эквивалентные схемы трансформаторов
ность первичной и вторичной обмоток. Свои измерения необходимо
еще правильно оценить, так как каждый компонент эквивалентной
схемы влияет на величину измеренной индуктивности.
При работе с катушками индуктивности и трансформаторами
всегда нужно помнить, что плотность электромагнитного потока прямо
пропорциональна току, а потеря энергии на катушке прямо
пропорциональна квадрату тока. Рекомендуется произвести несколько
измерений формы волны тока, чтобы сделать вывод о ее изменениях. Вы
убедитесь, что форма волны тока изменяется странным образом в
зависимости от индуктивности. Особенно ярко это наблюдается в регуляторах.
В случае, если у Вас нет специального прибора для измерения
индуктивности, ее можно измерить, основываясь на эффекте резонансной
частоты в схеме с параллельными конденсатором и индуктивностью.
Известно, что резонансная частота определяется так:
Зная величину емкости конденсатора и измерив резонансную
частоту, можно вычислить индуктивность. Получив с помощью
осциллографа изображение формы волны тока на проверяемой катушке
индуктивности, необходимо сравнить ее с формой волны тока на заведомо
исправной катушке индуктивности. Этот способ проверки применяется
для определения короткого замыкания в катушке, которое снижает
индуктивность. Приборы для измерения индуктивности применяются при
проверке катушек на предмет выхода их из строя за счет насыщения.
Ферритовые тороиды приобретают магнитные свойства в
определенной рабочей точке, которая определяется петлей гистерзиса
применяемого материала. Насыщение сердечника перемещает рабочую точку
и изменяет его магнитные свойства. Способов вернуть материалу
первоначальные свойства не существует. Насыщению сердечника по
большей части способствуют наведенные электромагнитные поля. То есть
при эксплуатации электронных схем с катушками индуктивности и
трансформаторами необходимо защищать их от воздействия посторонних
электромагнитных полей. Обычно применяют защитные экраны или
экранирующие корпуса (металлические). Магнитные свойства
сердечника изменяются и при прохождения чрезмерного тока. Температура
сердечника при этом повышается до значения, при котором магнитные
свойства сердечника изменяются необратимо.
Следует соблюдать еще некоторые меры предосторожности, чтобы
не испортить катушку индуктивности или трансформатор. Нужно
учитывать, что монтажные провода могут при определенных условиях
обладать индуктивностью, которая будет воздействовать на насыщаемость
сердечников катушек индуктивности и трансформаторов. Кроме того,
необходимо аккуратно использовать измерительные приборы.
Например, омметры могут быть источниками тока, который также изменит

Глава 3. Неисправности на уровне компонентов. Резисторы
температуру (а, следовательно, и магнитные свойства) сердечников
катушек индуктивности и трансформаторов, которые присутствуют в
схеме. Поэтому старайтесь настроить омметр на как можно меньший
измерительный ток.
Защита трансформаторов
от выброса напряжения
При функционировании трансформаторов, катушек индуктивности, реле
возможен кратковременный выброс напряжения из них, который не
разрушает эти устройства, но может вывести из строя другие
компоненты. Чаще всего в таких случаях сгорают транзисторы. Для защиты
схемы от выбросов напряжения от устройств с сердечниками необходимо
использовать подключение одного из демпферных устройств, таких, как
диод, ЛС-цепь, стабилитрон или комбинации из нескольких таких
устройств. Они обладают свойством поглощать всплески энергии.
Самые маленькие катушки индуктивности называются бусинками,
так как очень похожи на них; они имеют такие же размер и форму.
Изготавливаются они из различных ферритовых материалов с одним,
двумя или четырьмя витками провода. Чаще всего бусинки
используются с цепи базы или эмиттера высокочастотных транзисторов для
предотвращения генерации. Катушки индуктивности, как известно,
демпфируют колебания.
Трансформаторам присущи те же проблемы, что и катушкам
индуктивности. Вдобавок, встречаются такие неисправности, как
неправильное передаточное число или некорректная полярность
подсоединения. И, конечно, необходимо проверять надежность изоляции между
первичной и вторичной обмоткой. У большинства трансформаторных
сердечников ферритовые материалы обладают хорошими изоляционными
свойствами, но некоторые материалы имеют проводимость. Поэтому,
если изоляция между первичной и вторичной обмоткой недостаточна,
необходимо заменить такой трансформатор на трансформатор с другим
типом сердечника.
Что касается силовых трансформаторов, то здесь встречаются, в
основном, две проблемы. Одна из них возникает, если в схеме в качестве
фильтра используется конденсатор большой емкости. При включении
питания в таких схемах происходит большой скачок тока, поэтому
всегда необходимо использовать предохранитель (обычно плавкий). Кроме
того, возможно к вторичной обмотке последовательно подключить
резистор небольшого сопротивления. В телевизионных приемниках в
силовой части схемы используется для этих целей термистор.
Вторая проблема, связанная с силовыми трансформаторами,
встречается в тех схемах, когда на выходе в качестве фильтра используется
конденсатор небольшой емкости. При выключении питания схемы в

Перегрев катушек индуктивности
начале цикла электромагнитной индукции электромагнитный поток в
трансформаторе продолжает нарастать, и происходит выброс
напряжения во вторичной обмотке, который может вывести из строя другие
компоненты. В таких случаях рекомендуется использовать конденсатор
выходного фильтра значительно большей емкости.
Перегрев катушек индуктивности
Так же как и резистор, перегретый трансформатор или катушка
индуктивности имеют определенный запах, по которому их можно найти.
Причиной перегрева бывает неисправный сердечник, короткое
замыкание проволочных витков, неправильная толщина провода и многое
другое. Короткое замыкание между первичной и вторичной
обмотками определяется с помощью омметра. Над остальными причинами
всегда приходится ломать голову. В любой области электроники
проблемы с индуктивностью и магнитными материалами всегда бывают очень
трудными.

ГЛАВА 4
НЕИСПРАВНОСТИ НА УРОВНЕ
КОМПОНЕНТОВ. ПРОБЛЕМЫ
С КОНДЕНСАТОРАМИ
В этой главе будут раскрыты секреты очень интересного класса
компонентов — конденсаторов. Ни в одной спецификации, ни в одной книге
нет сведений о том, как определить неисправность схемы, связанную с
конденсатором.
Конденсаторы, как и резисторы, относят к пассивным компонентам.
Однако, если зарядить хороший конденсатор до 10 В, а затем 2 недели
его не трогать, то его заряд уменьшится не более чем на 10—20 %.
Понятно, что компонент с такими замечательными свойствами
некорректно называть пассивным.
Чаще всего в схемах используются алюминиевые электролитические
конденсаторы. Главное правило при работе с такими конденсаторами —
это правильно соблюдать полярность подсоединения. В противном
случае конденсатор выйдет из строя. Также необходимо быть осторожным
при работе с конденсаторами большой емкости, которые используются
в силовых схемах и фильтрах, так как они могут быть заряжены на очень
большую величину энергии. Рекомендуется при работе с
конденсаторами одевать защитные очки, так как даже конденсатор в несколько
микрофарад и рассчитанный на 6 В может взорваться как ружейный
патрон, если ошибиться с полярностью или вместо постоянного
напряжения подключить переменное.
Неполярные конденсаторы
Электролитические конденсаторы (алюминиевые или танталовые)
могут быть и неполярными. Их размеры больше, чем у полярных
конденсаторов, они дороже и редко используются. Танталовые конденсаторы
имеют такие же характеристики, что и алюминиевые, но у них меньше
утечка и сопротивление. Их часто используют в схемах таймеров.
Большое распространение получили пленочные конденсаторы, их
используют как в схемах с малыми сигналами, так и в силовых
фильтрах. В качестве диэлектрика у этих конденсаторов применяются самые
различные материалы — полиэстер, полипропилен, полистирол, тефлон
и многие другие. Самыми лучшими диэлектрическими свойствами
обладает тефлон. Однако тефлоновые конденсаторы имеют относительно

Фольговые конденсаторы 49
большие размеры и высокую цену. Полистирольные конденсаторы нельзя
нагревать выше +85 °С. Наилучший температурный коэффициент у
поликарбонатных конденсаторов.
Фольговые конденсаторы
Разнообразие конструкций конденсаторов обусловлено тем, что в
различных частях электронных схем нужны конденсаторы с сами разными
характеристиками. Как альтернатива металло-пленочным
конденсаторам производятся пленочные фольговые конденсаторы, — вместо
металлизированной пленки применяется фольга. У металло-пленочных
конденсаторов слои диэлектрика и металла очень тонкие, что позволяет
минимизировать размеры. Но так как проводящий слой очень тонкий,
то он работает только на очень маленьких токах. Следовательно,
маленькие размеры пленочных конденсаторов являются и большим
преимуществом и недостатком одновременно. Фольговые конденсаторы за
счет большей толщины металлического слоя и более мощных выводов
способны выдерживать токи сравнительно больших величин.
Кроме того, применение фольги вместо металлизрованной пленки
в конденсаторах позволило увеличить ширину металлического слоя по
сравнению с шириной слоя диэлектрика. Это позволяет обкладки
конденсатора делать короткими, что уменьшает их сопротивление и
индуктивность (рис. 4.1). Такие конденсаторы хорошо работают в
высокочастотных схемах. Например, в высокочастотных фильтрах
фольговые конденсаторы старой конструкции (рис. 4.1, а) быстро выходили
из строя.
Следует заметить, что и металло-пленочные конденсаторы сейчас
тоже производят с увеличенной шириной металлической пленки.
Рис. 4.1. Конструкции фольговых конденсаторов:
а — конструкция фольгового конденсатора аналогична конструкции ме-
талло-пленочного конденсатора; б— конструкция фольгового
конденсатора с расширенным металлическим слоем.

Глава 4. Неисправности на уровне компонентов. Конденсаторы
Справедливости ради надо сказать, что
керамические и слюдяные конденсаторы с
обкладками в виде серебряной металлизации
тоже хорошо работают в высокочастотных
схемах.
На рынке электронных компонентов
широко представлены керамические
конденсаторы. Их можно разделить на 3 класса:
высший, стабильный и NPO-тип. К высшему
классу относятся керамические
конденсаторы с маленькой емкостью и маленькими
размерами, — например, 106 пФ, площадью
0,75 см2, толщиной 0,3 см. Недостатком их
является изменение характеристик на 20 %
при изменении температуры в диапазоне от
0 до + 55 °С и на 60 % при изменении
температуры в диапазоне от 0 до + 55 °С и на 60 %.
Кроме того, применяемый в их
производстве диэлектрик обладает плохим рассеваю-
щим фактором и посредственным
коэффициентом утечки.
Несмотря на все недостатки, такой тип
конденсаторов применяется в производстве
интегральных схем во всем мире. Главное его
преимущество — низкое эквивалентное
сопротивление, — не выше 0,1 Ом. Поэтому
керамические конденсаторы используют для
предотвращения выброса тока из
интегральной схемы на шину питания. Однако если в
схеме есть 10 микросхем, соединенных в ряд,
и 10 шунтирующих керамических
конденсаторов, то получается LC-резонатор (рис. 4.2),
где шина питания является индуктивностью
между каждым шунтирующим
конденсатором. В результате шина будет источником
Рис. 4.2. Низкое эквивалентное сопротивление
развязывающих керамических конденсаторов —
палка о двух концах. Такие конденсаторы хорошо
предотвращают выброс тока из интегральной схемы
на шину питания, но могут стать причиной шума,
образовав с индуктивностью шины резонансную
цепь. Рекомендуется добавить в схему
развязывающие танталовые электролитическе конденсаторы
на 3 мкФ или алюминиевые на 20 мкФ через
каждые 3—5 микросхем.

Слюдяные конденсаторы с обкладками
шума. Следует все тщательно рассчитать, чтобы избежать резонанса в
такой цепи. Иначе схема будет неработоспособной.
Еще одна неисправность в схемах с керамическими
конденсаторами встречается довольно часто. Так как у таких конденсаторов плохой
температурный коэффициент, то при увеличении температуры
изменяется емкость, и резонансная частота может наложиться на тактовую
частоту.
Если возникают такие проблемы с керамическими конденсаторами,
рекомендуется добавить в схему развязывающие танталовые
электролитические конденсаторы на 2 мкФ или алюминиевые на 20 мкФ через
каждые 3—5 микросхем. Эквивалентное сопротивление
электролитических конденсаторов обычно составляет 1 Ом, поэтому все шумы будут
подавляться.
Керамические конденсаторы могут также проявлять
пьезоэлектрический эффект. При некотором значении переменного напряжения,
приложенного к конденсатору, он может громко зажужжать. А если его
потрясти, то он может быть источником выброса напряжения.
Поэтому, если схема будет применяться в оборудовании, подверженном
вибрации, в ней лучше не применять керамические конденсаторы.
Класс стабильных керамических конденсаторов отличается тем, что
изменение их характеристик при изменении температуры в диапазоне
от -55 до + 125 °С не превышает 15 %. Номиналы их емкости обычно
лежат в диапазоне от 100 до 100000 пФ.
Последний класс керамических конденсаторов, NP0, отличается
высоким качеством диэлектрика и хорошим температурным
коэффициентом. Характеристики таких конденсаторов сравнимы с
характеристиками прецизионных пленочных конденсаторов, правда, они не так
хороши, как у тефлоновых конденсаторов. Однако цена их ниже, чем цена
пленочных конденсаторов. Керамические конденсаторы класса NP0
широко применяют в военной технике.
Пример обнаружения неисправности автором по телефону:
преобразователь напряжение/частота работал нестабильно. Выяснилась
зависимость неисправности от температуры. Автор поинтересовался, какого
размера конденсатор класса NP0 стоит в схеме. Выяснилось, что его
размер меньше того, что должен быть. Таким образом, была
обнаружена причина неисправности, — вместо керамического конденсатора класса
NP0 в схеме стоял какой-то другой тип конденсатора.
Слюдяные конденсаторы с обкладками
в виде серебряной металлизации
Характеристики слюдяных конденсаторов с обкладками в виде
серебряной металлизации почти такие же, как характеристики керамических
конденсаторов класса NP0. Особенно следует отметить низкое эквива-

Глава 4. Неисправности на уровне компонентов. Конденсаторы
Рис. 4.3. Если встречаются
конденсаторы с такой
маркировкой, можно
предположить, что производитель не
тестировал их на номинал
перед продажей.
лентное сопротивление и низкую зависимость емкости от температуры.
В качестве недостатка следует отметить плохую абсорбцию диэлектрика.
Основная проблема при работе со слюдяными конденсаторами —
это их маркировка, Встречается старая маркировка — в виде шести
цветных точек. Новая маркировка у разных производителей настолько
отличается, что никогда не уверен в порядке номинала (рис. 4.3). Отсюда
рекомендация: приобретайте такие конденсаторы, у которых не нужно
проверять величину емкости.
Подстроенные конденсаторы
Подстроечные конденсаторы изготавливаются почти так же, как
керамические конденсаторы класса NP0. Диэлектрики переменных
конденсаторов практически не бывают причиной неисправностей, чего не
скажешь о металлических скользящих контактах, особенно в моделях
маленькой толщины. Основными причинами неисправностей в переменных
конденсаторах являются: ограниченное число поворотов скользящего
контакта, обычно он выдерживает несколько сотен поворотов, и
старение металла выводов, в результате которого нарушается контакт с
конденсатором.
Поиск неисправностей
в схемах с конденсаторами
Большинство токов в электронной схеме не бывают критичными для
конденсаторов, если они сохранили свою емкость. Поэтому, если есть
подозрение на неисправность конденсатора, рекомендуется проверить

Поиск неисправностей в схемах с конденсаторами
это следующим образом: другой конденсатор такого же номинала
присоединяется параллельно проверяемому конденсатору, и если
возникают пульсации или емкостной эффект изменяется в 2 раза, то
проверяемый конденсатор в норме, и надо искать неисправность в другом месте.
Но если нет никаких изменений или эффект изменяется в 3, 5 или 10 раз,
то емкость проверяемого конденсатора потеряла свое первоначальное
значение. После этого конденсатор изымается из схемы и измеряется
его емкость. Как правило, в этом случае его надо заменить.
Иногда неисправности в схемах с конденсаторами возникают из-за
того, что длина проводов, через которые происходит их подсоединение,
большая. Бывает, что после укорачивания этих проводов работа схемы
нормализуется, и не надо подбирать другой тип конденсаторов.

ГЛАВА 5
МАТЕРИАЛЫ. НЕИСПРАВНОСТИ
СБОРКИ И МОНТАЖА.
НЕИСПРАВНОСТИ В ПЕЧАТНЫХ
ПЛАТАХ, РАЗЪЕМАХ, РЕЛЕ
И ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЯХ
Кроме правильного выбора компонентов, на работу схемы влияет и выбор
материалов, применяемых при монтаже. Причиной неисправности
может быть несоответствующий материал печатной платы, не тот припой,
не те провода и кабели, неподходящий разъем. Даже размещение
компонентов на печатной плате может быть причиной неисправности всей
схемы. Эти причины, как правило, бывают легко распознаваемы и
очевидны. Главное — не просмотреть их.
Существуют 6 причин неисправностей из-за печатных плат:
• печатная плата изготовлена из несоответствующего материала;
• качество изготовления печатной платы плохое; имеются либо
коротко замкнутые участки, либо разрывы, либо неправильные межслой-
ные соединения;
• отслоение контактных площадок из-за нарушений
технологического процесса или условий эксплуатации;
• дефекты в припое;
• загрязнение поверхности и потеки на поверхности печатной
платы;
• размещение компонентов на печатной плате таково, что
возникают перекрестная наводка, помехи, изменение импеданса и проч.
Как избежать проблем из-за печатных плат
на начальном этапе
Обозначив причины неисправностей из-за печатных плат, можно
определить пути их устранения. Если у Вас нет эксперта по материалам, из
которых изготавливаются печатные платы, изучите подробно табл. 5.1.
В некоторых схемах, работающих на низких частотах, фенольные
материалы имеют некоторое преимущество над эпоксидными, так как у
них более низкая диэлектрическая константа и самая лучшая
стабильность геометрических размеров.

Как избежать проблем из-за печатных плат на начальном этапе
Таблица 5.1. Материалы печатных плат.
Низкая цена: плохая механическая
устойчивость
Стандартные, экономичные
Стандартные, экономичные,
возможна перфорация отверстий
Стандартные, экономичные,
возможна перфорация отверстий
Гибкие
Стандартные, экономичные,
возможна перфорация отверстий
Тефлон; применяется при высоких
рабочих температурах и для
высокочастотных схем
Применимы для высокочастотных
схем
Полиимид
Стандартные, экономичные,
возможна перфорация отверстий
Тип плат ПОСТоянная Рассеивания сопротивле- ние поверх- ^тюлую
(наТмГиЗ (»«* * МГц) ние,МОмсм ности, МОм температура,
ХХХРС
СЕМ-1
СЕМ-3
G-10
F4486
FR-4
GT-522
GX-527
HI-3003
3003-quartz

Глава 5. Материалы. Неисправности сборки и монтажа
В отношении второй причины неисправностей можно
рекомендовать не покупать печатные платы с неизвестными свойствами. Низкая
цена может являться показателем плохого качества.
По поводу третьей причины неисправностей следует предостеречь
от неквалифицированного монтажа хорошей платы.
Также важно квалифицированно производить пайку печатных
плат.
Утечки тока в печатной плате —
причина неисправности схемы
Когда печатные платы поступают от производителя, они, как правило,
бывают очень чистыми и имеют высокий импеданс. До начала пайки
токов утечки обычно не наблюдается. Поэтому очень важно аккуратно
производить монтаж и пайку печатной платы. Что же необходимо
предпринять, если импеданс изоляции уменьшится? Как проверить плату на
утечку? Цифровым вольтметром или универсальным цифровым
измерительным прибором этого сделать нельзя.
Существует два способа измерить ток утечки. Схема первого метода
изображена на рис. 5.1. Предварительно необходимо откалибровать
логарифмический амперметр на чувствительность в диапазонах от -1 мА
до — 1 пА и от + 1 мА до + 1 пА с нулем в центре шкалы (рис. 5.2).
Точность такого прибора составляет 10—20 %. Поскольку транзисторы
имеют нелинейную вольтамперную характеристику, необходимо
защитить схему на рис. 5.1 от переменных шумов для предотвращения
наводок и ложных измерений. Поэтому проверяемую печатную плату
необходимо поместить в экранирующую металлическую коробку с хорошим
заземлением.
Ток утечки можно определить другим, менее точным способом.
Однако в этой схеме невелико влияние шумов. Принципиальная схема
этого метода, в основе которого лежит цифровой вольтметр,
представлена на рис. 5.3.
Идея обоих методов состоит в том, что на неизвестный импеданс
подается напряжение и определяется, где есть утечка тока. Также
можно определять утечку тока на диодах и транзисторах. Метод, в основе
которого операционный усилитель не рекомендуется применять, если в
схеме есть конденсаторы большой емкости. Тогда надо использовать
второй метод.
Как уже упоминалось, утечки могут возникать от загрязнения
поверхности припоем и другими веществами. Поэтому всегда после пайки
смонтированная плата очищается и сушится, а затем покрывается
защитным слоем. В качестве защитной маски используются: уретан,
акрил или эпоксидные составы.

Утечки тока в печатной плате — причина неисправности схемы
Рис. 5.1. Принципиальная схема прибора для проверки печатной платы на утечку тока.
селекторный
переключатель
Примечания:
А, = 1/4LMC660N или 1/2LMC660N
О, = 2N4250
02 = 2N930

Глава 5. Материалы. Неисправности сборки и монтажа
Рис. 5.2. Необходимая калибровка амперметра
Примечания:
S, — селекторный переключатель
Я, — входной импеданс цифрового вольтметра (зависит от модели прибора)
Рис. 5.3. Принципиальная схема второго способа тестирования печатной
платы на утечку тока на основе цифрового вольтметра. Ток утечки
в этом случае определяется по закону Ома:
Естественно, платы с защитной маской непросто ремонтировать и
заменять компоненты. Поэтому необходимо выбирать материал маски
из условий ее долговременной экспозиции и возможности производить
ремонт. Чаще всего из этих соображений выбирается эпоксидная смесь.
Такая маска надежно защищает от загрязнений, обладает хорошими
изотермическими свойствами, предохраняет от повреждений от ударов и
других физический воздействий, конечно, если эти воздействия не
носят разрушительный характер.
После завершения всего цикла изготовления и сборки платы не
рекомендуется в начале проверки ее функционирования на шину питания
подавать все напряжение питания, так как из-за возможной утечки тока

Компоновка
возможно возникновение неисправности. Сначала проверяется
соответствие входного импеданса. Но даже если он в норме, рекомендуется
проверить токи на шине «земля».
Компоновка
Компоновка печатных плат, как правило, не предусматривает
удобство тестирования. Поэтому иногда приходится что-нибудь добавить,
чтобы облегчить проверку. Разумно было бы проектировщикам знать,
как проверяются платы, как ищут в них неисправности.
Целесообразно было бы уже на стадии проектирования закладывать возможность
проверки печатной платы. Ниже приведены рекомендации
проектировщикам.
¦ Указывать на чертеже печатной платы, какой сигнал в том или
ином месте схемы должен быть. Заложить возможность найти и снять
этот сигнал (небольшие отверстия). Это необходимо и для анализа
работы схемы, и для поиска неисправностей.
¦ Около каждого компонента на плате должно стоять его схемное
обозначение; должна быть указана корректная полярность диодов и
электролитических конденсаторов; должен указываться номер узла для
тестирования.
¦ Проектировать как в аналоговых, так и в цифровых схемах
прохождение сигнала так, чтобы легко можно было разорвать цепь и
проверить правильность прохождения.
¦ Хрупкие компоненты не надо размещать на краю платы, чтобы не
вывести их из строя прикосновением руки.
¦ Старайтесь использовать как можно меньше соединений между
слоями с помощью отверстий.
¦ Длина шин питания, земли и прохождения сигналов должна быть
минимальной, шины должны быть компактными, особенно если в
схеме есть конденсаторы. Неправильная конструкция шин может быть
причиной возникновения шумов и утечки токов.
¦ Очень часто при выборе места размещение компонента на
печатной плате приходится руководствоваться несколькими критериями,
например, термальными требованиями и требованиями интерфейса
человек-машина. Выбор одного из приоритетов может привести к
неисправности схемы из-за невыполнения другого требования.
¦ Если в схеме есть быстродействующая цифровая логика,
трассировка печатной платы в месте ее размещения не должна содержать
закольцовываний, а также необходимо исключить возможность
перекрестных наводок. Нельзя в том месте печатной платы, где размещена
цифровая часть схемы, компоновать даже линейные аналоговые части
схемы, так как тогда возможны наводки на операционные усилители,

Глава 5. Материалы. Неисправности сборки и монтажа
компараторы, резисторы обратной связи и конденсаторы. Также
цифровая часть схемы в результате взаимосвязи с близлежащей частью
аналоговой схемы может вызвать помехи в работе усилителей и компараторов.
¦ Необходимо помнить, что функционирование даже линейных
интегральных схем может быть критичным, если не соблюдать
некоторые требования по их размещению на печатной плате. Например,
шунтирующий конденсатор не должен быть ближе 5 см от микросхемы.
Входы операционного усилителя, — как инвертирующий, так и неин-
вертирующий, — должны быть на расстоянии не ближе 5 см от всех
резисторов и конденсаторов.
¦ Желательно, чтобы схемотехники отдельно указывали критичные
узлы схемы и наиболее восприимчивые ее участки. Например, места
прохождения больших сигналов, которые могут быть источником шума.
Эти рекомендации учитывали бы проектировщики печатных плат, — в
этих местах будут увеличены расстояния между проводниками.
¦ Некоторые проектировщики печатных плат стремятся сделать все
проводники как можно более узкими, другие стараются сделать их
широкими. И то, и другое неверно. Широкими должны быть проводники
на выходе силовых транзисторов и интегральных схем, а также те
проводники, через которые будут охлаждаться транзисторы и микросхемы.
На других участках печатной платы излишняя ширина проводника
может привести к его деформации после пайки волной.
¦ Схемотехники часто не учитывают сопротивление проводников
печатных плат и соответствующее падение напряжения. Поэтому
происходит искаженное функционирование схемы.
¦ Для необходимой чувствительности прецизионной схемы очень
важно правильно организовать цепи заземления, — заземление
питания и заземление схемной части должны быть независимы, и
использовать для этого специальные разъемы. Рекомендуется на такие платы
ставить разъем Кельвина, который применяется в тестирующем
оборудовании.
Современные печатные платы, как правило, многослойные и не
страдают простотой структур шин питания, земли и прохождения сигналов.
Поэтому поиск неисправностей в таких схемах требует
специализированной аппаратуры, всевозможных схем и высокой квалификации. Этого
не надо пугаться. Практически всегда такие платы изготовлены
правильно. Поэтому можно просто подозрительные компоненты
последовательно заменять заведомо исправными.
Разъем Кельвина
Разъемы и контакты Кельвина широко не применяются, и по ним мало
опубликованных материалов. И практически нигде нет указаний на их

Разъем Кельвина 61
преимущества. Применяются они, в основном, в технике
дистанционного зондирования. Разъемы и гнезда Кельвина позволяют измерять
точное напряжение в любой точке схемы. А перед тем, как начать
проверять схему, необходимо удостовериться в том, что напряжение
питания соответствует необходимому значению.
В качестве примера ниже приведено описание проверки регулятора
LM323, работающего на 5 В (рис. 5.4). В этой схеме Увх удерживается на
уровне + 8 В, а нагрузка изменяется от 5 мА до 3 А. В схеме
используются четыре разъема Кельвина. Один расположен в выходной цепи
питания. Напряжение питания программируется с помощью
дистанционного терминала на поддержание выходе + 8 В, которое должно
стабильно подаваться на тестируемое устройство. Это очень важно, так как при
тестировании обычное питание падает до 7, 9 или 7,8 В. Второй разъем
Кельвина расположен на выходе проверяемой схемы. Для того, чтобы
проверить изменение напряжения на выходе Увьа при различных
нагрузках, разъем Кельвина поддерживает выходной ток на уровне 3 А.
В таких условиях с помощью высокоимпедансного вольтметра на
разъеме измеряется истинное выходное напряжение. Еще два разъема
Кельвина присоединены к цепи «земля» проверяемого устройства. В этом
эксперименте можно использовать не четыре, а два разъема, — два
поддерживающих разъема объединить в один, и два разъема для измерений
объединить в один.
Рис. 5.4. Только применив разъемы Кельвина, можно исключить ошибки
измерений, которые вызваны падением напряжения в
межсоединениях схемы. В этой схеме используются четыре разъема
Кельвина.

Глава 5. Материалы. Неисправности сборки и монтажа
Поддержание выходного тока на требуемом уровне обеспечивается
операционным усилителем через транзистор Дарлингтона и затем через
прецизионный резистор 0,1 Ом. Разъем Кельвина предотвращает
возникновение колебаний на этом резисторе. Операционный усилитель
поддерживает 0,3 В, даже если в резисторе из-за падения напряжения в
проводах и разъемах происходит задержка относительно земли.
В этой схеме можно указать несколько мест, которые являются
землей, но, только подсоединившись к земле на резисторе 300 Ом, можно
получить правильный результат измерения на резисторе 0,1 Ом. Если
подсоединиться к земле в другом месте, то изменение падения
напряжения изменит выходной ток. Поэтому измерения будут неточными.
Как резюме, следует напомнить еще раз: во время проверки
функциональности устройства или схемы необходимо учитывать падение
напряжения в проводах, кабелях и разъемах, особенно если в них
используются большие токи. И, конечно, рекомендуется использовать разъемы
Кельвина, которые предназначены для устранения ошибок измерений,
вызванных такими причинами. Лорд Вильям Томсон Кельвин — автор
такого полезного приспособления.
Паяные соединения
Практика показывает, что причиной неисправности схемы может
служить любой технологический этап сборки и монтажа, в том числе, и
пайка. Чаще всего дефекты возникают при пайке холодным припоем,
поэтому рекомендуется избегать применения этого вида пайки.
Современное производство печатных плат на этапе пайки обычно использует
автоматическое оборудование пайки волной, которое не использует
холодный припой. При ручной пайке схем наряду с другими применяется
и холодный припой. И если обнаружится дефект пайки, то
рекомендуется делать перепайку всех соединений. В лабораторных условиях
применяется традиционный трубчатый припой.
Следует заметить, что в зависимости от предназначения схемы
(например, работа в агрессивных средах, которые вызывают повышенную
коррозию проводников) применяются специализированные припои,
такие, как высокотемпературные, низкотемпературные, серебряные,
алюминиевые. Эти припои применяются со специализированными
флюсами.
В схемах аудиосистем при пайке кабелей динамиков применение
серебряных припоев дает наилучший результат качества звука. Однако
эти припои требуют очень высокой температуры, и пайка
осуществляется с помощью горелки. Кроме того, в качестве флюса используется
довольно-таки грязная бура. В результате могут быть повреждены
изоляция и медь проводников (окислением).

Межсоединения
На печатной плате, как правило, монтируются не все компоненты
схемы. Поэтому возникает задача правильного соединения печатной платы
со всеми остальными компонентами схемы. Все разъемы при этом
должны работать без проблем. Обычно это так и происходит. Однако очень
редко попадается некондиционный разъем. Это проявляется в его
нестабильной работе, а затем он полностью выходит из строя.
Неисправность в разъеме легко определяется, так нестабильность работы
приводит к прерывистости сигналов на входе и выходе разъема при
включении питания.
В личной практике автора был случай, когда причиной
неисправности разъема была небольшая капелька клея, которым заполняются
внутренние пустоты разъема, которая попала на один из контактов и
препятствовала нормальному контакту. Контакт был очищен и
неисправность в схеме устранена. После этого инцидента при нестабильной работе
последующих проверяемых схем всегда осматривались разъемы.
Иногда бывает, что вывод интегральной схемы не попадает в гнездо
панельки, а загибается к корпусу. Это еще одна проблема, которая
встречается в качестве неисправности схемы из-за разъема. В этом случае
схема может работать неправильно, но невозможно определить,
почему. Просто иллюстрация закона Мак'Кенна : «В это невозможно
поверить, пока не проверишь». Поэтому рекомендуется очень аккуратно
обращаться с разъемами.
Еще одна проблема в схемах, которая связана с разъемами, — это
подбор гнезда для высокочастотного компонента (например, в
высокочастотном аналогово-цифровом преобразователе). Она решается очень
просто, — нужно добавить конденсатор 1 пФ.
Реле
Реле — это электрически управляемое соединительное устройство. Для
маломощных электронных схем контакты реле изготавливаются с
покрытием из благородных металлов. Такие реле нельзя использовать в
мощных электронных схемах, так как в этом случае контакты
разрушатся. С другой стороны, если реле для мощных схем использовать в
маломощных схемах, то оно не будет выполнять свою функцию из-за
высокого импеданса схемы. Поэтому необходимо внимательно проверять
допустимые токи и напряжение для того или иного реле прежде, чем
применить его в схеме. Кроме соответствия токов и напряжений на
реле, важно учитывать возможный ток утечки на реле (это указано в
описании компонента). Очень важно учесть частотную характеристику
реле или термостойкость его контактов.

Глава 5. Защитные материалы. Неисправности сборки и монтажа
Во всех механических реле присутствует дребезг контактов. Если
есть необходимость использования реле в цифровых логических схемах,
то нужно осуществить антидребезговые приемы. Как правило, это RC-
цепи на каждом контакте.
В настоящее время на рынке электронных компонентов есть и без-
дребезговые реле — например, ртутный геркон. У этого реле только
один недостаток — он не работает при температуре ниже 38 °С. Кроме
того, есть еще множество твердотельных реле. Некоторые из них могут
переключать большие токи, так как построены на кремниевых триод-
ных тиристорах. Но их нельзя использовать для небольших сигналов.
Другие твердотельные реле построены на полевых МОП-транзисторах.
Они переключают токи до нескольких ампер, имеют низкое
напряжение смещения и отличаются низкими показателями затухания
колебаний. Но, применяя их, необходимо учитывать, что для них характерна
утечка тока и они обладают высокой емкостью.
Совет: выбирая реле для той или иной схемы, подробно изучите все
их свойства.
Переключатели
Переключатели — это ручные электрические соединительные
устройства. При выборе типа переключателя необходимо учитывать свойства
его контактов так же, как при выборе реле. Одни переключатели
предназначены для токов большой величины, другие — для малых сигналов.
Есть герметизированные переключатели. Следует учитывать
допустимое количество переключений выбранного изделия, которые оно
выдерживает. Бывает, что переключатель выходит из строя через
несколько недель по этой причине.
Провода и кабели
Причиной неисправности схемы может быть и дефект провода.
Например, разрыв провода прямо возле места пайки. При выборе типа
провода рекомендуется избегать применения проводов с тефлоновой
изоляцией, так как при пайке они становятся хрупкими.
Экранированные провода или коаксиальные кабели, витые пары
или специализированные плоские кабели, — существует множество
типов соединительных материалов, которые применяются в той или
иной схеме.
При монтаже проводов и кабелей нужно избегать петель в цепи
заземления, так как такая конструкция схемы способствует
образованию шума. Экран кабелей нужно заземлять. Причем чаще всего
достаточно подсоединить к земле экран только со стороны входного конца

Провода и кабели
кабеля. Однако бывает, что необходимо заземление сделать и с другой
стороны.
Следует помнить, что экранированные кабели со временем стареют,
а оболочки некоторых специализированных кабелей не обладают
химической стабильностью.
Помните! Электроника — наука о контактах.

ГЛАВА 6
НЕИСПРАВНОСТИ СХЕМ
ИЗ-ЗА ПРОБЛЕМ С ДИОДАМИ
Диод — это активное электронное устройство, которое при прямом
смещении проводит ток, а при обратном смещении его блокирует, хотя и с
незначительной утечкой. Но нет совершенного диода, и их
неисправности очень интересные.
Функционирование идеального диода описывается уравнением:
g = C*,6mS/mA)If,
где g — проводимость; IF — прямой ток.
Однако у реальных диодов другие характеристики. На рис. 6.1
представлены вольтамперные характеристики различных типов диодов.
Следует заметить, что они не гарантированы. В этом можно убедиться,
построив вольтамперную характеристику для конкретного диода, — она
будет отличаться от паспортной.
При обратном смещении максимальный ток утечки почти во всех
диодах по техническим описаниям составляет 25 нА при
температуре + 25 °С, а практически он имеет величину в диапазоне от 50 до
100 пА.
Замечательным свойством диода является скорость переключения.
Для прерывания тока требуется обычно от нескольких микросекунд
Рис. 6.1. Диод обладает высокой проводимостью в широком диапазоне
токов.

Обзор неисправностей диодов
до сотен микросекунд. Например, диод 2N930 за 30 мкс выключает
ток 10 мА. У некоторых диодов этот показатель составляет несколько
наносекунд. Диод Шотки закрывается быстрее 1 не. Это свойство диода
очень важно в высокочастотных схемах.
Диоды не только быстро закрываются, но и быстро открываются.
Например, диод 1N914 включает ток менее чем за 1 не. При этом
выброс напряжения составляет несколько милливольт. Но в некоторых
диодах напряжение прямого смещения может продолжать пилообразное
изменение с превышением в диапазоне от 50 до 200 мВ (рис. 6.2),
причем с разной скоростью у разных диодов. Эта особенность диодов
может сказаться на работе схемы (например, вызвать нелинейность в
преобразователе частота/напряжение).
Во многих схемах требуется, чтобы диод мог открыться и
зафиксировать напряжение быстрее 20 В/мкс. Поэтому необходимо
подобрать такой тип диода, который соответствовал бы этим
требованиям. Затем необходимо проверить конкретные диоды этого типа на
соответствие указанным в техническом описании параметрам. Кроме
того, необходимо, чтобы конструктивная индуктивность схемы была
очень маленькой. Длина проводов порядка 10 см вносит такой вклад
в индуктивность схемы, что быстродействующая схема будет
работать плохо и, к тому же, с плохими характеристиками включения
(выбросы напряжения).
В качестве быстрого диода, применяется транзистор,
подключенный по диодной схеме (коллектор/база). Например, транзистор
2N3904 открывается и закрывается за 0,1 не, имеет незначительные
выбросы напряжения в эти моменты, и ток утечки составляет 1 пА
при напряжении 1 В и 10 пА при напряжении 4 В. Однако у диодов
напряжение обратного смещения составляет 5 или 6 В, у
транзисторов — 6 или 8 В.
Обзор неисправностей диодов
Диоды характеризуются очень маленьким током утечки (в наноампер-
ном диапазоне) при напряжении прямого смещения 100 мВ или при
напряжении обратного смещения. Но если в схеме нет возможности
обеспечить напряжение обратного смещения, то возникнут большие
проблемы в ее работе из-за тока утечки.
Кроме этого, ток утечки может быть причиной другого типа
неисправностей. Например, в схеме гибридного операционного усилителя,
которая представлена на рис. 6.3, на выходе первого каскада два диода
были соединены параллельно в обратных друг другу направлениях для
того, чтобы предотвратить превышение сигнала. Схема исправно
работала, однако при температуре +125 °С перестала функционировать дол-

Глава 6. Неисправности схем из-за проблем с диодами
Рис. 6.2. Характеристики включения диодов:
а — принципиальная схема оценки диода. При
закрытии транзистора открывается диод. В момент
начала проводимости диода выброс напряжения
на землю составляет до 0,6 В; б — при скорости
нарастания напряжения 8 В/мкс на частоте до 10
кГц выброс напряжения составляет 140 мВ. На
более высоких частотах, — 120, 240, 480, 960 и 1920 кГц, превышение напряжения
постепенно затухает и исчезает. Максимальный выброс напряжения происходит на частоте
менее 7 кГц; в — при скорости нарастания напряжения 20 В/мкс на частоте до 7 кГц выброс
напряжения составляет 450 мВ, но частоте 480 кГц выброс напряжения составляет всего 90
мВ, а на частоте до 2 МГц выброс напряжения совсем незначительный; г — у различных
типов диодов различные характеристики открывания.

Обзор неисправностей диодов 69
Рис. 6.3. Схема операционного усилителя с диодами на выходе первого
каскада. Проводимость диодов зависит от значения рабочей
температуры, поэтому коэффициент усиления был нестабильным.
Диоды были заменены транзисторами, схема стала
функционировать стабильно.
жным образом. Оказывается, при этой температуре ток утечки диодов
увеличивается с 10 нА при комнатной температуре до 8 мкА. Это
означает, что сопротивление каждого диода стало только 6 кОм. Так как
входной импеданс второго каскада составляет только 6 кОм,
коэффициент усиления операционного усилителя уменьшился в четыре раза.
В схеме диоды были заменены транзисторами, подключенными через
переход коллектор/база.
Если диод как-то не так начинает работать и при этом исправен, то
он может быть причиной неисправности в другом месте. Сам диод
может быть выведен из строя чрезмерным напряжением обратного
смещения без ограничения тока либо чрезмерным током при прямом
смещении. При этом цепь будет скорее коротко замкнутой, чем разомкнутой.
Причиной разрушения диода может служить и накопление большого
заряда на нем. Производители не всегда указывают способность того
или иного типа диода накапливать заряд как конденсатор. Кроме того,
такая способность диодов может плохо отражаться на
функционировании схемы, в которой он применяется. Рекомендуется уточнить у
производителя (если это не указано в техническом описании) способность
диода накапливать заряд.

Глава 6. Неисправности схем из-за проблем с диодами
Чтобы минимизировать проблемы, которые могут возникнуть в
схемах из-за диодов, можно рекомендовать следующее.
¦ Обязательно изучать описания компонентов, с которыми
производитель сопровождает свои изделия, особенно в случае применения
диодов для критических условий. Проконсультируйтесь у инженеров
фирмы-производителя, если что-то непонятно.
¦ Наладьте хорошие отношения с каждым производителем.
¦ Требуйте от производителей уведомлять Вас о всех изменениях,
которые они вносят в свою продукцию.
¦ Найдите альтернативный источник информации о свойствах
различных типов диодов — одна голова хорошо, а две — лучше.
Стабилитроны
Если обычный диод выходит из строя при очень большом напряжении
обратного смещения, то стабилитрон как раз и предназначен для
работы на большом напряжении обратного смещения. Основная проблема
со стабилитронами — это их насыщение. Если ток на нем будет
недостаточным, то он будет источником шума. Высоковольтные
стабилитроны работают, как правило, надежно. А низковольтные (на 3,3—4,7 В)
Рис. 6.4. Принципиальные схемы составных стабилитронов:
а — составной стабилитрон в схеме выпрямителя; б — составной
симметричный стабилитрон в схеме мостового выпрямителя.

Оптроны
имеют плохие показатели по шуму, неудовлетворительный импеданс и
высокую температурную зависимость. Лучшие показатели у
стабилитронов на 6 В.
Если ток на стабилитроне будет больше или меньше
номинального, то необходимо будет сделать перерасчет схемы с учетом
температурного коэффициента. Однако есть стабилитроны, которые работают
стабильно в таких условиях, например, 1N825. Очень популярен
стабилитрон LM329 на 6,9 В, температурный коэффициент которого не
зависит от рабочего тока и который стабильно работает при рабочих
токах от 1 до 10 мА. Еще популярней стабилитрон LM399, который
имеет такие же показатели, как LM329, но к тому же обладает
стабильностью до + 85 °С.
Если требуется стабилитрон, работающий в условиях выбросов тока,
рекомендуется использовать специально разработанный стабилитрон
TVS (ограничитель бросков напряжения), например, 1N5629 или
1N5665A. Одноваттный TVS работает лучше, чем обычный
стабилитрон на 10 или 50 Вт.
Если Вам необходим стабилитрон больших токов, используйте одну
из схем составного стабилитрона, представленных на рис. 6.4. В схемах
применяются мощные транзисторы.
Светодиоды
Светодиоды являются диодами с очень маленьким током утечки, —
всего 0,1 пА при напряжении прямого смещения 100 мВ или при
напряжении обратного смещения 1 В. И если светодиоды не перегреть при
пайке и не пропускать через него избыточный ток, то они служат долго и
надежно.
Оптроны
Оптрон состоит из двух частей — инфракрасного светодиода и
фототранзистора, который реагирует на излучение светодиода. В
схемах на основе оптрона очень важно его быстродействие. Например,
в схеме на рис. 6.5 характеристика фотодиода позволяет работать на
50 кГц, а фототранзистор срабатывает на частотах меньше 4 кГц.
Быстродействие увеличится в 12 раз добавлением в схему
резисторов на выводах 4 и 6.
Чаще всего неисправности в схемах с оптронами возникают из-за
несоответствия частоты посылаемого светодиодом сигнала частоте, на
которой фототранзистор срабатывает. Поэтому следует тщательно
изучать техническую документацию оптрона. Кроме того, следует
проверить характеристики конкретного фототранзистора на соответствие об-

Рис. 6.5. Принципиальная схема оп-
трона с увеличенным
быстродействием (а). Время включения
фототранзистора уменьшилось с 60 мкс до
5 мкс за счет подключения на выходе
резисторов Rx = 2 МОм и /^ = 1 кОм.
Сигналы в схеме без резисторов и с
резисторами {б).
щей характеристике данного типа оптрона. Также следует проверить и
светодиод, — бывает, что свет, который он излучает, не воспринимается
фототранзистором.
Солнечные батареи
Как известно, свет, падающий на полупроводник, нарушает состояние
/w-перехода. Особенно важно это учитывать при работе с
прецизионными усилителями, особенно высокоимпедансными. Поэтому
производители транзисторов делают корпуса из различных материалов —
пластика, эпоксидных смол, металла, которые надежно блокируют
попадание света на полупроводник.
Солнечные батареи, наоборот, используют именно это свойство
полупроводников. Если свет попадает на /?и-переход диода, то световая
энергия преобразуется в электрическую энергию и диод самопроизвольно
открывается. Когда к выводам диода в таком состоянии подсоединяется
нагрузка, то с нее снимается напряжение и ток от диода. Если же мно-
Глава 6. Неисправности схем из-за проблем с диодами

Солнечные батареи
жество диодов соединить последовательно, то полученной мощностью
можно зарядить батарею. Самым уязвимым местом в этой системе
будет батарея. У них ограничено число циклов подзарядки. Однако
солнечные батареи очень удобны, так как подзарядка происходит от
солнечной энергии.
Главная проблема солнечных батарей — это изготовить корпус для
нее. Кроме того, не все полупроводники подходят для солнечной
батареи. Также большой проблемой является зависимость свойств
полупроводника от рабочей температуры.

ОБНАРУЖЕНИЕ
И ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ
НЕИСПРАВНОСТЕЙ
ТРАНЗИСТОРОВ
Современные транзисторы — как биполярные, так и полевые,
достаточно устойчивы в своей функциональности. Редко, но все же случаются
неисправности в схемах из-за транзисторов. Транзисторы
универсальны — на их основе можно создать любую электронную схему, будь то
операционный усилитель, буфер видеоинформации или уникальная
логическая схема. Надо только правильно применять транзисторы.
Например, простой усилитель, скорее всего, перестанет работать, если вход
усилителя закоротить на питание или выход на землю. Транзистор
становится уязвимым, если на входе будет чрезмерный ток, — он может
даже взорваться.
Самая простая и не всегда очевидная неисправность в схеме из-за
транзистора — это некорректная установка транзистора. Так как у
транзистора три вывода, то существует вероятность ошибочного их
монтажа на печатной плате. Случается также, что при монтаже выводы
транзистора касаются друг друга или печатного проводника. Встречается еще
один аспект монтажа схемы: есть статистика, что каждый десятый
транзистор, устанавливаемый на печатной плате, не того типа, — вместо
рпр-тиш стоит транзистор л/?л-типа. Таким образом, поиск
неисправности в схеме, где есть транзисторы, следует начинать с проверки
монтажа печатной платы.
Неисправности в схеме из-за транзистора могут быть заложены на
стадии проектирования схемы. Вход транзистора должен быть надежно
защищен. Если схемная защита недостаточна, рекомендуется добавить
в схему защитные компоненты, например, резистор или транзистор для
защиты входа или выхода усилителя. Функционирование схемы
заметно улучшится.
Если на базу транзистора подавать ток, то работа перехода
база/эмиттер нарушится (наступит эффект стабилитрона). Транзистор при этом не
разрушится, но схема будет проявлять какие-то отклонения в работе.
Поэтому, если в схеме важна точность функционирования, необходимо
предусмотреть защиту входа транзистора от обратного смещения.
ГЛАВА 7

Полевые транзисторы
Транзисторы очень восприимчивы к электростатическому разряду.
На человеке может накопиться до нескольких тысяч вольт статического
электричества, и, если пальцем коснуться базы я/?я-транзистора, то
через него пройдет несколько ампер за долю микросекунды; транзистор,
скорее всего, выйдет из строя. Поэтому в схемах всегда делается защита
от статического электричества. Например, все интегральные схемы
(основной компонент которых, как известно, транзисторы), имеют защиту
от разряда статического электричества более 2 кВ.
Еще один класс неисправностей электронных схем на
транзисторах, причину которых закладывают еще на стадии проектирования
схемы, связан со сложной зависимостью напряжения база/эмиттер
от рабочей температуры и от тока. Нужно всегда помнить, что
напряжение база/эмиттер уменьшается на 2 мВ с каждым градусом
Цельсия и увеличивается на 60 мВ с каждой декадой тока. Задача
снижения подвижности напряжения база/эмиттер решается соблюдением
надлежащего расстояния между транзистором и компонентами и
которые нагреваются в процессе функционирования (например,
источник питания), применением надежного теплоотвода или устройства
охлаждения. Если в схеме применяются пары транзисторов, то их
необходимо склеивать, чтобы были одинаковые температурные
условия. А еще лучше использовать монолитные двойные транзисторы,
такие как LM394.
Чтобы предотвратить неисправности схемы из-за подвижности
напряжения база/эмиттер в зависимости от тока, необходимо
использовать транзисторы одного производителя, причем выпущенные в один и
тот же временной период.
Неисправный транзистор в большинстве случаев, как и несправный
диод, ведет себя как коротко замкнутая цепь или как низкоимпеданс-
ный модуль. Однако, в отличие от диода, бывает, что при подаче
питания на неисправный транзистор через него начинает проходить
большой ток, и в результате выводы транзистора испаряются. Тогда
неисправный транзистор становится разрывом цепи.
Полевые транзисторы
Полевые транзисторы отличаются от биполярных тем, что обладают
намного меньшей проводимостью. Кроме того, в полевых транзисторах
напряжение затвор/исток может варьироваться в широком диапазоне.
Таким образом обеспечивается устойчивое смещение перехода.
Полевые транзисторы широко применяются в различных
электронных схемах, например, в аналоговых переключателях,
операционных усилителях. В производстве интегральных схем широко
применяются комбинации полевых и биполярных транзисторов, что по-

Глава 7. Обнаружение неисправностей транзисторов
зволяет улучшить такие характеристики электронной схемы, как
температурный коэффициент, долговременная стабильность, показатели
шума.
В цифровых интегральных схемах широко применяются
полевые МОП-транзисторы. Справедливо будет сказать, что эти
транзисторы используются и в аналоговых схемах. Аналоговые
переключатели CD4016 и CD4066, в основе которых МОП-транзисторы,
отличаются небольшим током утечки и низкой ценой. Операционные
усилители, входы которых построены на МОП-транзисторах, имеют
некоторое преимущество по сравнению с другими типами
операционных усилителей. Главное преимущество состоит в том, что
снижается нижний предел входного тока в 1000 раз, — с 10 пА до 10 фА.
В связи с этим следует помнить, что вход такого операционного
усилителя особенно чувствителен к разряду электростатического
электричества. Как правило, все входы интегральных схем на МОП-
транзисторах имеют диодную защиту от статического электричества
до 600 В. Поэтому рекомендуется предусмотреть в схеме
дополнительную защиту.
В производстве интегральных схем используется еще один вид
транзисторов — комплементарные МОП-транзисторы. Такие интегральные
схемы обладают более высокой устойчивостью к разряду статического
электричества.
Мощные биполярные транзисторы
Теоретически, если биполярный транзистор увеличивать в размерах, то
можно получать все более мощные транзисторы. Но существуют
реальные ограничения: емкость устройства обуславливает жесткие
требования к параметрам подключения транзистора, а также отвод тепла
становится все труднее. Между тем, мощные транзисторы выпускаются, и
необходимо учитывать их особенности, чтобы избежать
неисправностей или чтобы определить причину неисправности.
Прежде всего, разрушение мощного транзистора происходит, если
параметры его подключения вышли за пределы определенного
безопасного диапазона. Мощные транзисторы функционируют обычно на
небольшом напряжении и с большими токами. При этом
распределенное сопротивление, которое состоит из сопротивления металла
эмиттера и сопротивления собственно эмиттера, обеспечивает
определенное падение напряжении IR, которое обеспечивает целостность
эмиттера. Если же ток уменьшить вдвое, а напряжение вдвое увеличить, то
рассеиваемая мощность останется такой же, а падение напряжения IR
уменьшится на половину. Продолжая уменьшать ток в два раза, а
напряжение увеличивать в два раза, получим критическую точку, при ко-

Мощные биполярные транзисторы
Рис. 7.1. Проверку электронного компонента или электронной схемы на
устойчивость к разряду статического электричества можно
проводить на устройстве имитации разряда статического
электричества.
торой на эмиттере образуется локальное увеличение тока, который
вызывает локальное увеличение мощности, перегрев и в следствие чего
разрушение транзистора, — так называемое «вторичное разрушение», —
парадоксальное на первый взгляд разрушение транзистора, так как
номинальная мощность транзистора не изменялась. Учитывая такую
особенность мощных транзисторов, в цепи эмиттера применяются
распределяющие резисторы, которые обеспечивают распределение тока
эмиттера и мощность с целью предотвращения «вторичного
разрушения» (рис. 7.2).
Большинство производителей мощных транзисторов в технических
описаниях каждого типа транзисторов указывают диапазоны
безопасных сочетаний токов и напряжений. Таким образом, можно правильно
рассчитать силовую схему на транзисторах. И, конечно, зная эти
диапазоны безопасных сочетаний токов и напряжений, можно проверить
силовую схему и определить неисправность в ней, так как причиной
неисправности в силовой схеме чаще всего является нарушение безопасных
сочетаний диапазонов токов и напряжений.

Глава 7. Обнаружение неисправностей транзисторов
распределяющие
резисторы
Рис. 7.2. В схемах с мощными
транзисторами используются
распределяющие резисторы,
подключенные к эмиттеру
транзистора или к эмиттерам
параллельных транзисторов (о),
которые обеспечивают
распределение тока и мощности
с целью предотвращения
«вторичного разрушения». В
интегральных схемах (б)
распределяющие резисторы часто
размещены рядом с
эмиттерами.
Неисправность силовых схем на транзисторах может быть вызвана
превышением номинальной мощности. Следует проверить схему и по
этому показателю.
Причиной неисправности мощного транзистора может служить
термическое воздействие на него окружающей среды или
нагревающегося в процессе функционирования компонента. Теплоотвод при этом
был явно рассчитан без учета такого влияния. Следует в таких случаях
или изменить компоновку, или обеспечить правильный теплоотвод,
или то и другое. Учитываются при этом свойства различных типов
радиаторов и охлаждающих устройств. Выбирается, разумеется,
оптимальный вариант.

Рис. 7.3. При использовании мощного усилителя чаще всего возникают
проблемы с выбором радиатора для надежного отвода тепла.
Термальное сопротивление данного радиатора составляет
менее 0,5°/Вт.
Правило пяти секунд
Правило пяти секунд при работе с мощными транзисторами гласит: если
Вы можете удерживать на корпусе транзистора палец в течение пяти
секунд, значит, теплоотвод осуществляется правильно и температура
транзистора составляет + 85 °С. В случае, когда транзистор имеет более
высокую температуру, ее можно приблизительно определить так: если
можно удержать палец в течении секунды, значит транзистор нагрелся
до + 100 °С, если невозможно удержать палец, то температура уже выше
+ 140 °С.
Давно разработаны и продаются инфракрасные детекторы
температуры, которые используют для определения степени нагрева
работающего компонента и которые можно использовать вместо пальца.
Инфракрасный детектор, поможет также проверить термальное состояние
изоляционных материалов, что очень важно для безопасной работы
силовой схемы.
Правило пяти секунд

80 Глава 7. Обнаружение неисправностей транзисторов
Структура > мощных
биполярных транзисторов
Мощные биполярные транзисторы разных производителей имеют
разную структуру. Основные технологии их производства — это эпитакси-
альная и планарная (рис. 7.4). Эпитаксиальные транзисторы более
устойчивы к воздействию окружающей среды и имеют более широкий
контакты коллектора
Рис. 7.4. Параметры мощных биполярных транзисторов зависят от их
структуры:
а — структура эпитаксиального транзистора; б — структура планарно-
го транзистора. Преимущества эпитаксиального транзистора
обусловлены расположением эпитаксиальных слоев. Такая структура
обеспечивает низкое насыщение, хороший /?-эффект, маленькие размеры
кристалла и низкую стоимость. Структура планарного мощного
транзистора позволяет ему работать на более высоких частотах, получить
гораздо меньший размер кристалла. Однако планарные транзисторы
менее надежны.
контакты коллектора

Структура мощных биполярных транзисторов
диапазон безопасных сочетаний напряжения и токов. Транзисторы,
изготовленные по планарной технологии, обладают более высокой
частотной характеристикой и имеют более высокую скорость
переключения, у них, к тому же, более высокий коэффициент усиления по току.
Поэтому, в зависимости от назначения силовой схемы, определяются
определенные параметры мощного транзистора, и по ним выбирается
тот или иной тип транзистора.
При монтаже схемы нельзя ни в коем случае заменять выбранный
тип мощного транзистора на другой, так это приведет к
неработоспособности схемы.
Следует упомянуть о старой технологии изготовления мощных
биполярных транзисторов — однократной диффузии (рис. 7.5). Структура
транзистора формировалась одновременной диффузией легирующих
материалов с двух сторон тонкой подложки л-типа. Транзисторы такой
структуры обладали более широким диапазоном безопасного сочетания
напряжения и тока и были очень надежными. Однако эта технология
уже не используется. Хотя современные технологии, по мнению автора,
не обеспечивают такого высокого уровня параметров силовых
транзисторов.
Кроме биполярных мощных транзисторов, изготавливаются
мощные полевые МОП-транзисторы. Они способны выполнять задачи,
которые не под силу планарным транзисторам.
Рис. 7.5. Структура мощного транзистора, изготовленного по методу
однократной диффузии. Транзисторы с такой структурой имеют
более широкий диапазон безопасного сочетания напряжения и
тока и очень надежны.
контакты коллектора
вытравливание
f мезаструктур

Глава 7. Обнаружение неисправностей транзисторов
Требования к проектированию
силовых схем
Для правильного проектирования силовых схем недостаточно
академических знаний. Здесь пригодится большой опыт практической
работы с силовыми схемами. Например, Вы пытаетесь добавить
распределяющие резисторы, чтобы обеспечить распределение тока между
несколькими транзисторами. Но для этого нужно сделать определенное
согласование с транзисторами. А это не так легко. Необходимо учесть
рабочие параметры схемы, рассчитать для них некоторые параметры,
например, напряжение база/эмиттер, затем рассчитать
корректировку расхождения параметров компонентов от разных производителей
(и это не так просто). Если схемотехника будет плохой, то и реальная
схема не будет работать как надо. В этом случае виноваты будут не
транзисторы. Часто встречаются такие ошибки проектирования, как
плохая схема раскачки силовой схемы или некорректный выбор
радиатора. Встречаются также и схемы с неправильно выбранным типом
транзистора.
При проектировании силовой схемы рекомендуется собрать на
макетной плате прототип схемы, проверить ее работоспособность и
оставить в рабочем состоянии на некоторое время. Если начнутся отказы,
необходимо выяснить, почему. Поиск проводится по двум
направлениям: недостатки проектирования и дефекты компонентов. Разобраться в
этой дилемме поможет большой практический опыт.
Мощные полевые МОП-транзисторы
Сразу после изобретения полевых МОП-транзисторов они стали
широко применяться, так как обладают более высокой скоростью
переключения и менее жесткими требованиями к режиму транзистора. Кроме
того, полевые МОП-транзисторы отличаются высокой стабильностью
температурного коэффициента и поэтому практически не подвержены
вторичному разрушению. Это является главным преимуществом
мощных полевых МОП-транзисторов перед мощными биполярными
транзисторами. Однако следует отметить, что при некоторых условиях —
очень низкая плотность тока при высоком напряжении, в мощных
полевых МОП-транзисторах происходит вторичное разрушение так же,
как в биполярных транзисторах.
Неисправности мощных полевых МОП-транзисторов происходят по
причинам, аналогичным биполярным транзисторам. Во-первых, это
несоблюдение режимов мощности, — мощный полевой
МОП-транзистор выйдет из строя, если реальная мощность на нем будет выше
номинальной. Далее, важно правильно рассчитать и правильно подобрать

Мощные полевые МОП-транзисторы
радиатор, чтобы не было перегрева транзистора. Следующей причиной
отказа мощных полевых МОП-транзисторов является несоблюдение
требований по частоте, так как для каждого транзистора указан рабочий
диапазон частот. В таких случаях мощный полевой МОП-транзистор
разрушается. Если Вы применяете мощные полевые МОП-транзисторы, то
они будут хорошо работать, когда нет нарушений, присущих
выбранному типу транзистора номиналов по току, напряжению, температуре или
частоте.
Так же, как и другие транзисторы, мощные полевые
МОП-транзисторы имеют определенный уровень защиты от разряда статического
электричества. Поэтому необходимо в схеме предусмотреть соблюдение
указанных в техническом описании условий по электростатике.

ГЛАВА 8
НЕИСПРАВНОСТИ
ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ
Правильное функционирование операционного усилителя по большей
части обусловлено окружающими его компонентами. Следовательно,
неисправности операционных усилителей могут заключаться как в них
самих, так в других компонентах, которые определяют его
коэффициент усиления, передаточные характеристики и проч.
Почти на все проявления неправильной работы схемы с
операционным усилителем уже есть конкретные рекомендации. Например, если у
схемы неправильный коэффициент усиления, то нужно проверить не
операционный усилитель, а резисторы. Если частотные характеристики
усилителя переменного тока или фильтра, или интегратора
неправильные, то нужно проверять не операционный усилитель, а конденсаторы.
Если в схеме возникли паразитные колебания, то нужно проверить их
наличие на шине питания или сдвиг фазы в цепи обратной связи, а не
проверять операционный усилитель. Если Ваш осциллограф
показывает на экране частотную характеристику операционного усилителя, на
которой есть ступенька, то нужно проверить осциллограф или зонд
этого осциллографа, или функциональный генератор, с помощью которого
Вы проверяете микросхему.
По статистике, причинами неисправностей схем с операционными
усилителями в основном являются пассивные компоненты. Редко, но
случается, что причина кроется в операционном усилителе.
Погрешности операционных усилителей
Прежде, чем рассматривать серьезные проблемы, рассмотрим
незначительные погрешности операционных усилителей. К таким
погрешностям можно отнести нелинейность коэффициента усиления. Ошибочно
ожидать, что коэффициент усиления операционного усилителя будет
линейным, а также считать, что это неисправность. Например, если
коэффициент усиления операционного усилителя для положительного
сигнала равен 600000, а для отрицательного сигнала равен 900000, то
нелинейность составляет всего 10 мкВ. В то время как коэффициенты
зависимости сопротивления резистора обратной связи от напряжения и
температуры изменяют нелинейность в коэффициент усиления гораздо
больше.

Погрешности операционных усилителей 85
Рис. 8.1. Если операционный усилитель
применяется в высокоимпедансной
схеме и смещение выходного напряжения
из-за изменения тока смещения
составляет 20 мВ, то подстроенный
переменный резистор не поможет Вам устранить
это смещение, так как из-за
коэффициента зависимости тока смещения от
температуры эта погрешность вновь
возникнет.
регулировка
тока
смещения
Часто встречается подвижность температурного коэффициента
операционного усилителя. Например, в техническом описании указан
температурный коэффициент операционного усилителя равный 1 мкВ/°С,
а на практике в одном температурном диапазоне он равен 0,33 мкВ/°С,
в другом равен 1,2 мкВ/°С. Не надо считать это неисправностью
операционного усилителя, так как влияние температурных коэффициентов
других компонентов схемы гораздо выше.
Также не следует придавать значения изменению коэффициента
зависимости тока смещения от температуры.
Также не следует осуществлять корректировку тока смещения.
Например, если операционный усилитель применяется в
высокоимпедансной схеме (рис. 8.1), где импеданс источника составляет 500 кОм и
сопротивление резистора обратной связи равно 479 кОм, то изменение
тока смещения операционного усилителя LM741 на 200 нА вызовет
смещение выходного напряжения, равное 20 мВ. Если попытаться,
используя подстроечный резистор, исправить эту погрешность, то из-за
коэффициента зависимости тока смещения от температуры эта ошибка вновь
возникнет.
Погрешности операционных усилителей
при обработке синфазного сигнала
Как известно, при функционировании операционного усилителя в
схеме с синфазным сигналом учитывается указанный в техническом
описании его коэффициент ослабления синфазного сигнала (CMRR). Этот
коэффициент означает, что, например, при CMRR = 100 дБ
нелинейность выходного напряжения составляет 10 мкВ/В. Это вполне
допустимая погрешность. На самом деле, коэффициент ослабления
синфазного сигнала операционных усилителях не является постоянной
величиной. В реальности величина CMRR зависит от напряжения синфазного
сигнала (рис. 8.2). Следует заметить, что на рис. 8.2 указан оптималь-

86 Глава 8. Неисправности операционных усилителей
Рис. 8.2. График зависимости коэффициент ослабления синфазного
сигнала (CMRR=100 дБ) от напряжения синфазного сигнала. В
техническом описании операционного усилителя CMRR
указывается как постоянная величина, однако, в реальности это не так.
ный для CMRR диапазон напряжения синфазного сигнала, в других
диапазонах зависимость больше.
При работе со схемами на операционных усилителях, которые
обрабатывают синфазные сигналы, необходимо знать об этой особенности
CMRR. Неплохо было бы знать погрешности конкретного
операционного усилителя и иметь реальный график зависимости коэффициента
ослабления синфазного сигнала (CMRR) от напряжения синфазного
сигнала. Это помогло бы правильно оценить работу схему и не искать
неисправность там, где ее нет.
Тестирование CMRR
операционного усилителя
На рис. 8.3 представлена схема для измерения реального
коэффициента ослабления синфазного сигнала (CMRR) операционного
сигнала. Если подать синусоиду или треугольный сигнал в точку А, то с
помощью осциллографа можно определить погрешность выходного
напряжения. Но это будет неточное измерение, так как полученная
погрешность будет состоять из погрешности CMRR и погрешности
коэффициента усиления (см. формулу к рис. 8.3). И, например, при
низком коэффициенте усиления и высоком CMRR измеренная
погрешность будет состоять, в основном, из погрешности
коэффициента усиления.
Если попытаться улучшить схему проверки коэффициент
ослабления синфазного сигнала (CMRR) от напряжения синфазного сигнала,
как показано на рис. 8.4, то результат измерений будет таким же.
Рассмотрим схему проверки коэффициента ослабления синфазного
сигнала (CMRR) от напряжения синфазного сигнала, которая
применяется в автоматическом тестирующем оборудовании (рис. 8.5). Исполь-

Тестирование CMRR операционного усилителя 87
Рис. 8.3. Принципиальная схема тестирования № 1 коэффициента
ослабления синфазного сигнала (CMRR) от напряжения синфазного
сигнала. Измерения будут некорректны, потому что:
Рис. 8.4. Принципиальная схема тестирования № 2 коэффициента
ослабления синфазного сигнала (CMRR) от напряжения синфазного
сигнала. Измерения будут некорректны, потому что:

Глава 8. Неисправности операционных усилителей
осциллограф
вспомогательный
усилитель
функциональный
генератор
Рис. 8.5. Принципиальная схема тестирования коэффициента ослабления
синфазного сигнала (CMRR) от напряжения синфазного
сигнала, которая применяется в автоматическом тестирующем
оборудовании.
зование вспомогательного усилителя в цепи обратной связи уберет
погрешность коэффициента усиления проверяемого операционного
усилителя, но в измерениях будут присутствовать погрешности резистора
Rs и конденсатора Cs, а также погрешность вспомогательного
операционного усилителя. Таким образом, результат измерений будет таким же
неточным, как и в предыдущих схемах.
Рис. 8.6. Графики изменения коэффициента ослабления синфазного
сигнала (CMRR) от напряжения синфазного сигнала:
а — полученный на схеме рис. 8.3; на самом деле, здесь влияние не
погрешности CMRR, а погрешности коэффициента усиления; б—
полученный на схеме рис. 8.7; это действительно влияние погрешности CMRR.

Измерение погрешности CMRR 89
Измеряя изменения «выходного сигнала в зависимости от
изменения напряжения синфазного сигнала, а затем, повторив эксперимент
после сдвига фазы выходного сигнала на 90°, получаем график
погрешности выходного сигнала (см. верхний график на рис. 8.6). В абсолютных
величинах эта погрешность получилась равной 4 мВ на частоте 1 кГц.
В действительности погрешность CMRR равна 0,2 мВ (см. нижний
график на рис. 8.6).
Обобщая, можно сделать вывод, что погрешность
коэффициента ослабления синфазного сигнала (CMRR) от напряжения
синфазного сигнала является нелинейной и что при максимальных
значениях синфазного сигнала (± 9 В) погрешность CMRR является
максимальной.
Измерение погрешности CMRR
В описанных выше экспериментах измерялась погрешность
коэффициента ослабления синфазного сигнала (CMRR) от напряжения
синфазного сигнала в сумме с другими погрешностями. На рис. 8.7
представлена принципиальная схема, с помощью которой можно более
точно определить погрешность CMRR. В этой схеме Я{ — Яп= 1 кОм,
Примечания:
• используйте зажимы типа «миникрокодил» для выбора
нужного резистора Я100;
• должно быть Д3 = 40 х Я>2
Я4 = RJ20
Я1 = Я11
Я2 = Я12;
• допуск всех резисторов должен быть ± 1 %;
• VCM = ^ х я2/(*,+ я2>;
• Упогр = vCM/CMRR;
• выходное напряжение зависит от погрешности CMRR
Рис. 8.7. Принципиальная схема тестирования коэффициента ослабления
синфазного сигнала (CMRR) от напряжения синфазного сигнала.
функциональный
генератор

Глава 8. Неисправности операционных усилителей
Л, = Rn = 10 кОм, R3 = 200 кОм, R4 — потенциометр на 500 Ом. В этом
случае погрешность коэффициента усиления равна 11 (см. ниже). Если
на вход схемы подать синусоиду ±11 В, то напряжение синфазного
сигнала составит ± 11 В. Погрешность выходного сигнала будет
состоять на 92 % из погрешности напряжения, остальная часть — из
погрешности резисторов. В начале эксперимента подключается
осциллограф к выходу схемы, затем устанавливается потенциометр в такое
положение, при котором погрешность выходного напряжения меньше
всего. Бывает, что ее на осциллографе совсем не видно и неизвестно,
почему, — может быть, погрешности резисторов компенсируют
погрешность CMRR. Установив Rm = 200 Ом, можно убедиться, что
погрешность напряжения увеличилась в 100 раз. Изменение выходного
напряжения равно при этом напряжению синфазного сигнала,
деленного на CMRR. То есть можно вычислить CMRR.
Рекомендуется применять схему на рис. 8.7 для определения
реального CMRR используемого прибора. Как уже упоминалось выше,
удобно использовать построенный подробный график зависимости
CMRR от напряжения входного сигнала для отладки электронных схем.
Питание операционных усилителей
Иногда возникает вопрос, как организовать питание операционного
усилителя? Можно ли использовать отдельный источник питания? Если
возникает такая необходимость, любой операционный усилитель
можно подключать к отдельному источнику питания.
Измерить ток смещения легче,
чем импеданс
В любой схеме требуется знать импеданс дифференцированного входа
операционного усилителя. С целью проверки конкретного входного
импеданса конкретного операционного усилителя, как правило,
измеряется ток смещения. Есть зависимость между входным импедансом и
током смещения. Если ток смещения достаточно маленький, то
входной импеданс для дифференцированного или синфазного сигнала
достаточно большой. Поэтому рекомендуется даже не пытаться измерить
именно входной импеданс. Просто надо вспомнить, что для
дифференциального каскада усилителя на биполярных транзисторах входной
импеданс определяется по формуле:
где 1Ь — ток смещения.

Правильное понимание погрешностей операционных усилителей
Необходимо учесть, что внутренняя схема некоторых
операционных усилителей содержит блок компенсации тока смещения или другие
компоненты, которые влияют на входной импеданс. Поэтому
рекомендуется измерить и зафиксировать ток смещения для каждого значения
напряжения входного сигнала.
Для высокоскоростных буферов или фильтров важным
показателем является не только высокий импеданс, но и величина входной
емкости операционного усилителя, чтобы правильно согласовать его с
последующими компонентами. На рис. 8.8 представлены схемы для
измерения емкости дифференцированного входа операционного
усилителя. Для синфазного сигнала (рис. 8.8, а) принцип измерения такой:
когда Сх = СА = 5 пФ, то V{ = VA; а когда Сх= Св= 1000 пФ, то V{ = VA.
Тогда входная емкость операционного усилителя будет определяться по
формуле:
Для достоверности результата рекомендуется сигнал на
положительный вход операционного усилителя подавать с помощью маленького
разъема типа «крокодил». Разъем для операционного усилителя лучше
не использовать при этом измерении.
Для дифференцированного сигнала (рис. 8.8, б) входная емкость:
Правильное понимание погрешностей
операционных усилителей
Иногда операционные усилители проявляют некоторые погрешности,
которые смотрятся как проблемы, но это не так. Например, если на
выходе операционного усилителя появляется пилообразное
напряжение — 0,3 В/мкс, а инвертирующий вход и точка суммирования не
заземлены, то в чем дело? Почему так происходит, если в спецификации
указана погрешность выходного напряжения от 2 до 4 мВ? Может быть,
тут так называемая «виртуальная земля»? Нет, «виртуальная земля» —
это явление, которое наблюдается при постоянном токе или на низких
частотах. В приведенном примере скорость изменения напряжения
равнялась 2я умножить на частоту единичного усиления и умножить на
входное напряжение. Таким образом, если на входе 15 мВ, то происхо-

Глава 8. Неисправности операционных усилителей
Рис. 8.8. Принципиальная схема для измерения входной емкости операционного усилителя:
а — для синфазного сигнала; б — для дифференцированного сигнала.

Собственные неисправности операционных усилителей
дит как бы резонанс на середине полосы пропускания такого
операционного усилителя, как LM356. А операционный усилитель LM741
проявляет резонансные явления на 50 или 70 мВ входного напряжения.
Таким образом, рекомендуется правильно выбирать модель
операционного усилителя, чтобы избежать описанного выше явления, когда
совершенно исправный операционный усилитель на выходе выдает
огромный дребезг напряжения.
Еще один пример: если рассмотреть стандартное уравнение для
коэффициента усиления однополюсного операционного усилителя:
то можно сделать вывод, что при изменении коэффициент усиления
постоянного тока должен изменяться и коэффициент усиления
переменного тока. На самом деле, у большинства моделей операционных
усилителей нет такой корреляции между ними. Есть несколько
способов изменить коэффициент усиления постоянного тока — изменить
рабочую температуру, добавить или убрать резистор нагрузки. Однако
полоса пропускания операционного усилителя не изменится. Но есть и
такие модели операционных усилителей, у которых эта корреляция не
компенсирована. Тогда, изменив сопротивление нагрузки, Вы получите
неисправность схемы. Поэтому надо внимательно изучать технические
описания операционных усилителей.
Следует также отметить, что иногда указанное в техническом
описании значение выходного импеданса бывает подозрительно низким.
Автор проверял и убедился, что реальный выходной импеданс в 10 раз
выше.
Собственные неисправности
операционных усилителей
Кроме неисправностей, вызванных другими компонентами,
существуют, разумеется, и неисправности собственно самих операционных
усилителей. Прежде всего, это ненадлежащее напряжение Vos.
При изменении температуры выводы операционного усилителя из
ковара (кобальт-никелеевый сплав) и медь печатной платы могут
работать как термопара, в результате между ними возникает небольшое
напряжение порядка 3 мкВ/°С. Чтобы предотвратить возникновение
такого напряжения, рекомендуется помещать усилитель в небольшой кожух
и охлаждать его. Это особенно важно для мощных операционных
усилителей. Чаще повторяйте девиз автора «Тепло — враг точности». Это
действительно так. Недостаточное охлаждение операционного
усилителя приводит к перегреву и его, и рядом расположенных компонентов.

Глава 8. Неисправности операционных усилителей
В результате функционирование операционного усилителя будет
некорректным, аналогично будут функционировать нагреваемые им
компоненты, а также вся схема.
Следует всегда помнить, что нет операционных усилителей
любого типа, которые бы имели абсолютно одинаковые амплитуды
выходного напряжения, токи возбуждения и частотные характеристики.
Нельзя говорить, что какой-то экземпляр операционного усилителя в
схеме работает хуже или лучше предыдущего. Поэтому всегда при
замене операционных усилителей делайте перерасчет или
перенастройку схемы.
Принцип Роберта Писа
Если в схеме регулятора или усилителя возникли генерации, нельзя
просто добавлять резисторы или конденсаторы до тех пор, пока они
не прекратятся. Такой способ гарантирует возникновение
генераций снова через некоторое время. Необходимо проверить схему. Для
этого нужно подать на схему через резистор 100 Ом и
последовательно с ним соединенный керамический дисковый конденсатор
емкостью 0,2 мкФ прямоугольные импульсы от функционального
генератора. В качестве нагрузки подсоединяется регулируемый
стабилизатор постоянного тока, который позволит проверить схему во
всем диапазоне выходных токов, а в случае с усилителем — во всем
Принципиальная схема подбора дополнительных компонентов дня
самовозбуждающегося устройства.

Самовозбуждение
диапазоне выходного напряжения. При тестировании
операционного усилителя рекомендуется добавить к нагрузке конденсатор
переменной емкости (от 10 до 50 пФ), чтобы смоделировать все
варианты возможных нагрузок. Генерация может исчезнуть при
относительно большой емкости нагрузки.
На рисунке, расположенном ниже, нет рекомендованных
номиналов применяемых компонентов, так как, например, при
проверке регулятора на 5 В можно решить все проблемы
применением резистора нагрузки в 1 или 2 Ома. А при тестировании
маломощного усилителя понадобятся резисторы нагрузки и входа
порядка 1 МОм.
Отладив таким образом схему за 5 минут, Вы
гарантированно избавитесь от генераций в ней. Даже если в процессе
эксплуатации у Вас будет нагреваться силовой транзистор,
конденсатор или еще что-нибудь, генерации не возникнут вновь.
Используя предложенный прием, не надо проводить полный анализ
схемы.
Самовозбуждение
Одной из главных проблем, связанных с операционными усилителями,
является их самовозбуждение. Чтобы избежать таких явлений в схемах с
операционными усилителями, необходимо соблюдать четыре основных
правила предосторожности:
1. Всегда используйте шунтирующий конденсатор в каждом месте
подачи питания и располагайте его рядом с операционным усилителем.
Для высокочастотных схем на операционном усилителе очень важно,
чтобы шунтирующий конденсатор был замкнут на него. При этом
лучше выбрать тйнталовый или керамический конденсатор.
2. Избегайте ненужной емкости нагрузки — она может вызвать
дополнительный фазовый сдвиг, который, в свою очередь, станет
причиной генерации. Этот эффект можно наблюдать при
подсоединении к операционному усилителю зонда х\ осциллографа. Такой
же эффект возникнет при соединении выхода операционного
усилителя с другими частями схемы с помощью коаксиального кабеля
(или экранируемого провода), так он добавляет емкости на выход
усилителя. В таких схемах следует применять дополнительные
стабилизирующие блоки.
Много публикаций посвящено исследованию влияния емкости на
выходе на операционный усилитель. Везде выходной импеданс
учитывается как резистивный. Но, как правило, он не является чисто
резистивным. Кроме того, на низких частотах выходной импеданс

Глава 8. Неисправности операционных усилителей
операционных усилителей небольшого размера, а с увеличением
частоты увеличивается за счет индуктивной составляющей. Однако в
некоторых типах операционных усилителей выходной импеданс на
низких частотах высокий и падает с увеличением частоты за счет
емкостной составляющей. Для этих операционных усилителей достаточно
добавить конденсатор на выходе, и выходной импеданс будет
стабильным.
На рис. 8.9 показано, как можно устранить ненужную емкость на
выходе инвертора и интегратора, построенных на операционных
усилителях. Если правильно подобрать компоненты, то любой
операционный усилитель может устойчиво работать с емкостью на выходе от
100 пФ до 100 мкФ. Коэффициент усиления постоянного тока и
низкочастотного сигнала обычно хорошо контролируется. Но при
больших значениях емкости на выходе он начинает уменьшаться,
колебаться и возникает неисправность. Модификацию представленных
устройств следует начинать с Rx = 47 Ом до RY = 470 Ом и С = 100 пФ.
При этом емкость нагрузки может быть в диапазоне от 100 пФ до
20000 пФ. В схеме интегратора или повторителя добавляется еще
резистор 4,7 кОм.
В некоторых случаях, например, в повторителе напряжения на
операционном усилителе LM110, используется обратная связь,
которая сделана внутри микросхемы. Естественно, ее нельзя
подстроить. Поэтому могут возникнуть некоторые колебания выходного
сигнала, которые называются в таком случае «шум коэффициента
усиления». Подавляется такой шум способом, представленным на
рис. 8.10.
Если в схеме повторителя напряжения используется малошумящий
операционный усилитель (рис. 8.11, а), то в этом случае возникают
значительные нежелательные сдвиги фазы. Изменяя коэффициент
усиления шума, что сделать очень легко, можно минимизировать
нежелательный сдвиг фазы (рис. 8.11, б— г).
3. Для предотвращения самовозбуждения операционных
усилителей необходимо в цепи обратной связи параллельно резистору обратной
связи добавлять конденсатор. Назначение этого конденсатора —
предотвращать задержку фазу в цепи обратной связи. Конечно, эта
рекомендация не относится к таким операционным усилителям, как LF357
и LM349, которые стабильны в отношении коэффициента усиления и
коэффициента усиления шума. Номинал конденсатора в цепи обратной
связи вычисляется по формуле:

Самовозбуждение 97
Рис. 8.9. Модификация инвертора (а) и интегратора (б) для устранения
лишней емкости нагрузки (ей г).

98 Глава 8. Неисправности операционных усилителей
Рис. 8.10. Подавление шума коэффициента усиления стандартного
интегратора (а) осуществляется добавлением одного резистора (б).
Однако для больших значений коэффициента усиления и при
большом сопротивлении резистора в цепи обратной связи нужно
использовать другую формулу:
где GBW — произведение коэффициента усиления на ширину полосы
пропускания.
Если же:
то необходимо пользоваться следующим уравнением:
коэффициент усиления шума = п +1
коэффициент усиления шума = 2 +1/т

Самовозбуждение 99
коэффициент усиления шума = 1
коэффициент усиления шума = 6
коэффициент усиления сигнала = 1
коэффициент усиления шума = 6
коэффициент усиления сигнала = 1
коэффициент усиления шума постоянного тока = 1
коэффициент усиления сигнала переменного тока = 6
коэффициент усиления сигнала = 1
Рис. 8.11. Изменяя коэффициент усиления шума в усилителе, можно
повысить стабильность повторителя напряжения с
коэффициентом усиления, равном единице.

100 Глава 8. Неисправности операционных усилителей
4. Если Вы думаете, что со схемой уже все в порядке и что уже
никаких генераций в ней не будет, проверьте ее еще раз в
соответствии с подразделом «Принцип Роберта Лиса». Убедитесь, что схема
стабильна при любых условиях, при любой нагрузке и при любом
смещении.
Шумы
Еще одна серьезная проблема, которая возникает в работе с
операционными усилителями, — это шум. Шум в большинстве операционных
усилителей довольно-таки предсказуем. Существует множество
теоретических обоснований этого явления, особенно на радиочастотах, и описано
множество способов их минимизации.
Большие трудности возникают, если появляется непредсказуемый
шум или шумовые характеристики конкретного типа операционных
усилителей меняются. Это происходит исключительно на радиочастотах, а
также на более низких частотах.
Следует заметить, что тестирование операционных усилителей на
наличие шумов или на соответствие их показателей техническому
описанию произвести нелегко.
Шумы особенно вредны в чувствительных схемах.
Хорошо изучен фликкер-шум, также известный как 1// шум
переменного тока, который является основным на низких частотах.
Существует еще попкорн-шум, который проявляется взрывообразно. Эти
шумы складываются с нормальным термальным шумом, и в
результате на выходе схемы происходит хаотичное искажение полезного
сигнала.
При работе с операционными усилителями, когда все его
параметры в норме, генерация и шумы — это основная проблема. Они могут
быть причиной таких нежелательных явлений в чувствительных
электронных схемах, как перегрузка, возвратное короткое замыкание,
нарушение синхронизации и искажение термальной характеристики. Кроме
того, многие операционные усилители могут проявлять возвратный
перезапуск при отключении выхода. Следует заметить, что возвратные
явления в технических описаниях большинства операционных
усилителей не указываются. Автор лишь однажды в рекламе операционного
усилителя прочитал, что время полной остановки работы прибора равно
12 не. Однако у всех остальных операционных усилителей реальное время
остановки работы при выключении гораздо больше, иногда оно
достигает нескольких секунд.
Предотвратить возникновение возвратных явлений в схемах с
операционными усилителями, особенно таких, как интегратор, поможет

Техническое описание как причина возникновения неисправности
использование стабилитронов и других диодов в цепи обратной связи.
Однако в таких схемах, как дифференциальный усилитель, применение
диодов в цепи обратной связи невозможно.
Техническое описание как причина
возникновения неисправности
Известно, что в технических описаниях компонентов приводится
большое количество показателей. Однако следует доверять только тем
характеристикам, которые гарантированы производителем. Кроме того,
бывает, что нужная для правильного функционирования схемы
характеристика производителем вообще не указывается в техническом
описании.
Все характеристики, гарантированные производителями, имеют ту
или иную погрешность. Она определяется годами тестирования
данного компонента, и поэтому в ней нельзя сомневаться. Эта
погрешность подразумевает изменение температурных условий
функционирования компонента в допустимом диапазоне. Поэтому изменение
погрешности или даже самой характеристики компонента является
результатом нарушения, прежде всего, допустимого температурного
диапазона.
В качестве показателя, который не указывается в техническом
описании, можно назвать зависимость напряжения смещения от
механического давления. Этот показатель очень важен для комбинированных
интегральных схем (на биполярных и полевых транзисторах), так как
полевые транзисторы очень чувствительны к механическим
воздействиям на кремний, чем биполярные транзисторы. Если установить
операционный усилитель в пластиковом корпусе на печатную плату,
припаять его, а затем немного искривить печатную плату, то можно
увидеть на экране осциллографа, что напряжение сток-исток Vos
сместилось. Это означает, что если печатная плата будет работать в
условиях вибрации, то возникнет так называемый микрофонный шум.
Поэтому рекомендуется отдавать предпочтение операционным
усилителям в стеклокерамическом корпусе, которые минимизируют проблему.
Также не рекомендуется применять операционные усилители в SO-
корпусах, так как у них самые плохие показатели по микрофонному
шуму.
Мощные операционные усилители, регуляторы напряжения и
другие мощные интегральные схемы имеют ограничения по температуре
кристалла. Поэтому для них всегда используются устройства теплоотво-
да и принудительное охлаждение. В некоторых мощных операционных
усилителях есть схемы ограничения температуры кристалла, которые

Глава 8. Неисправности операционных усилителей
автоматически уменьшают выходной ток при достижении температуры
кристалла до 150 °С. Поэтому рекомендуется помнить о такой функции
микросхемы и не воспринимать ее работу как неисправность. Надо просто
улучшить теплоотвод.
Методы обнаружения неисправностей
в схемах с операционными усилителями
Допустим, есть неисправная электронная схема на операционном
усилителе, и все указывает на отказ операционного усилителя. С чего
начать поиск неисправности? Прежде всего, нужно понимать, что
проблемы делятся на два вида: проблемы переменного тока и проблемы
постоянного тока. Примерами первых являются самовозбуждение и шумы, а
ко вторым относятся неудовлетворительная погрешность выходного
напряжения и ошибка в выходном разъеме, когда выход замыкается на
положительную или отрицательную шину питания. Сначала
микросхема проверяется на наличие генерации с помощью хорошего
осциллографа (см. выше).
Если проблема в генерации, необходимо сначала проверить
входной сигнал. Если с ним все в порядке, далее проверяются все выводы
микросхемы, особенно выводы питания. Если и здесь нет ошибок, то
добавление в схему конденсаторов или RC-цепей в узлах схемы
позволяет решить проблему.
Если тип отказа схемы указывает на проблемы постоянного тока, то
все равно микросхема сначала проверяется на наличие генерации.
Убедившись, что ее нет, проверяется корректность питания и заземления
микросхемы. Встречается обрыв провода заземления, недостаток
напряжения питания из-за отсутствия резистора или неправильного его
номинала. Бывают короткие замыкания и разрывы в цепи питания.
Иногда, просто увеличив напряжение или ток питания, получаем исправно
работающую схему.

ГЛАВА 9
ПОДАВЛЕНИЕ ПАРАЗИТНЫХ
КОЛЕБАНИЙ
Паразитные колебания (самовозбуждение) — постоянная угроза для
аналоговых электронных схем. Самовозбуждения операционных
усилителей описаны в гл. 8, а в этой главе будет освещена проблема паразитных
колебаний в других электронных устройствах. Вспомним еще один
закон Мэрфи: «Генератор не запускается — нет колебаний, а в усилителе
обязательно будут». А подавление и предотвращение паразитных
колебаний, по мнению еще одного остроумного человека, является высоким
искусством. Разумеется, не все владеют этим искусством. Невозможно
описать все способы решения каждого вида проблем паразитных
колебаний. В этой главе будут изложены основные принципы
предотвращения генераций, а также методика их применения для разных
компонентов. Также будет предложен порядок необходимых действий и будут
рекомендованы оптимальные инструменты.
Вот несколько типов паразитных колебаний, которые могут
неожиданно возникнуть в электронной схеме:
• самовозбуждения на очень высокой частоте (до нескольких сотен
мегагерц) из-за генерации одного каскада;
• самовозбуждения на частоте несколько мегагерц из-за случайной
обратной связи в компараторе;
• самовозбуждения на частоте несколько сотен килогерц из-за
затуханий в контуре операционного усилителя, нелинейности регулятора
напряжения или плохо отфильтрованного напряжения питания;
• замедляющие частоту переключений генерации в цепи
переключающего регулятора из-за затуханий в контуре регулятора;
• самовозбуждения на частотах сетевого электропитания F0 или
120 Гц);
• низкочастотные самовозбуждения из-за задержки в
электромеханических цепях.
Частота паразитных колебаний является ключом к причине
возникновения генераций. Электродвигатель не может быть причиной
паразитный колебаний с частотой 10 МГц, а транзистор — 100 Гц. Поэтому
при обнаружении в электронной схеме паразитных колебаний первое,
что надо сделать, — это определить их частоту.
На очень высоких частотах, от 20 до 1000 МГц, на появление
паразитных колебаний влияет даже компоновка платы. Один из приемов

Глава 9. Подавление паразитных колебаний
поиска причины колебаний в высокочастотной схеме: нужно пальцем
провести над всей схемой и зафиксировать точку, в которой
осцилляция уменьшается или увеличивается. Это поможет найти способ убрать
самовозбуждение. У автора был случай, когда при приближении пальца
к одному из транзисторов высокочастотные колебания в схеме
значительно увеличивались. Разумеется, этот способ никогда нельзя
применять в схемах с высоким напряжением.
Очень часто непроизвольной причиной высокочастотных
колебаний (несколько сотен мегагерц) в схеме может стать ток 5 или 10 мА на
эмиттере транзистора, подключенного по схеме эмиттерного
повторителя. Паразитные колебания такой частоты нельзя обнаружить
осциллографом на 100 МГц. Они распространяются на другие части схемы и
привозят к отказу системы. Например, когда проектировали первые
персональные компьютеры, для функции RESET (перезапуск) процессора
была разработана схема, представленная на рис. 9.1. На прототипе
компьютера эта схема работала очень плохо. Причина была в транзисторе, —
он был рассчитан на 10 мА, а вместе с шунтирующим конденсатором
был источником паразитных колебаний очень высокой частоты,
которые не смогли сразу обнаружить. Проблема была решена
подключением композиционного резистора последовательно с базой транзистора на
расстоянии 5 см. Иногда ферритовая шайба помогает даже лучше, чем
резистор.
Большие проблемы создают не только высокочастотные колебания.
Нестабильная обратная связь переключающего регулятора бывает
источником низкочастотных паразитных колебаний. Для экономии
времени рекомендуется иметь диагностическую систему (анализатор).
Такие системы позволяют снимать все характеристики схемы и проверять
ее на наличие различных неисправностей.
Рис. 9.1. Принципиальная схема функции RESET (перезапуск)
процессора в компьютере.

Колебания, которые не являются генерацией
Более простой вариант проверки схемы — это сравнение ее с
эталоном, который работает идеально. Последовательное сравнение всех
показателей позволит определить неисправность. Особое внимание нужно
уделить таким компонентам, как конденсаторы, характеристики
которых могут измениться на высокой частоте.
Оптроны в переключающихся регуляторах тоже довольно-таки
часто бывают причиной паразитных колебаний и, как следствие,
неисправности схемы. Это обусловлено широким диапазоном частотной
характеристики компонента. С другой стороны, интегральная схема
переключающегося регулятора никогда не бывает причиной генераций, так
как ее частотная характеристика выше частоты контура.
Колебания, которые не являются
генерацией
Особое внимание следует обратить на паразитные колебания с частотой
электросети. Очень часто инженеры, обнаружив в схеме с
операционным усилителем или регулятором такие колебания, приписывают
операционному усилителю или регулятору. Следует запомнить, что эти
компоненты не могут генерировать на такой частоте. Совершенно
однозначно, — это шум от сетевого электропитания. А возникнуть он может
по следующим причинам:
1. На диод, который используется на входе схемы, попадает свет и
генерирует фототоки. При флуоресцентном освещении это шум с
двойной частотой сети или немного выше. Кроме того, в схему попадет
небольшой паразитный постоянный ток. Как только обнаружатся такие
явления, легко можно устранить эту неисправность, обеспечив
затемнение для схемы. Если свет очень яркий, то он проникает сквозь обычные
корпуса компонентов. В таких случаях рекомендуется использовать
компоненты в керамических корпусах.
2. Напряжение питания может иметь пульсации с одинарной или
двойной частотой электросети. Причиной этих пульсаций может
служить дефектный конденсатор, неисправность выпрямителя или
обрыв цепи заземления. Следует проверить напряжение питания на
наличие пульсаций, и, если они есть, легко будет устранить
неисправность.
3. Электромагнитное поле от трансформатора с небольшим
насыщением индуцирует паразитные сигналы. Такие паразитные
колебания тоже легко распознаются. Рекомендуется блок питания схемы
размещать на расстоянии около 1 м. Если это нельзя сделать, то нужно
более требовательно выбирать трансформатор и не допускать его
насыщения. В любом случае дополнительная защита схемы от электро-

Глава 9. Подавление паразитных колебаний
Рис. 9.2. Схема для анализа стабильности работы цепи сервомеханизма и
для подбора правильных номиналов Rv Ct и С2, которая
работает на напряжении 1 В. Испытания проводятся с помощью
подачи прямоугольных импульсов с частотой 0,004 Гц, выход LM11С
регистрируется на диаграммной ленте.

Правильно обращайтесь с компаратором
магнитного излучения не помешает. Обычно используется стальной
корпус для схемы.
4. Механические вибрации могут воздействовать на керамические
конденсаторы. Бывает, что замена керамического конденсатора на
пленочный решает проблему. Источником механических вибраций могут
быть провода сетевого электропитания (частота сети), если они
проложены вблизи чувствительных элементов схемы. Для предотвращения
паразитных колебаний по этой причине рекомендуется защищать 5 В
шины от входа.
На рис. 9.2 представлена схема анализа работы цепи
сервомеханизма с записью на диаграммной ленте.
Самовозбуждение компараторов
Компараторы обладают некоторым коэффициентом усиления
напряжения и определенным сдвигом фазы на высоких частотах.
Следовательно, самовозбуждение всегда возможно.
Такие компараторы, как LM339, у которых рабочая частота более
низкая, практически не производят паразитных колебаний. Поэтому,
если при компоновке печатной платы защитить входы компаратора от
шумов, то на выходе будет чистый сигнал без паразитных колебаний.
Однако, даже такие компараторы тоже могут быть источником
колебаний, если напряжение на дифференцированном входе будет иметь
небольшой сдвиг фазы. Это может произойти, если источник сигнала имеет
высокий импеданс (более 10 кОм) или если печатная плата
спроектирована без защиты.
Как правило, в схемах с компаратором обеспечивается небольшой
гистерезис или положительная обратная связь с выхода на
положительный вход. Величина гистерезиса, которая способствует предотвращени-
югенерации, обычно составляет двойное значение порогового
напряжения. В зависимости от назначения схемы величина гистерезиса может
быть больше. Например, в схеме RC-генератора гистерезис для
компаратора может быть 1, 2 или 5 В.
Следует учесть также, что если на вход компаратора поступает
сигнал с шумом, то выходной сигнал будет шуметь в два или три раза
больше.
Правильно обращайтесь с компаратором
Компараторы очень чувствительные компоненты — можно
существенно изменить параметры схемы, только коснувшись пальцем
компаратора. Поэтому необходимо предусмотреть возможность изменения шумя-

Глава 9. Подавление паразитных колебаний
щих свойств компаратора в худшую или лучшую сторону после монтажа
его на печатную плату. То есть невозможно заранее знать, какой
гистерезис будет необходим после установки компаратора на плату.
Необходимая защита от шума определяется и осуществляется после сборки
схемы.
Для быстродействующих компараторов эта проблема ощущается в
большей степени. Практически всегда без специальных мер
быстродействующий компаратор выдает сигнал с шумом. Один из способов
решения этой проблемы для компараторов серии LM311 является
соединение выводов 5 и 6 между собой.
Для компараторов, чье быстродействие выше, чем у LM311,
организация гистерезиса — обязательное условие чистой работы. Для
специализированных схем часто требуется организовать не только гистерезис
постоянного тока, но и гистерезис переменного тока. Например, в
схеме детектора пересечений сдвига уровня, выбирая конденсатор
обратной связи, можно получить нулевой гистерезис постоянного тока.
Поэтому применяется гистерезис переменного тока — в течении одного
полупериода на конденсаторе напряжение снижается до нуля (рис. 9.3).
В результате в схеме гарантируется гистерезис постоянного тока.
Компаратор с такой схемой защиты работает без генерации.
Шум компараторов
Большинство технических описаний не содержит сведений о шуме
компаратора. Связано это с тем, что каждый компаратор имеет свой
индивидуальный частотный параметр по шуму (полосу пропускания шума).
Если частота входного дифференцированного сигнала попадает в эту
полосу, то шум компаратора будет очень большой. Генерация может
продолжаться, даже если частоту входного напряжения вывести из этой
полосы. Следовательно, необходимо тестировать каждый компаратор
перед его применением.
Еще один способ предотвращения генерации в компараторе — это
использование монолитного парного транзистора в качестве
предварительного дифференцированного усилителя.
Рис. 9.3. Принципиальная схема детектора
пересечений сдвига уровня с гистерезисом
постоянного тока 50 мВ, который обеспечивается
гистерезисом переменного тока.

Неустойчивые неисправности
Синфазный сигнал в компараторе
Наряду с трудностями по устранению генерации в компараторах много
проблем возникает в электронных схемах из-за взаимодействия
компаратора с синфазным сигналом. Как правило, в технических описаниях
компараторов нет параметров по этим явлениям.
Как известно, в технических описаниях операционных усилителей
указывается диапазон напряжения синфазного сигнала Vcw который
означает, что на оба входа операционного усилителя должно подаваться
одинаковое напряжение в этом диапазоне. Но в компараторах в
большинстве случаев на входы подаются сигналы разного уровня. И, если
оба сигнала попадают в указанный в техническом описании
компаратора диапазон напряжения синфазного сигнала Vcw то на выходе будет
корректный сигнал.
Но, если один сигнал на входе компаратора попадает в допустимый
диапазон напряжения синфазного сигнала, а другой нет, то может быть
три варианта:
1. Даже если один из входов компаратора перегружен, выходной
сигнал все же остается корректным, и характеристики компаратора не
изменяются.
2. При перегрузке одного входа компаратора наблюдается
неустойчивость в работе компаратора, он все еще исправен.
3. При перегрузке одного из входов компаратора он мгновенно
выходит из стоя.
Например, если на один вход компаратора LM339 с
напряжением питания 5 В подается сигнал в диапазоне от О В до 3,5 В, а на
другой вход подается сигнал в диапазоне от О В до 39 В, то выходе
будет корректный сигнал, и компаратор не пострадает. Однако, если
на один из входов компаратора подать сигнал в диапазоне от -0,1 В
до —1,0 В, и ток при этом будет находиться в диапазоне от 5 мА до
10 мА, то компаратор не разрушится, но выходной сигнал будет
некорректным.
Поэтому рекомендуется при работе компараторов с синфазными
сигналами соблюдать условия допустимых напряжений на входе.
Неустойчивые неисправности
Иногда в электронных схемах с компараторами, обрабатывающими
синфазный сигнал, встречаются странные неисправности. Вдруг без явных
причин компаратор переходит на другой уровень выходного сигнала.
Практически все типы компараторов подвержены таким отказам в той
или иной мере. Это происходит, если на одном из входов уровень сиг-

Глава 9. Подавление паразитных колебаний
нала резко меняется, в результате образуется задержка выходного
сигнала, и выходное напряжение меняет свой уровень. Этот сбой носит
неустойчивый характер, и надо тщательно организовывать
прохождение входных сигналов.
Следующий вид неустойчивой неисправности компаратора
возникает, если схема компаратора построена на трех операционных
усилителях. Следует запомнить, что, как правило, быстродействие
операционных усилителей ниже, чем у компараторов. Поэтому такая схема
будет работать медленнее, чем интегральный компаратор. Следовательно,
рассогласование частоты входного синфазного сигнала с быстродействием
схемы приведет к некорректности выходного сигнала. Кроме того,
уровень входного сигнала не должен выходить за границы разрешенного
техническими условиями диапазона.
Самовозбуждение буферных схем
Каждая схема, которая усиливает ток, может быть источником
паразитных колебаний. Так как буферные схемы - это разновидность
линейного усилителя с небольшим коэффициентом усиления по току, то и они
подвержены самовозбуждению. При этом коэффициент усиления может
быть как меньше единицы @,90 или 0,95), так больше единицы, — от 10
до 20. Даже эмиттерные повторители, которые очень стабильны в своей
работе, на высоких частотах могут быть источником колебаний.
Поэтому рекомендуется любую буферную схему проверять на наличие
паразитных колебаний.
Амплитудно-частотная характеристика буферных схем, которая имеет
отрицательный наклон, на частоте от 40 до 60 МГц начинает резко
расти, на частоте от 6 до 10 МГц снижаться. Это приводит к сдвигу фазы в
схеме, что в свою очередь будет причиной колебаний. Если знать это
свойство буферных схем, то, предприняв определенную защиту, можно
избежать колебаний по этой причине.
Буферные схемы имеют свойство вносить искажения в
обрабатываемый сигнал. На высоких частотах операционные усилители не могут
компенсировать такое искажение. Как правило, в технических
описаниях буферных схем не указываются параметры вносимых ими
искажений. Поэтому, в зависимости от назначения буферной схемы, следует
тестировать их для определения характера искажений и внесения
корректив в схему.
Стандартный способ стабилизации коэффициента усиления
повторителя напряжения заключается в том, что в схему добавляется
конденсатор в цепи обратной связи усилителя, как показано на
рис. 9.4, а.

Самовозбуждение буферных схем 111
Рис. 9.4. Принципиальные схемы стабилизации коэффициента усиления
буферного усилителя.
Большинство буферных схем с единичным коэффициентом
усиления — монолитных, гибридных или дискретных, проявляют
нестабильность, если источник сигнала имеет индуктивность. Резистор,
подключенный последовательно ко входу улучшит стабильность. Однако
следует иметь в виду, что при этом коэффициент усиления несколько
уменьшится.

Глава 9. Подавление паразитных колебаний
Многие высокочастотные буферы имеют сопротивление нагрузки
от 50 до 150 Ом. Прохождение тока по нагрузке приводит к перегреву.
Поэтому следует обеспечивать надежный теплоотвод буферной схемы.
Если буфер предназначен для удаленной нагрузки и соединяется с ней
кабелем, то нужно очень тщательно проверить согласованность
термического сопротивления кабеля на обоих концах, чтобы предотвратить
отражение сигнала и его искажение. Не помешает также резистор
между буфером и его кабелем.
Буферные схемы с большим коэффициентом усиления напряжения
также нужно обязательно тестировать на стабильность
амплитудно-частотной характеристики, иначе возникнет генерация. Для стабилизации
коэффициента усиления в буферных схемах с положительным
коэффициентом усиления применяется конденсатор в цепи обратной связи
вокруг основного усилителя (рис. 9.4, б). А для стабилизации
коэффициента усиления в буферных схемах с отрицательным коэффициентом
усиления применяется конденсатор в цепи обратной связи вокруг
предусилителя (рис. 9.4, в).
Рис. 9.5. Антиреверсивные диоды в системе подачи питания в триггерах.

Проблемы триггеров
В некоторых случаях стабильность коэффициента усиления
достигается подключением RC-демпфера между неинвертирующим входом
операционного усилителя и землей.
Проблемы триггеров
В схемах, фиксирующих состояние, встречаются проблемы,
противоположные самовозбуждению. То есть отсутствуют колебания там, где они
должны быть. В триггерах это выражается в утере информации, которая
должна быть сохранена. Трудность заключается в том, что невозможно
взять вольтметр и проверить схему, тем более, если не известно, как и в
какое состояние она пришла. Для предотвращения сбоя в
фиксирующих состояние схемах необходимо соблюдать следующие условия:
1. Быстро выключать питание схемы. Включение питания схемы
нужно производить короткими импульсами.
2. Использовать схему регулирования и ограничения тока питания с
нулевой или минимальной рыходной емкостью.
Учитывая важность корректной подачи питания в фиксирующие
состояние схемы, рекомендуется применять в качестве защиты от
реверсивного напряжения диоды на каждом выводе питания микросхемы
(рис. 9.5).

НА ГРАНИЦЕ
МЕЖДУ АНАЛОГОВОЙ
И ЦИФРОВОЙ
ЭЛЕКТРОНИКОЙ
В предыдущих главах рассматривались неисправности электронных
компонентов и схем, которые по сути своей являются аналоговыми.
Однако, современные электронные системы, как правило, состоят и из
аналоговых и цифровых схем. Кроме того, существует большой класс схем,
которые нельзя назвать полностью аналоговыми или полностью
цифровыми. Таймеры, аналогово-цифровые и цифроаналоговые
преобразователи, преобразователи напряжение-частота и
частота-напряжение — все они находятся на границе между аналоговым и цифровым
мирами.
Таймеры
Схема таймера состоит из компаратора и логических элементов, в
основе функционирования которых заложены аналоговые принципы.
Генератор частоты в сочетании с каскадом делителя выдает импульсы
любой длительности, — от долей секунды до нескольких часов. В
технических описаниях микросхем таймеров указывается необходимость
использования резисторов с сопротивлением менее 20 МОм. Если
схема не соответствует этому требованию, можно построить таймер на
комплементарном МОП компараторе или комплементарном МОП
операционном усилителе, которые допускают работу с резисторами
более 100 МОм.
В целях предотвращения неисправностей в таймерах особое
внимание следует уделять току утечки на печатную плату и току утечки в
разъеме. Поэтому рекомендуется применять небольшой конденсатор
высокого качества.
Следует заметить, что микросхемы таймера одного типа работают
неодинаково. Поэтому при замене одной микросхемы на другую может
потребоваться внести в схему изменения. Кроме того, следует
учитывать, что у таймеров одного типа от разных производителей разные
внутренние схемы.
ГЛАВА 10

Погрешности параметров сигнала
Цифровые интегральные схемы
в аналоговых схемах
Большинство классических цифровых интегральных схем
предназначены для выполнения только логических функций. Однако некоторые
из них применяются и для аналоговых операций. Например,
микросхему CD4066 можно использовать в качестве аналогового
переключателя с очень низким током утечки, а 74С74 — в качестве фазового
детектора.
При использовании цифровых интегральных схем в аналоговых
схемах и для аналоговых функций рекомендуется подключать их к
питанию через шунтирующие керамические конденсаторы с номиналом от
0,02 до 0,2 мкФ или даже до 1,0 мкФ для каждой микросхемы плюс
танталовый конденсатор с номиналом от 2,0 до 10,0 мкФ для каждой
группы интегральных схем (от двух до четырех штук). Керамические
конденсаторы осуществляют хорошую высокочастотную защиту, а тан-
таловые конденсаторы хорошо компенсируют самовозбуждение шины
питания.
Неиспользуемые входы интегральных схем
В логических микросхемах ТТЛ незадействованные входы можно
оставлять в свободном состоянии, — микросхема будет работать без сбоев.
Однако в КМОП микросхемах неиспользуемые входы необходимо
соединить с положительной шиной питания или с землей. Иначе могут
возникнуть внутренние сбои микросхемы, а в логических микросхемах
еще и их нагрев.
В цифровых электронных схемах иногда используются линии
передачи данных длиной от 50 до 75 см. При этом надо учитывать, что такая
линия работает как резистор с сопротивлением 75 Ом. Поэтому на
одном или на двух концах шины стоят резисторы для обеспечения
демпфирования и понижения помех. В аналоговых схемах рекомендуется
поступать таким же образом.
Погрешности параметров сигнала
В цифровых схемах предъявляются высокие требования к длительности
сигнала и к задержке выходного сигнала относительно входного
сигнала. Например, если на вход мультивибратора поступал сигнал высокого
уровня до прихода синхроимпульса, то выход по фронту
синхроимпульса переходит на высокий уровень. Если на вход поступает сигнал высо-

Глава 10. На границе между аналоговой и цифровой электроникой
кого уровня сразу после прихода синхроимпульса, то выход по фронту
синхроимпульса переходит на низкий уровень. Но если на вход
поступает сигнал высокого уровня в запрещенный отрезок времени, то выход
мультивибратора переходит в состояние нестабильности, — он
колеблется между высоким уровнем и низким уровнем в течение нескольких
наносекунд. Кроме того, когда входные сигналы поступают на вход
раньше или позже, то на выходе происходит сужение сигнала.
Рис. 10.1. Принципиальная схема аналогово-цифрового преобразователя:
а — при использовании одного мультивибратора возможны изменения
длительности выходного сигнала; б — использование двух
мультивибраторов с раздельной синхронизацией позволит получать выходной
сигнал необходимой длительности.
' длительность выходного
импульса пропорциональна
входному напряжению
длительность выходного
импульса пропорциональна
входному напряжению

Погрешности параметров сигнала 117
Рис. 10.2. На вход цифровой
микросхемы поступает сигнал
от операционного усилителя
через резистивный
аттенюатор. С помощью приведенных
уравнений можно рассчитать
соотношение сопротивлений
резисторов.
Если такой узкий сигнал будет поступать далее по схеме на другой
мультивибратор или счетчик, то их работа будет некорректна. Поэтому
в цифровых электронных схемах очень важно предотвратить эффект
изменения длительности выходного сигнала. На рис. 10.1, а представлен
мультивибратор в схеме аналогово-цифрового преобразователя. В этой
схеме могут возникать проблемы изменения длительности выходного
сигнала. Сигналы с таким дефектом могут быть причиной
нелинейности и искажений преобразователя. На рис. 10.1, б представлена схема
аналогово-цифрового преобразователя с двумя мультивибраторами, в
которой не будет проблем изменения длительности выходного сигнала.
На границе между аналоговой частью схемы и цифровыми
микросхемами необходимы определенные согласования. Например, питание
LM324 составляет 5 В, поэтому выход этой микросхемы не может
повредить цифровую КМОП микросхему. А вот питание операционного
усилителя составляет ± 5 В или ± 10 В, поэтому необходимо
предпринять меры по ослаблению выходного сигнала операционного
усилителя, то есть предусмотреть резистивную защиту входов цифровой КМОП
микросхемы (рис. 10.2).
Следует помнить, что входы цифровых микросхем нельзя
перегружать. Поэтому, во многих микросхемах есть встроенные диодные
фиксаторы уровня. Например, на рис. 10.3 представлен импульсный
генератор, который может подать на шину импульсы более 6 В. Они могут
повредить входы других микросхем. Поэтому рекомендуется изменить
схему, как показано на рис. 10.4.
операционный усилитель
или компаратор (LM339,
LM324 или аналогичный
компонент)

Глава 10. На границе между аналоговой и цифровой электроникой
Рис. 10.3. Импульсный генератор на КМОП логике:
а — принципиальная схема; б— уровни и форма сигналов на генераторе.
Цифровые схемы и зонды осциллографа
При просмотре сигналов в цифровых схемах необходимо
предпринимать определенные меры предосторожности. Если пользоваться
обычным И пФ зондом осциллографа, то на экране осциллографа будет
наблюдаться всплеск напряжения до 0,4 В по фронту импульса. Чтобы
защитить микросхему от перегрузки, рекомендуется измерения
сигнала производить через аттенюатор, как показано на рис. 10.5. Такое

Неисправности цифро-аналоговых преобразователей 119
Примечание: все элементы — КМОП
Рис. 10.4. Импульсный генератор на КМОП логике с ограничением
уровня выходного сигнала:
а — добавленные резисторы ограничивают уровень выходного сигнала;
б — использование диодных фиксаторов эффективнее; в —
использование логических ячеек И-НЕ в схеме импульсного генератора — самое
лучшее решение по ограничению уровня выходного сигнала.
приспособление просто сделать, и оно Вам поможет защитить схему
при ее тестировании и, разумеется, иметь достоверную информацию о
ее работе.
Неисправности цифро-аналоговых
преобразователей
Цифро-аналоговые преобразователи относительно простые устройства,
и, как правило, прекрасно функционируют. Если производитель
изготовил компонент качественно, и если эксплуатировать его без
перегрузок, то проблем практически он не создает. Единственное исключение —
цифро-аналоговый преобразователь может быть источником шума.

Рис. 10.5. Обыкновенный высокоимпедансный зонд осциллографа
вынуждает микросхему ТТЛ логики повышать напряжение
выходного сигнала. Рекомендуется использовать аттенюатор с
конденсатором 1 пФ.
В технических описаниях большинства цифро-аналоговых
преобразователей не указываются такие параметры, как подавление
высокочастотных шумов и помех от неожиданных всплесков напряжения
питания. В некоторых случаях они могут подавлять шумы постоянного тока
от 80 до 100 дБ, но высокочастотные шумы они пропускают.
В прецизионных электронных схемах рекомендуется применять
разделение регулятора напряжения питания от цифро-аналогового
преобразователя, выводы питания микросхемы подключать через
шунтирующие керамические или танталовые конденсаторы. И, конечно,
цифровой сигнал на вход преобразователя нужно подавать через буферные
схемы, чтобы не было шумов, искажений, задержек. Иначе дефекты
входного сигнала внесут ошибку в выходной аналоговый сигнал
преобразователя.
Источником искажений аналогового сигнала на выходе
преобразователя может служить также ток утечки на печатную плату и разъем
интегральной схемы. Если требования к выходному сигналу очень
высоки, то рекомендуется протестировать преобразователь на наличие тока
утечки и разъем с помощью прототипа.
Универсальны и очень популярны перемножающие
цифро-аналоговые преобразователи. Однако следует учитывать, что погрешность
линейности таких преобразователей составляет 0,01 % на каждый 1 мВ
напряжения смещения выходного усилителя. Другим недостатком
перемножающих цифро-аналоговых преобразователей является зависимость
его частотной характеристики от кода на входе преобразователя.
Разница в коэффициенте усиления может достигать 0,2 %. Кроме того, также
в зависимости от кода на входе меняется фаза выходного сигнала.
Разница может достигать 2°.
Глава 10. На границе между аналоговой и цифровой электроникой

высокочастотный
осциллограф

Неисправности аналогово-цифровых преобразователей 121
Неисправности аналогово-цифровых
преобразователей
Аналогово-цифровые преобразователи, также как цифро-аналоговые
преобразователи, прекрасно функционируют и проблем практически не
создают. Но они также могут быть источником шума. Если аналоговый
Рис. 10.6. Рекомендуемая проверка аналогово-цифрового преобразователя:
а — принципиальная схема; б — шум не влияет на выходной сигнал
преобразователя; в — допустимое влияние шума на выходной сигнал;
г — недопустимое влияние шума на выходной сигнал.

Глава 10. На границе между аналоговой и цифровой электроникой
сигнал с одного уровня на другой проходит медленно, код на выходе
преобразователя является вполне корректным. Однако, если на вход
поступает шум или помеха, то на выходе может появиться код, которого
не должно быть. Допустимый уровень шума хороших преобразователей
не должен превышать 0,1 или 0,05 LSB.
Так как в технических описаниях аналогово-цифровых
преобразователей не указываются параметры допустимого шума, то
рекомендуется схема для тестирования влияния шума на выходной
сигнал (рис. 10.6).
Следует также заметить, что в технических описаниях
аналогово-цифровых преобразователей не указывается, как использовать или
тестировать преобразователь. Обратите внимание, что земля
аналогового сигнала, земля питания аналоговой части схемы и земля
цифровой части схемы должны быть соединены в одной специальной
точке с выводом «земля» преобразователя. Иначе он не будет
работать.
Проектирование систем
с аналогово-цифровыми
преобразователями
При проектировании систем, в состав которых входит
аналогово-цифровой преобразователь, необходимо внимательно не только читать
техническое описание компонента, но и изучать принципиальную схему
микросхемы. Часто схемотехник, выполнив все требования
технического описания, получает неработающий преобразователь. И причиной
этого всегда бывает то, что не изучена внутренняя схема устройства.
Например, в некоторых модификациях аналогово-цифровых
преобразователей входным каскадом является преобразователь напряжение-
ток, который обеспечивает подавление шумов на полосе пропускания
и смещение постоянного тока между заземлениями. Проектируя
систему с таким преобразователем, необходимо учитывать эту схемную
особенность.
Следует выполнять общее для всех аналогово-цифровых
преобразователей требование: питание каждого преобразователя должно быть
отдельным. То есть возле каждого преобразователя должен быть свой
регулятор напряжения питания. Рекомендуется применять такие регуляторы,
как LM320L15, //А78105, LM317L, которые характеризуются
стабильностью параметров на высокой частоте.
Необходимость раздельного питания для каждого аналогово-циф-
рового преобразователя и, как следствие, требование персонального
регулятора напряжения питания обусловлено тем, что множество соеди-

Преобразователи напряжение—частота и частота—напряжение
нений с землей образуют там циркуляцию токов, которые попадают в
цепь питания. Если не разделить эти соединения, то цепь земли в виде
петли будет причиной перекрестных наводок, помех между различными
частями схемы, — низковольтной аналоговой, высоковольтной
аналоговой и цифровой частями. Нельзя создавать петлю заземления!
Впрочем, это мнение автора. Некоторые инженеры считают, что это вопрос
дискуссионный.
Внутренние схемы некоторых модификаций аналогово-цифровых
преобразователей в качестве выходного каскада содержат буферные
схемы. В других модификациях их нет. Поэтому, изучив
принципиальную схему преобразователя, в системе с аналогово-цифровым
преобразователем необходимо на выходе преобразователя проектировать (или
не проектировать) внешний буфер. В случае, если буферной схемы на
выходе преобразователя не будет ни внутри, ни снаружи, то нагрузка
будет причиной нестабильности, шума и даже разрушения
преобразователя.
Таким образом, проектирование систем с аналогово-цифровыми
преобразователями совсем не простое дело.
Преобразователи напряжение—частота
и частота—напряжение
Преобразователь напряжения в частоту более популярен, чем аналого-
во-цифровой преобразователь, особенно когда требуется изоляция
аналогового входа от цифрового выхода. Кроме того, если выходной сигнал
преобразователя будет проходить через оптрон, то можно легко достичь
изоляции различных систем заземления.
Преобразователи напряжения в частоту обладают достаточной
линейностью и приемлемым температурным коэффициентом.
Высокочастотные преобразователи напряжения в частоту стоят дороже тех,
которые работают на более низких частотах.
Преобразователи частоты в напряжение часто используются как
тахометры. В сочетании с преобразователем напряжения в частоту и опт-
роном преобразователь частоты в напряжение является хорошим
изолятором напряжения в аналоговых системах.
Преобразователи частоты в напряжение имеют такую же линейность,
как и преобразователи напряжения в частоту, и такой же
температурный коэффициент. Поэтому в схемах каскады из сочетаний этих
преобразователей после небольшой настройки работают без проблем.
Для увеличения частоты полосы пропускания преобразователя
частоты в напряжение и для снижения искажения выходного напряжения
рекомендуется применять фильтры.

Глава 10. На границе между аналоговой и цифровой электроникой
Схемы выборки и хранения
Схемы выборки и хранения используется, например, в том случае, если
после преобразования напряжения в частоту возникает необходимость
реконструкции формы сигнала в цифровом виде. Перед обработкой
сигнала аналогово-цифровым преобразователем применяется схема
выборки и хранения. Проектирование таких схем очень сложное и
требует больших усилий. Обычно приходится использовать гибридные
схемы. Основной проблемой схем выборки и хранения является
остаточная поляризация диэлектрика конденсатора хранения. Например, если
в схеме выборки и хранения требуется получить определенный
уровень напряжения в течении 5 мкс и удерживать его в течении 500 мкс,
то уровень напряжения следующего сигнала может отличаться от
истинного значения на 2—3 мВ. Из этих соображений рекомендуется в
схемах выборки и хранения использовать дорогие тефлоновые
конденсаторы, у которых показатели остаточной поляризации в 3—5 раз
ниже, чем у других типов конденсаторов. Кроме того, рекомендуется
применять дополнительные схемы компенсации остаточной
поляризации конденсатора.
Как правило, к схемам выборки и хранения предъявляются еще
требования минимизации шума. Существуют микросхемы с
дополнительными узлами минимизации шума, но они дороже остальных схем
выборки и хранения.
Время перехода от режима выборки
к режиму хранения
При проектировании электронной системы со схемой выборки и
хранения необходимо учитывать время перехода от режима выборки к
режиму хранения, которое указывается в техническом описании
микросхемы. Иначе на выходе схемы будет некорректный сигнал.
С целью достижения устойчивой работы схемы рекомендуется
обеспечить задержку входного сигнала, которая бы превышала время
перехода от режима выборки к режиму хранения. Обычно 1 не бывает
достаточно.
Время обнаружения
Еще один вид неисправности, которая встречается в схемах выборки и
хранения, возникает из-за несоблюдения такой характеристики
микросхемы, указанной в техническом описании, как время обнаружения.
Данный параметр указывает на необходимость соблюдения
определенной длительности выходного сигнала, чтобы эффективно производить
функцию выборки и хранения.

Аналоговый мультиплексор
Аналоговый мультиплексор
Аналоговый мультиплексор является, по сути, аналоговым
переключателем. Он способен поддерживать большой сигнал во время
переключения. Однако не рекомендуется перегружать мультиплексор в этом
аспекте для предотвращения его разрушения.
Как и у всех аналоговых переключателей, причиной неисправной
работы схемы с аналоговым мультиплексором могут служить его ток
утечки, сопротивление в открытом состоянии и время срабатывания.
В зависимости от конкретных условий функционирования
аналогового мультиплексора, рекомендуется предпринимать соответствующие
меры предотвращения неисправностей. Например, тестировать каждую
конкретную микросхему на величину тока утечки.
Следует заметить, что популярные аналоговые мультиплексоры
CD4051, CD4053 и КМОП мультиплексор CD4066 обладают достаточно
высоким быстродействием и низким током утечки.

ГЛАВА 11
ОПОРНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ.
НЕИСПРАВНОСТИ
В РЕГУЛЯТОРАХ
Опорное напряжение — это основа функционирования регуляторов. Если
внимательно спроектировать источник опорного напряжения, то
регулятор будет работать без проблем.
Создание опорного напряжения основывается чаще всего на
применении схем с запрещенной зоной. Но самый лучший способ
создания опорного напряжения — это использование стабилитронов. Если
питание в схеме с регулятором составляет от 8 до 12 В, то рекомендуется
использовать для создания опорного напряжения такие стабилитроны,
как LM329, LM399, LM369, которые обеспечивают высокую
стабильность, низкий уровень шума и низкий температурный коэффициент.
Если питание в схеме с регулятором составляет от 1,1 до 8 В, то
рекомендуется для создания опорного напряжения использовать схемы с
запрещенной зоной.
Регуляторы
Регуляторы довольно-таки просты и понятны. В основном, в схемах с
ними не бывает проблем. Чаще всего неисправность регулятора
вызвана недостаточным теплоотводом. Поэтому при неправильной работе
регулятора рекомендуется, прежде всего, проверить, правильно ли
выбран радиатор для него.
Неисправность регулятора может быть вызвана также тем, что не
было обеспечено достаточное, указанное в техническом описании,
выходное шунтирование. Для большинства отрицательных регуляторов и
для некоторых регуляторов других типов требуется электролитный
шунтирующий конденсатор между выходом и землей. Если использовать
танталовый электролитный конденсатор, то его номинал должен быть
1 или 2 мкФ, если алюминиевый электролитный конденсатор — от 20
до 100 мкФ. Следует запомнить, что пленочные или керамические
конденсаторы работать не будут, так как их сопротивление очень мало.
Казалось бы, что если поставить пленочный или керамический
конденсатор и последовательно с ним резистор, то схема будет идентична схеме
с электролитным конденсатором. Однако это не так. При температуре
выше комнатной эти конденсаторы будут плохо работать, и в
регуляторе могут самовозбуждаться.

Комплексная нагрузка
Проблема с регулятором может возникнуть, если для увеличения
выходного тока в схеме применяется транзистор. Так как транзистор
обладает коэффициентом усиления постоянного тока, то необходимо
добавить на выходе регулятора фильтрующий конденсатор большого
номинала для предотвращения генерации. В технических описаниях
регуляторов обычно указывается требуемая величина емкости такого
конденсатора и рекомендуемый тип транзистора.
Допустимое напряжение
Чтобы не вывести регулятор из строя, необходимо соблюдать
требования по максимально допустимому напряжению на входе. Поэтому, если
нагрузка или источник тока обладают индуктивностью, необходимо
обеспечить отвод тока в случае изменения нагрузки из-за этой
индуктивности. Например, если использовать регулятор LM350 как простое
зарядное устройство для батарей с фильтрующим конденсатором в
несколько микрофарад на входе, то высока вероятность короткого
замыкания между выходом и землей из-за индуктивности трансформатора.
Регулятор сгорит. В этой схеме необходим конденсатор 1000 мкФ на
входе регулятора.
У большинства регуляторов уровень шума составляет 0,01 %.
Однако в схемах наблюдается обратная зависимость уровня шума от частоты.
Кроме того, производители обычно не тестируют регуляторы на
уровень шума и не гарантируют его. Поэтому рекомендуется при выборе
типа регулятора наряду с другими характеристиками протестировать
конкретную микросхему на уровень шума.
Комплексная нагрузка
Комплексной нагрузкой для электронной схемы с регулятором может
служить, например, нагрузка 200 Ом, удаленная на большое
расстояние 700 м и соединенная со схемой коаксиальным кабелем RG174U.
Естественно, тестирование схемы нужно проводить при нагрузке,
находящейся сразу после схемы, и при удаленной нагрузке. Результаты
тестирования работы схемы с нагрузкой без кабеля должны давать
превосходные результаты. При усложнении нагрузки схема дает большие
искажения выходного сигнала и шум. Чтобы решить проблему, нужно
сделать макет нагрузки. Таким макетом может быть операционный
усилитель. Следует учесть при этом, что если источник питания
регулятора резистивный, то рассеивание энергии будет в три — четыре раза
выше.
Необходимо знать еще одну странность регуляторов: они прекрасно
работают при —55 °С, при +125 °С (границы допустимого
температурного диапазона по техническому описанию) и при комнатной температу-

128 Глава 11. Опорное напряжение. Неисправности в регуляторах
ре, но на некоторых промежуточных температурах показывают плохие
результаты. И это свойство нигде в официальных документах не
отмечается. Дело в том, что производители тестируют свои микросхемы на
экстремальных температурах и при комнатной температуре. Поэтому
рекомендуется тестировать конкретный тип регулятора, который нужно
использовать в схеме, на приемлемость его работы в том температурном
диапазоне, в котором реально будет работать схема.
Регуляторы с импульсным управлением
Регуляторы с импульсным управлением предназначены для работы в
смарт-системах. Как правило, такие системы состоят из
трансформатора, силового транзистора, одной или более управляющих интегральных
микросхем и некоторого количества пассивных компонентов.
Переключатель в такой системе должен обладать как минимум следующими
параметрами переключения: несколько вольт за микросекунду и
несколько ампер за микросекунду. Кроме того, в состоянии покоя у него
практически не должно быть емкости и индуктивности, чтобы переключатель
не стал источником шума. В качестве управляемого переключателя с
такими свойствами в смарт-системах используются интегральные
микросхемы регуляторов с импульсным управлением, такие, например, как
LM2575, LM2576, LM2577, LM2578.
Регуляторы, работающие
на разных уровнях мощности
Регуляторы, работающие на различных уровнях напряжения,
являются модификацией регуляторов с импульсным управлением. На
низких уровнях мощности выходные параметры таких микросхем таковы:
V^. = 1,9^, V^ = -0,9Fm. и К.. = 0,45ГЮ,
Проектирование и производство таких регуляторов относительно
простое. Однако для мощностей порядка 100 Вт проектирование
регуляторов очень сложное: в микросхемах используются двухтактные
схемы, схемы с прямым смещением и проч. Для очень высоких мощностей
применяются мостовые схемы регуляторов. Наиболее эффективным
способом регулирования будет токовое регулирование.
Ограничения по току являются основной проблемой регуляторов
данного типа. Выбор чувствительного резистора очень затруднен, так
как резисторы обладают некоторой индуктивностью. Учитывая то, что
управление такими регуляторами осуществляется в импульсном
режиме, проектировать и тестировать схемы по току надо очень тщательно.
Если произойдет превышение лимита тока, то выходной фильтрующий
конденсатор быстро зарядится, ток на индуктивности будет способство-

Регуляторы, работающие на разных уровнях мощности
129
Рис. 11.1. Схема регулятора на 15 В и 0,5 А с пошаговым увеличением. Предусмотрено плавное включение регулятора
и надежное восстановление готовности схемы к последующим стартам.

Глава 11. Опорное напряжение. Неисправности в регуляторах
вать насыщению, что в свою очередь дополнительно увеличит сигнал на
выходе. Это может привести, особенно при мощности высокого уровня,
к сгоранию предохранителей, транзисторов, проводов, выключателей.
Схема регулятора на 15 В и 0,5 А с пошаговым увеличением на базе
LM3524 представлена на рис. 11.1. Чтобы предотвратить насыщение
трансформатора, в схеме необходимо использовать плавное включение.
Эту функцию выполняют Cj и Dr Резистор R{ — 470 кОм предотвращает
скачок напряжения на конденсаторе С1 из-за резкого увеличения
напряжения на входе регулятора (во время прихода управляющего
импульса) в начале рабочего цикла. Диод D2 помогает быстро разрядиться
конденсатору Сх в тот момент, когда напряжение на входе регулятора
падает. Это очень важно для того, чтобы следующее включение было
достаточно плавным.

ГЛАВА 12
НЕУСТОЙЧИВЫЕ
НЕИСПРАВНОСТИ
Самые сложные для обнаружения и устранения неисправности в
электронных схемах это те, которые проявляются периодически. Причем, когда
инженер смотрит на схему, она работает без неисправностей, — законы
Мэрфи очень сильны в электронике.
Техника обнаружения причины
неустойчивой неисправности
Чтобы обнаружить причину неустойчивой неисправности,
рекомендуется определенная последовательность действий:
1. Сначала необходимо выявить какую-либо зависимость появления
неисправности: от времени суток, от напряжения в сети, от фазы луны
(это не шутка) или еще чего-нибудь.
2. Неплохо бы попросить кого-нибудь специально понаблюдать за
схемой, чтобы выявить какие-нибудь дополнительные корреляции
неисправности. Чем больше будет таких помощников, тем больше
информации можно получить.
3. Нужно организовать некоторые воздействия на схему, которые
привели бы к проявлению неисправности. Например, нагреть схему или
охладить ее, или приложить небольшую вибрацию, или механический
удар. Может быть, какое-то из этих действий поможет
идентифицировать неисправность и найти решение.
4. Установить осциллограф с памятью или простую систему сбора
информации для того, чтобы зафиксировать и сохранить параметры
неустойчивой неисправности. В зависимости от типа аппаратуры
сохранятся данные либо до неисправности, либо после неисправности, либо
оба варианта.
5. Нелишней будет консультация с коллегами. Возможно, они
подскажут если не причину неисправности, то новый тест, который
поможет определить причину неисправности.
6. Возможно, нужно произвести специализированные измерения и
поискать специализированное оборудование. Хороший способ
обнаружения неустойчивой неисправности — это сделать дубликат схемы или
оборудования. Обычно в процессе изготовления и тестирования
дубликата выявляются ошибки проектирования или расчетов, которые и
приводят к неисправности. В некоторых случаях причиной неустойчивой
неисправности служит небольшое нарушение режимов эксплуатации.

132 Глава 12. Неустойчивые неисправности
При современном развитии компьютерных технологий,
разрабатываются и применяются методы автоматизированного проектирования и
анализа аналоговых электронных схем. В состав таких комплексов
входит имитация неисправностей схем. Системы анализа аналоговых схем
разрабатывают карту напряжений в схеме во временной и
температурной зависимости. Предусмотрена возможность модификации и
подстройки схемы. Поэтому обнаружение неустойчивой неисправности можно
производить на таких компьютерных системах. Преимущества этого
метода:
1. Не нужно копаться в реальной схеме с неисправностью.
2. Не нужно формулировать правильные вопросы.
3. Вы получаете распечатку ошибок в схеме, инструкции и прочее.
4. Оперативность анализа. Спроектированная неправильно схема без
компьютера обычно дорабатывается месяцами.
5. С помощью компьютера можно легко учесть в расчетах влияние
помех, паразитной емкости компонентов, емкость печатной платы и
индуктивность проводов.
6. Можно получить рекомендации по предотвращению
неисправностей в том или ином типе схем.
Следует заметить, однако, что иногда проблемы в схемах
возникают, если полагаться только на результаты компьютерного анализа
схемы. Если при проектировании «вручную» можно собрать макет и
проверить расчеты измерениями, то компьютер это не может сделать.
Использование статистических методов
Как известно, компьютерный анализ вообще основывается на
математических методах, в том числе и на статистических. Автор считает, что
использование статистических методов в компьютерном анализе
электронных схем более чем бесполезно, — оно абсурдно. Однако многие
инженеры-разработчики автоматизированных систем тестирования
электронных схем все время пытаются внедрить их в практику. Поэтому,
когда Вы будете выбирать, с помощью какой автоматизированной
системы протестировать схему (особенно схему с неустойчивой
неисправностью), поинтересуйтесь, какая математика в ней заложена.
Аналоговые измерительные приборы
Все знают, что точность аналоговых измерительных приборов
отличается от точности цифровых измерительных приборов, — она выше. Тем
не менее, при использовании аналоговых измерительных приборов
необходимо знать их особенности.
Калибровка аналоговых измерительных приборов производится на
полную шкалу, однако, для малых сигналов точность измерения может

Цифровые измерительные приборы
быть ниже из-за нелинейности внутренней схемы прибора. Поэтому
рекомендуется сделать собственную шкалу для корректировки этой
нелинейности.
Кроме того, на точность измерения могут влиять трение и
гистерезис в аналоговом приборе. Для минимизации влияния трения в лучших
аналоговых измерительных приборах используются специальная
подвеска в механической части прибора и некоторые специальные приемы
снижения трения. Поэтому с аналоговыми измерительными приборами
необходимо обращаться очень бережно. Если его потрясти, постучать
по нему или повертеть его, то вы убедитесь, что при неоднократном
измерении одной и той же величины какого-нибудь параметра он
станет показывать разные значения. А если уронить его, то после этого
нельзя будет рассчитывать не только на его точность, но и на
способность выполнять свои функции. Таким образом, нужно всегда помнить
об особой чувствительности аналоговых измерительных приборов к
своему положению. Конечно, обращаться с цифровыми измерительными
приборами гораздо проще, и при обычных измерениях удобней
пользоваться ими. Но, например, измерить максимальное напряжение шума
можно только с помощью аналогового измерительного прибора.
Еще одну проблему аналоговых измерительных приборов
необходимо знать и учитывать: они обладают изменяющимся импедансом. Это
обусловлено изменением его индуктивности на несколько сотен
миллигенри с увеличением частоты.
Цифровые измерительные приборы
Не смотря на то, что точность аналоговых измерительных приборов выше,
точность цифровых измерительных приборов достаточно высока и они
не столь требовательны в обращении с ними. Поэтому повсеместно на
всех устройствах и оборудовании, в состав которых входили
измерительные приборы, аналоговые измерительные приборы заменяются
цифровыми.
Цифровые вольтметры, например, значительно упростили
автоматизированные системы отслеживания данных и за счет своего
быстродействия повысили их точность. Быстродействие цифровых
измерительных приборов позволило создать качественные системы
последовательной аппроксимации и схемы рециркуляционного преобразования.
Однако не следует автоматически считать, что измерение
обязательно корректное, потому что оно «цифровое». Например,
гарантированная точность цифровых вольтметров не является таковой для
измерений на очень маленьких сопротивлениях, на очень больших
сопротивлениях, на низких напряжениях переменного тока, на низких частотах
и на высоких частотах.
У большинства цифровых вольтметров достаточно высокий входной
импеданс, 10000 МОм, для малых сигналов. Однако, если в приборе

134 Глава 12. Неустойчивые неисправности
есть автоматическая, настройка диапазона измерения, при
автоматическом переключении на более высокий диапазон входной импеданс
переключится на 10 МОм. Естественно, это снизит точность измерения, и,
кроме того, не известно, при каком входном импедансе проводилось
измерение. Случается, что приходится производить повторные
измерения с помощью других приборов. Рекомендуется при выборе типа
цифрового вольтметра внимательно изучить все его возможности, особенно
наличие режима автонастройки диапазона измерения.
В целом для повседневной работы цифровые вольтметры — это очень
мощный и полезный инструмент, обладающий высокой точностью,
линейностью и разрешающей способностью. Автору особенно
понравились НР3455, НР3456 и НР3457.
Источники сигнала
Для проверки компонентов и схем всегда нужен очень важный
инструмент — функциональный генератор, с помощью которого можно
формировать любой сигнал. Как правило, на выходе функционального
генератора можно получить синусоиду, треугольный сигнал,
прямоугольный сигнал и цифровые импульсы. Естественно, к качеству выходных
сигналов функционального генератора высокие требования. Однако не
существует, в принципе, схем, которые вырабатывали бы сигнал
абсолютно правильной формы. Искажения выходного сигнала
функционального генератора особенно заметны на высоких частотах. Поэтому
рекомендуется ставить на выходе функционального генератора активный
фильтр для низких частот или LC-фильтр для высоких частот, если
необходимо работать с синусоидой. Если нужно получить чистый
прямоугольный сигнал, то на выходе функционального генератора ставится
усилитель-ограничитель или диодный аттенюатор (рис. 12.1).
Наиболее часто встречающаяся неисправность функциональных
генераторов — это кнопка. Как известно, кнопки рассчитаны на
определенное количество включений/выключений.
Методологические ошибки
Некоторые инженеры при построении систем пытаются собрать все и
подключить к питанию. Как правило, система в этом случае не
работает. Рекомендуется собирать систему кусками и тестировать каждый
модуль. Если модуль не работает, то, поставив его в систему, нельзя ждать
ее функционирования. Необходимо отладить собранный модуль и
убедиться, что он работает исправно на протяжении некоторого времени.
Далее можно приступать к сборке и тестированию следующего модуля.
Однако, собрав вместе несколько работающих модулей, можно
получить неработающую часть системы. Чаще всего это бывает из-за поте-

Методологические ошибки 135
Рис. 12.1. Принципиальные схемы устройств, с помощью которых
прямоугольный сигнал функционального генератора становится
более правильной формы:
а — усилитель с ограничением; б — диодный аттенюатор.

136 Глава 12. Неустойчивые неисправности
рянного конденсатора на границе каскадов. Но иногда бывает, что
концепция всей системы является ошибочной. Разумеется, это станет ясно
не сразу. Много времени и усилий будет потрачено на выяснение,
почему не работает? Что надо изменить, чтобы система заработала?
Системы и схемы
Когда разрабатывается система, ее обычно делят на подсистемы и
отдельные схемы и распределяют проектирование между различными
людьми. Очень важным аспектом такой работы является планирование. Если
разделение системы было произведено неверно, то некоторые
подсистемы будет очень легко спроектировать, а некоторые просто
невозможно. Такие ошибки разделения системы — не теория, а факт. А если
работают все подсистемы кроме одной, то вся система в целом,
возможно, неправильная.
Чтобы предотвратить ошибки и неверные предположения, очень
важно при проектировании системы организовать постоянные
консультации всех разработчиков.
Как осуществить подстройку схемы
без подстроенного резистора
Часто в схемах используются подстроечные резисторы для того, чтобы
схема работала с заданными характеристиками. Однако следует
помнить, что переменные резисторы обладают некоторым дрейфом, они
ненадежные и дорогие. Кроме того, очень часто встречаются ошибки
регулирования переменного резистора, — скользящий контакт
передвигается не в ту сторону, и образуется короткое замыкание. Поэтому
рекомендуется для подстройки схемы использовать регулятор
фиксированного напряжения, на выходе которого всегда допустимое
напряжение.
Для настройки регулятора можно применять «резаную настройку»,
принципиальная схема которой представлена на рис. 12.2. Эта схема
позволяет осуществлять пошаговую настройку, при этом шаг настройки
составляет 1 % номинального напряжения регулятора. Следует
заметить, что эту схему можно использовать для регулировки коэффициента
усиления интегратора и для регулирования смещения в усилителях. Схема
«резаной настройки» имеет свои трудности: очень сложно подобрать
корректные номиналы резисторов, и поэтому сложно добиться
необходимой величины настроечного напряжения. Но все-таки это проще, чем
осуществлять подстройку переменным резистором.
Если все-таки в схеме применяется переменный резистор (рис. 12.3, а),
то рекомендуется применять суженный диапазон регулирования. На
рис. 12.3, б схема испытания питания микросхем ТТЛ логики.

Как осуществить подстройку схемы без подстроенного резистора 137
Рис. 12.2. Если возникают проблемы с переменным резистором, можно
вместо потенциометра использовать эту подстроечнеую схему.
Выходное напряжение схемы составляет 22 В. Точность
установки выходного напряжения — 1 %. Данную схему можно
применять в любой системе для обеспечения определенного
напряжения. Величина выходного напряжения зависит от
сопротивления резистора.
Рис. 12.3. а — причиной неточности подстройки является чрезмерный
диапазон переменного резистора; б— схема подстройки на ТТЛ
работает более стабильно и точно за счет снижения диапазона
регулирования.
LM317
' LM317
LM317
LM350
или
LM338

Глава 12. Неустойчивые неисправности
Беспаечные печатные платы
Беспаечные печатные платы состоят из некоторого количества шин и
беспаечных разъемов, спрятанных под пластиковой панелью с
отверстиями. Используются они для практических занятий по электронике в
учебных заведениях. На таких платах безпаечным методом, вставляя в
гнезда компоненты и провода, можно собрать любую электронную
схему и продемонстрировать ее работу.
В схемах на беспаечной печатной плате много проблем, — большая
паразитная емкость между печатными проводниками, неадекватное
напряжения питания из-за длинных проводов, недостаточное резистив-
ное сопротивление изоляции пластика. Следовательно, их можно
использовать только в учебном процессе, а не в реальной работе.

ГЛАВА 13
ПРИМЕРЫ ОБРАЩЕНИЙ
К АВТОРУ С ВОПРОСАМИ
О НЕИСПРАВНОСТЯХ
Автору, как авторитетному специалисту по поиску неисправностей в
электронных схемах, приходит множество писем с просьбами
подсказать решение самых разных проблем. В этой главе представлена
подборка лучших вопросов из писем с ответами и комментариями автора.
I.
Уважаемый м-р Р. Пис!
1. Источником значительного шума в нашей лаборатории является
видео дисплей. Особенно когда работает на пару с низкочастотным
трансформатором.
2. Часть проблемы удалось снять применением низкочастотного
фильтра в аудио схемах и в схемах постоянного тока. Однако когда из
динамиков транслируется музыка, в телефонной сети помехи.
3. В нашей лаборатории потерпела неудачу попытка разобраться,
как работает схема перезапуска. Выяснилось только, что
последовательность импульсов на управление включением идет непрерывно.
4. Разработчики компонентов часто забывают рассчитывать
требуемую суммарную мощность питания и не указывают ее в технических
описаниях.
5. Я думаю, что компания Vishay производит очень точные и очень
стабильные резисторы. Намериваюсь проверить на них омметры.
6. Некоторые компании думают, что помогают разработчикам,
предлагая в аренду инструменты для калибровки лабораторных приборов.
7. Сотрудники потеряли зажим «земля» у зонда осциллографа,
новый зажим иногда закорачивает на питание. Пришлось купить кучу
зажимов.
8. Иногда получается, что, добавив зонд осциллографа в
многофункциональную схему, схема начинает работать. Зонд добавляет в схему
некоторую емкость и устраняет генерации. В плавающих КМОП—
компонентах достаточно низкий импеданс по постоянному току зонда
заставляет сигнал опуститься на правильный уровень.
9. При тестировании плохо работающей схемы выяснилось, что
смещение постоянного тока в операционном усилителе плавает. Решено
было подсоединить цифровой вольтметр к операционному усилителю

Глава 13. Примеры обращений к автору
через коаксиальный' кабель, чтобы предотвратить шум. Естественно,
емкость коаксиального кабеля вызвала самовозбуждение
операционного усилителя.
10. Как правило, зонды производятся с учетом входной емкости
осциллографа. Поэтому не всегда можно зонд от одного осциллографа
использовать с другим осциллографом.
11. Для обнаружения перегрева компонента достаточно провести
рукой над схемой.
12. Компания Edmund Scientific выпускает термочувствительные
жидкокристаллические пластины для определения перегрева
компонентов в схеме. Очень удобный и надежный инструмент. Однако
применять его надо, если печатная плата, на которой собрана схема, уже
проверена и не является причиной перегрева.
13. Очень часто в чертежах схем и печатных плат недостает
обозначений очень важных вещей, таких как, например, полюсы и нули
фильтров. К чертежам нужно прилагать описания, в которых были бы
указаны нормальные значения переменного и постоянного напряжения в
определенных точках схемы, нормальная форма сигнала, нормальная
температура компонента и проч.
14. Генератор синусоидального сигнала с максимально
незначительными искажениями можно сделать из электровакуумной лампы
и операционного усилителя. На частотах 400, 1000 и 2800 Гц такой
генератор имеет суммарное искажение гармонических составляющих
ниже — 80 дБ.
15. Если величина постоянного тока в схеме изменяется, когда Вы
дуете на нее, то, скорее всего, печатная плата запылилась.
16. Когда тестируется схема для малых сигналов и с большим
коэффициентом усиления, рекомендуется повторить измерения при
выключенном свете. Можно будет убедиться, что многие компоненты схемы
являются фоточувствительными.
17. Защитные диоды снижают высокочастотные шумы и генерации.
18. Компания Technical Industries выпускает термальные зонды, с
помощью которых можно нагревать отдельные компоненты. Они
подходят для любых компонентов, в том числе и для больших резисторов,
операционных усилителей в металлических корпусах и DIP-корпусов
любого размера.
19. Некоторые схемы выборки и хранения восприимчивы к
скорости нарастания напряжения на цифровом входе.
20. Даже триггеры Шмита проявляют метастабильность.
21. В отношении аналоговых электронных схем можно
перефразировать одну пословицу: «Можно полностью доверять матери, но
никогда нельзя доверять заземлению».
22. Электронные схемы, собранные методом накрутки, работают
достаточно хорошо, если правильно распределить питание и
заземление.

Глава 13. Примеры обращений к автору
23. Иногда при использовании батарей в качестве питания
тестируемой схемы происходит разрыв петли земля и устранение шума на шине
питания.
24. Очень удобно использовать пассивный сдвоенный Т-образный
фильтр в корпусе Pomona с двумя зажимами типа банан для входа и
выхода.
25. Очень удобно также использовать высокоимпедансный
усилитель на 20 дБ в таком же корпусе (рис. 13.1).
26. Функция зависимости коэффициента ослабления синфазного
сигнала операционных усилителей от напряжения синфазного сигнала
не является постоянной.
27. Разработчикам электронных схем почему-то всегда очень
сложно реферировать свои разработки.
28. Во многих технических описаниях микросхем подробно
описывается внутренняя схема, но не описывается, как микросхема будет
функционировать как часть какой-либо схемы. А это было бы полезно.
Рой Маккэммон
Ответ автора
Уважаемый м-р Маккэммон!
Спасибо за письмо! Я прокомментирую его также по пунктам.
1. Мне не встречалась проблема шума из-за видео дисплея, но,
думаю, такой шум в некоторых случаях должен создавать большие
проблемы.
2. Вы правы. Я бы тоже рекомендовал применение фильтров
радиочастот.
3. Да, я верю Вам. Дело в том, что проектировщики схем обычно
стараются «засекретить» свои разработки.
4. Этому я верю тоже. В некоторых технических описаниях нет
данных о потребляемой мощности. Дело в том, что ток зависит от частоты
входного сигнала, и даже в ТТЛ на большой частоте ток больше, чем на
низких частотах.
5. Я уверен, что резисторы компания Vishay достаточно стабильны.
Я их тоже покупал для проверки. Думаю, в схемах, где важно применять
компоненты с низким температурным коэффициентом, нужно
использовать именно эти резисторы.
6. Я тоже считаю, что это спорный вопрос, — брать калибровочное
оборудование в аренду. В нашей лаборатории калибровочное
оборудование тоже требуется постоянно.
7. Да, части зондов имеют тенденцию исчезать. В нашей
лаборатории всегда есть запас зондов, мы стараемся избежать таких проблем,
как у Вас.
8. У меня нет аргументов против.

Глава 13. Примеры обращений к автору
Рис. 13.1. Принципиальная схема высокоимпедансного усилителя на 20 дБ для аудио частот. Пунктирной линией
обозначены очень полезные компоненты.

Глава 13. Примеры обращений к автору
9. Вы правы, присоединение куска коаксиального кабеля к выходу
операционного усилителя чаще плохо влияет на его работу, чем хорошо.
10. Это очень правильное утверждение по поводу зондов к
осциллографам. Иногда настройка осциллографа вообще не получается, и
причина этому - зонд от другого осциллографа.
И, 12. Этими приемами проверки перегрева мы тоже пользуемся.
13. В нашей компании все чертежи делаются очень тщательно, и все
необходимые описания предоставляются разработчиками.
14. В нашей лаборатории не использовалась схема генератора
синусоидального сигнала на основе электровакуумной лампы. Проблему
устранения искажений мы решаем применением фильтров.
15. Без комментариев.
16. Я согласен с Вами. В результате наших экспериментов мы
определили, что у одной и той же микросхемы, но в разных корпусах при
естественном освещении различные токи утечки, что свидетельствует о
фоточувствительности компонентов. Наилучшие показатели по защите
компонентов от влияния света на материал компонента зафиксированы
у корпусов типа DIP. Наихудшие показатели у ТО-99 и CERDIP.
17. Я никогда не видел такого влияния диодов. У вас, наверное,
никогда не было транзисторного радиоприемника.
18. Мы тоже используем такие зонды при поиске неисправностей.
19. Да, это верно. И в технических описаниях микросхем этого класса
указываются предельные значения скорости нарастания напряжения.
Рекомендую Вам внимательней читать технические описания.
20. Без комментариев.
21. Без комментариев.
22. У нас есть практика работы со схемами с накруткой. В них часто
встречались неправильная разводка питания и недостаточное
шунтирование цепи питания.
23. Нам тоже встречались схемы, где применение батарей было
полезным.
24. Нам тоже приходилось прибегать к таким приемам.
25. Да, портативные предусилители часто очень полезны.
26. Эту проблему я подробно описал в главе 8.
27. 28. Согласен, такие описания очень полезны.
II.
Уважаемый м-р Р. Пис!
В гл. 7 Вы описываете нежелательные эффекты при обратном токе
базы транзистора. В большинстве импульсных источников питания
транзистор закрывается быстрее, чем прекратится ток с базы. И это на
практике хорошо работает. Этот эффект я даже использую в своих
разработках как полезный. Обычно я применяю один из способов ограничения
обратного напряжения для предотвращения эффекта стабилитрона на
переходе база/эмиттер.

144 Глава 13. Примеры обращений к автору
Рис. 13.2. Применять
схему с плавающим
входом ТТЛ очень
опасно. Необходимо
подключить его через
резистор с
сопротивлением 1 кОм.
Я не согласен также с Вашим утверждением, что целесообразно для
МОП интегральных схем использовать разъемы для подачи питания,
так как питание подается через соответствующие выводы микросхемы.
Кроме того, применение таких разъемов часто приводит к поломке
микросхемы. Также не могу согласиться с Вами, что касаться МОП
интегральных схем нельзя без заземления руки. Причиной выхода из строя
микросхемы от статики, из опыта многих моих сотрудников и меня,
является точечный дефект кристалла.
В связи с Вашими рекомендациями (гл. 4) хочу высказать свое
мнение относительно танталовых конденсаторов. Во-первых, у них меньше
допуск на обратное напряжение, чем у электролитических
конденсаторов. Обратная полярность может появиться, если танталовый
конденсатор соединен с операционным усилителем. Во-вторых, мне пришлось
во многих схемах танталовые конденсаторы заменить на другой тип из-
за плохих показателей на короткое замыкание. В компьютерных
материнских платах танталовые конденсаторы нельзя применять вообще, так
как при включении они закорачивают питание.
Я не согласен с Вами также, что плавающие входы ТТЛ не влияют
на схему, так как они часто являются источником шума. Такую схему
(рис. 13.2) нельзя применять, так как, например, она может быть
причиной сбоев в компьютерах.
Малколъм Ватт
Ответ автора
Уважаемый м-р Ватт!
Спасибо за Ваши комментарии!
Я считаю, что Ваше мнение о возможности применения в схемах
рискованной ситуации с реверсом тока базы транзистора на грани
эффекта Зенера может быть допустимым только для дискретных
транзисторов, и то не всегда. Лучше в схемах не допускать рискованных
ситуаций, грозящих разрушением компонентов. Для монолитных
транзисторов это вообще не допустимо. Вы рекомендуете не использовать разъемы
для подачи питания МОП-микросхем и заземления на руке при работе
плавающий
затвор

Глава 13. Примеры обращений к автору
145
Рис. 13.3. Принципиальная схема
защиты танталовых конденсаторов от пере-
полосовки.
с микросхемами. В Вашей практике схемы без таких приемов монтажа
не проявляют ошибок функционирования, — прекрасно. В моей
практике наоборот. Особенно микросхемы RAM чувствительны к подаче
питания и к статическому электричеству. Поэтому мои рекомендации
остаются в силе. Лучше предусмотреть все защитные мероприятия, чем
постоянно искать неисправности в схемах.
В отношении высокой восприимчивости танталовых конденсаторов
к обратной полярности напряжения я могу порекомендовать Вам
подключать их по схеме, изображенной на рис. 13.3, чтобы компенсировать
этот их недостаток.
Хотя мне никогда не приходилось сталкиваться с проблемами из-за
плавающего входа ТТЛ, однако, я согласен, что схема, представленная
на рис. 13.2, некорректная.
Роберт Лис
III.
Уважаемый м-р Пис!
За тридцать лет работы с электронными схемами у меня накопилось
много вариантов неисправностей в них. Высылаю Вам те, которые Вы
не описывали.
1. Входы /^-логики абсолютно не выдерживают отрицательных
выбросов напряжения по фронту импульса. Такие искажения входных
сигналов приводят к неисправности микросхемы серии 74LS75 и всей схемы.
2. Мне пришлось работать с микросхемами серий 7470, -73, -76,
-107, -109, -111, которые переходят на высокий логический уровень в
режимах инициализации и перезапуска и переключаются в другое
состояние во время прохождения синхроимпульса. Эта аномалия
возникает при переходе синхроимпульса на высокий уровень.
Я Кунц
IV.
Уважаемый м-р Пис!
Те инженеры, которые интересуются подавлением
электромагнитных помех от источников питания, могут изучить монтажную панель

Глава 13. Примеры обращений к автору
своих телевизионных приемников. Так как там есть блок питания, то
можно было бы предположить, что есть источник электромагнитных
помех. Однако в большинстве ТВ приемников нет этого излучения, так
как производятся они в соответствии с правилами Федеральной службы
связи, где указывается допустимый уровень электромагнитного
излучения для каждого вида техники.
В настоящее время я работаю в лаборатории, которая занимается
тестированием и сертифицированием оборудования на соответствие этим
нормам.
Разработаны и рекомендуются применять правила и методы
проектирования электронного оборудования (схем), чтобы оно
соответствовало нормам электромагнитного излучения. Вот некоторые из них:
1. По возможности размещать на одной стороне печатной платы
цифровые и аналоговые компоненты, работающие на частотах выше
радиочастот. Убедитесь, что эта часть схемы обладает низкой
индуктивностью по отношению к остальной части схемы, даже если эта часть
схемы отделена разъемом.
2. Размещайте Т-образные и LTC-фильтры на всех входах и
выходах цепей. Резисторы должны быть всегда удалены от нагревающихся
компонентов схемы. Предпочтение отдавайте по возможности более
высоким номиналам сопротивления. Они будут подавлять
резонансные явления из-за взаимонаведения частей схемы так же хорошо, как
и фильтры. Подбирать резисторы и конденсаторы надо очень
тщательно, чтобы избежать их негативного влияния на сигнал. Необходимо
проверять каждую цепь осциллографом на правильное прохождение
сигнала.
3. Протестируйте каждую печатную плату на наличие
электромагнитных излучений. Определите область максимального излучения с
помощью металлофольгированной ленты. Такие области необходимо
экранировать. Металлические экраны необходимо заземлять.
4. Необходимо проверять такие покупные компоненты, как
конденсаторы и блоки питания, на необходимость фильтров и мер защиты от
электромагнитного излучения.
5. Необходимо применять фильтры, чтобы индуктивная
интерференция в схеме была ниже требуемой на 20 дБ.
6. Проверьте схему при нормальном ее функционировании, а затем
при нештатных сигналах. Индуктивная интерференция в схеме должна
быть ниже требуемой на 20 дБ.
7. Неважно, как будет измеряться электромагнитное поле вокруг
схемы, но на расстоянии 3 метров от схемы оно должно быть меньше
предельного значения на 20 дБ.
Томас Фишер

Глава 13. Примеры обращений к автору 147
Уважаемый м-р Пис!
Вы рекомендовали использовать «антиреверсивные» диоды
параллельно входу блока питания, как показано на рис. 13.4, а. Однако, если
блок питания будет установлен в обратном направлении, то через
диоды потечет большой ток, который их разрушит, а они ведь являются
частью схемы. Я рекомендую подсоединять диоды последовательно, как
показано на рис. 13.4, б.
В этом случае печатная плата будет защищена.
Марвин Смит
Рис. 13.4. Подключение антиреверсивных диодов к выводам питания:
а — параллельное; б— последовательное. Можно использовать оба
варианта вместе.
Ответ автора
Уважаемый м-р Смит!
Вы правы относительно некоторых схем, и я признаю, что их не
описал. Например, если в качестве источника питания в схеме батарея,
то подключение диодов последовательно вполне приемлемо. Если
произойдет переполосвка, то батарея и окружающая ее схема будет
защищена. Однако, если питание схемы не больше 5 В, то последовательно
подсоединенные диоды отведут большую часть напряжения и
расстроится регулировка напряжения.
Даже если в схеме источник питания на 15 В, и потеря мощности
будет незначительной, то скачки напряжения и неудовлетворительная

Глава 13. Примеры обращений к автору
Рис. 13.5. Использование полевого транзистора в качестве защиты от
реверсивного подключения источника питания устраняет все
недостатки параллельного и последовательного подключения диодов.
регулировка напряжения могут повлиять на точность схемы. Импеданс
диодов может быть причиной неудовлетворительной регулировки
напряжения питания. Таким образом, если регулятор подключен к шине
питания, то диоды необходимо подключать параллельно выводам питания.
Еще один недостаток Вашей схемы, мр. Смит, заключается в том,
что Вы не учли вариант обрыва или разъединения одного из проводов
от источника питания. Тогда на шине —14 В будет +5 В или +10 В, в
зависимости от того, как подключена нагрузка, что, согласитесь, очень
нежелательно, так как пострадают компоненты, запитанные от этой
шины. Даже если интегральные схемы выдержат эту ситуацию, то
электролитические конденсаторы наверняка разрушатся.
Таким образом, я считаю, что Ваша идея о последовательно
подключенных диодах не приемлема для низковольтовых схем, для схем с
большими токами и для схем с регулируемым напряжением питания.
Кстати, в Вашей схеме необходимо использовать предохранители
последовательно с каждым диодом.
На рис. 13.5 представлены схемы, которые устраняют недостатки
параллельного и последовательного подключения диодов к выводам
питания. Полевой транзистор включает питание, если полярность источника
правильная, и выключает питание, если полярность реверсивная.
VI.
Уважаемый м-р Пис!
Проверяя компоненты схемы при отладке схемы, я наклеивают
конденсаторы и резисторы эпоксидным клеем на палочку. Выводы делаю

Глава 13. Примеры обращений к автору
короткими, — около 5 мм, и сгибаю их под размер контактных
площадок. Таким образом я изолирую корпус компонента от пальцев, и
номинал компонента не изменяется.
Как показала практика, это самый корректный способ проверки и
монтажа.
Джон Ардицони
Ответ автора
Уважаемый м-р Ардицони!
Ваш метод не новинка. Он описан в некоторых авторитетных
журналах. Более того, изготавливаются и продаются пластиковые
приспособления, аналогичные Вашим палочкам, но с захватом. Рекомендую
купить такие в AmericanTechnical Ceramic Corp., — Вы сэкономите
время на приклеивание.
VII.
Уважаемый м-р Пис!
В нашей фирме для мониторинга температуры силовых
компонентов схемы используется краска фирмы Tempil, которая предназначена
для температурной индикации. Применяется она у нас как на опытных
образцах, так и на выпускаемых компанией схемах.
Краска подходит для любой температуры. На каждый силовой
компонент наносится пятно краски. Когда устройство перегревается,
субстанция краски, соответствующая температуре перегрева испаряется,
изменяя состав краски.
Эту краску мы используем также для выяснения эффективности
термальной изоляции монтажных шайб.
Кроме того, с помощью этой краски удалось установить, что нагрев
корпуса силового компонента происходит медленно, поэтому
температура самого устройства обычно на 15 % выше, чем корпуса.
Билл Стеджн
Ответ автора
Уважаемый м-р Стеджн!
Спасибо за полезную информацию. В нашей лаборатории никто не
знал о такой краске. Мы обычно используем термопару.
VIII.
Уважаемый м-р Пис!
Что Вы думаете об электронных таблицах?
Аноним

150 Глава 13. Примеры обращений к автору
Ответ автора
Уважаемый Аноним!
Может быть, где-нибудь они и полезны, но для расчета
аналоговых электронных схем, думаю, скорее нет, потому что они выдают
только ответы и не дают понимание того, что важно в той или иной
схеме. Кроме того, иногда они дают совершенно неверный ответ, и
инженер на нем строит схему. Нам приходилось искать неисправности
в схемах, рассчитанных по таблицам, — ошибки были заложены в
автоматических расчетах. Поэтому рекомендую проверять ответы
электронных таблиц.
IX.
Уважаемый м-р Пис!
Мы часто используем в качестве диодов транзисторы, при этом мы
соединяем базу и эмиттер и используем переход база/коллектор.
Напряжение пробоя при таком подключении равно максимально
допустимому напряжению коллектор/эмиттер, то есть от 5 до 7 В, в
соответствии с техническими условиями. Оно больше, чем при подключении
транзистора вместо диода по другой схеме, которую предлагаете Вы.
Джон Хоффман
Ответ автора
Уважаемый м-р Хоффман!
Вы правы! Переход база/коллектор выдерживает большее
напряжение, чем переход база/эмиттер, но он еще и медленнее.
х.
Уважаемый м-р Пис!
Некоторое время назад мы с семьей были на представлении
Московского Цирка. Когда шоу закончилось, мне хотелось только одного, —
чтобы оно не кончалось. Аналогичное чувство я испытываю, читая Ваши
статьи.
Я работаю с электроникой более 20 лет. Большие сложности
доставляют проблемы подстройки и поиска неисправностей. Насколько я могу
судить, Вы хороший специалист. Хотелось бы знать Ваше мнение о моих
заповедях:
1. В своей работе Вы можете использовать разные инструменты, но
Вы должны быть уверены, что знаете, как использовать. Если Вы не
знаете порядок операций, возможностей и ограничений Вашего тести-

Глава 13. Примеры обращений к автору
рующего оборудования, а знаете, что оно предназначено для схемы,
которую Вы проверяете, Вы себя обманываете.
2. Не ввязывайтесь в войну между аналоговой и цифровой
электроникой.
3. Не полагайтесь только на цифровые вольтметры и осциллографы,
забывая про другие приборы. Иначе когда-нибудь не найдете ответ на
проблему.
4. Не доверяйте никому, даже самому лучшему измерительному
прибору.
5. Вы не сможете решить проблему, если не понимаете ее. Это
относится и к самым простым, и к самым трудным неисправностям. Даже
если у Вас мало времени на устранение неисправности, найдите время
и изучите схемы, руководство по эксплуатации и все остальное.
Фрэнк Боргер
Ответ автора
Уважаемый м-р Боргер!
Спасибо за письмо! Мне понравились Ваши заповеди!
XI.
Уважаемый м-р Пис!
Спасибо за все замечательные статьи, которые Вы опубликовали!
Разрешите сообщить Вам свое мнение о некоторых проблемах, которых
Вы не касались. Сначала о монтажных отверстиях в печатных платах,
особенно в многослойных печатных платах. В односторонних и
двухслойных печатных платах при замене компонентов монтажные
отверстия сохраняют свои свойства. Кроме того, в односторонних печатных
платах допускается применение монтажных гнезд в монтажных
отверстиях для сохранения стабильности работы платы. Применение
монтажных отверстий в многослойных печатных платах чревато
нарушением металлизации межслойных отверстий и, соответственно,
электрических межслойных соединений. Даже при сохранении металлизации
возникают проблемы температурной индукции и, как следствие,
скачкообразное изменение электрических параметров схемы.
Применение стопорных шайб при монтаже печатных плат считаю
опасным. Однажды мы потратили много времени и усилий, чтобы
найти причину отказа схемы после одного месяца работы. Оказалось, что
монтажный винт выскакивает из отверстия. Проблема выявилась в
процессе термо/вибротеста. Повторив тест только на виброустойчивость,
выяснилось, что винт выпадает из отверстия при стрессовых вибрациях.
Термальный цикл теста дал отрицательный результат — винт выпал.

Глава 13. Примеры обращений к автору
При температуре, близкой к +125 °С, плата расширяется и
деформируется. При охлаждении платы, которое было неинтенсивным, винт
выпал. Таким образом, было установлено, что неисправность схемы
вызвана неправильным электрическим монтажом схемы. Надо было
монтаж осуществить методом пайки. В случае, если пайка невозможна и
требуется применять монтажные винты, то контактные площадки
нужно делать гораздо большего размера, а под винт применять простые
шайбы.
Недавно мы столкнулись с потенциальной проблемой при
поверхностном монтаже конденсаторов на печатную плату. При пайке емкость
конденсатора увеличивается, если некоторое количество флюса затечет
под конденсатор. Таким образом, необходимо тщательно удалять
остатки флюса при пайке конденсаторов методом поверхностного монтажа.
Ричард Ламоре
Ответ автора
Уважаемый м-р Ламоре!
Спасибо за письмо! Вы совершенно правы. Мы в своей лаборатории
тоже проводим испытания по тем направлениям, которые Вы
обозначили.
XII.
Уважаемый м-р Пис!
Мне очень понравились Ваши статьи, посвященные обнаружению
неисправностей в электронных схемах. Я мало работал с аналоговыми
схемами, а занимаюсь проектированием и отладкой цифровых систем.
Недавно мы работали над проблемами компоновки схем в корпусе и
отладки схем в системе. Это была нетривиальная задача.
Главный вывод из этой работы: компоновка компонентов системы
является важным фактором ее надежной работы. В дальнейшем
принципы правильной компоновки будут приоритетными в моей работе.
Однако есть инженеры, которые убеждены в обратном. Считаю, что они
или гении, или никогда не проектировали и не отлаживали
электронные системы.
Хочу еще одно мнение высказать по темам Ваших статей: многие
удивляются, когда я рассказываю, что большинство своих проблем по
поиску неисправностей я решил с помощью омметра, так как больше
половины неисправностей, с которыми я столкнулся за последний год, —
это неисправности межсоединений.
Джон Луп

Глава 13. Примеры обращений к автору
Ответ автора
Уважаемый м-р Луп!
Я не полностью согласен с Вами по поводу использования
омметров, но согласен, что существует множество способов обнаружения
неисправности. Половину своих проблем по поиску неисправностей я
решил, изучая схемы, технические описания, справочники, и
тестированием схем на соответствие им. Причиной больше половины
неисправностей, которые встречались мне, является плохой контакт в
межсоединениях.

ГЛАВА 14
ПРИМЕРЫ РЕАЛЬНЫХ СХЕМ
И НЕИСПРАВНОСТЕЙ В НИХ
Как уже упоминалось, обнаружение неисправностей в электронных
схемах — это искусство, основанное на фундаментальных знаниях и
опыте. Кроме того, очевидна разница между обнаружением неисправностей
в лабораторных условиях и на производстве. Но в обоих случаях очень
важно обнаружить и устранить неисправность за минимальное время и
с наименьшими расходами. В этой главе будут изучены основные типы
неисправностей, типичные ошибки эксплуатации, правила замены
неисправных частей схемы и другие аспекты поиска и устранения
неисправностей.
Неисправности в простом инвертирующем усилителе на
операционном усилителе, принципиальная схема которого изображена на рис. 14.1,
причина каждой неисправности и способ ее устранения представлены в
табл. 14.1.
В данной таблице, разумеется, приведены не все возможные
неисправности инвертирующего усилителя на операционном усилителе.
Возможны неисправности любых компонентов схемы, которые будут
влиять на работу схемы непредсказуемым образом.
Инженерам, работающим с электронными схемами, рекомендуется
вести свои таблицы, аналогичные приведенным в этой главе.
Рис. 14.1. Базовая принципиальная схема инвертирующего усилителя на
операционном усилителе.

Глава 14. Примеры реальных схем и неисправностей в них
Таблица 14.1. Неисправности инвертирующего усилителя на
операционном усилителе.
Проявление неисправности
Возможная причина
Рекомендации
Слишком большое
сопротивление резистора
обратной связи
Заменить резистор
обратной связи на резистор с
меньшим
сопротивлением или поставить
операционный усилитель с
меньшим током на базе
Генерация увеличивает
смещение выходного
напряжения
С помощью
осциллографа проверить схему
на наличие генерации
Чрезмерное смещение
выходного напряжения
при нулевом входном
напряжении
Паразитный канал тока
утечки замыкается на
вход
Проверить печатную
плату или разъемы на
наличие загрязнений и утечек
Неправильно выбран
номинал резистора R+
Сделать перерасчет
сопротивления R+ по
формуле: R+= R \\R,
V должно быть меньше
Слишком большое
напряжение Vos у
операционного усилителя
Применить подстройку
Vos или замерить
операционный усилитель
Параметры
операционного усилителя не
соответствуют техническим
условиям
Демонтировать
операционный усилитель из
схемы и проверить его
Колебания на входе
Проверить вход
Колебания напряжения
питания
Проверить каждое
подсоединение напряжения
питания
На выходе обнаружены
колебания
Отсутствие
шунтирующего конденсатора на
выходе или неправильно
выбран тип и номинал
этого конденсатора
Заменить шунтирующий
конденсатор на выходе,
подбирая типы и
номиналы
Слишком большая
емкость нагрузки
Протестировать кабель
на выходе; измерить
емкость нагрузки

156 Глава 14. Примеры реальных схем и неисправностей в них
Продолжение табл. 14.1
Проявление неисправности
На выходе обнаружены
колебания
Искажения выходного
напряжения
Недостаточный
коэффициент усиления
Схема не работает
вообще
Выходное напряжение
равно нулю
Возможная причина
В обратной связи нет
конденсатора
Наличие колебаний в
окружающей схему
атмосфере
Емкость операционного
усилителя (например,
LM301A) слишком мала
Колебания на выходном
каскаде операционного
усилителя
Слишком высокое
сопротивление нагрузки
Искажение входного
сигнала
Искажение скорости
нарастания напряжения
Неадекватные допуски
номиналов резисторов;
неправильно выбранные
номиналы резисторов
Наличие
самовозбуждения
Неисправный
операционный усилитель
Выход закорочен на
землю
Низкое Vos
Рекомендации
Проверить схему;
подобрать адекватный
конденсатор, меняя номинал
Отключить сетевое
напряжение и проверить
помеховую обстановку
Увеличить емкость
операционного усилителя
Проверить выход
операционного усилителя
Проверить резистивное
и реактивное
сопротивление нагрузки
Проверить входной
сигнал
Проверить схему на
более низкой частоте и с
более низким
напряжением входного сигнала
Проверить маркировку и
допуски резисторов
Проверить схему на
наличие колебаний во
всем диапазоне рабочих
частот
Заменить на исправный
операционный
усилитель
Выключить питание,
проверить на наличие
короткого замыкания
Проверить входной
резистор

Глава 14. Примеры реальных схем и неисправностей в них
Рис. 14.2. Базовая принципиальная
схема усилителя на одном
транзисторе.
Неисправности в усилителях
на одном транзисторе
(принципиальная схема изображена на
рис. 14.2), причина каждой
неисправности и способ ее
устранения представлены в табл. 14.2.
Таблица 14.2. Неисправности усилителя на одном транзисторе.
Проявление неисправности
Возможная причина
Рекомендации
Неправильное выходное напряжение:
а) на коллекторе +12 В
б) на коллекторе +10 В
в) на коллекторе +0,7 В
г) на коллекторе 0 В
i —
Отсутствие или
неисправность резистора Я2
Короткое замыкание
на Я3
Короткое замыкание
на /?,
Короткое замыкание на
базе транзистора
Цепь коллектора
разомкнута
Отсутствие резистора Л,
неисправность резистора
Яг или обрыв на
резисторе Я^
Неправильный номинал
резистора Я{ или Я^
Короткое замыкание на
переходе коллектор/база
Короткое замыкание
коллектора на землю
Проверить
сопротивление Я2 и напряжение
на нем
Проверить Я2 на
короткое замыкание
Проверить Ях на
короткое замыкание
Измерить напряжение
на базе транзистора
Проверить переход
коллектор/база транзистора
Проверить Я3
Проверить резисторы
Проверить на короткое
замыкание
Проверить на короткое
замыкание

158 Глава 14. Примеры реальных схем и неисправностей в них
Продолжение табл. 14.2
Проявление неисправности
Возможная причина
Рекомендации
Неправильное напряжение на базе транзистора:
а) на базе + 3 В
б) на базе - 3 В
в) нет усиления или оно
недостаточно
г) колебания
д) низкий коэффициент
усиления
Нет контакта в пайке
Переход база/эмиттер
транзистора расплавился
Транзистор рпр-типа
Неверные номиналы
резисторов
Входной сигнал
слишком большой
Отсутствие
конденсаторов или их емкость
слишком мала
Неправильное смещение
постоянного тока
Транзистор установлен в
обратном направлении
Колебания в цепи
питания
Колебания в нагрузке
Нагрузка является
причиной колебаний в
транзисторе
Неисправный
транзистор
Транзистор рпр -типа
Проверить надежность
пайки базы и эмиттера
Заменить транзистор
Проверить тип
транзистора
Проверить номиналы
резисторов
Проверить входной
сигнал осциллографом
Добавить хорошие
конденсаторы параллельно
С,иС2
Проверить смещение
постоянного тока
Проверить монтаж
транзистора
Проверить цепь
питания; добавить
дополнительный шунтирующий
конденсатор
Базу транзистора завести
на землю
Отсоединить нагрузку и
проверить ее
Проверить транзистор
Проверить тип
транзистора
Усилитель на одном транзисторе широко применяется во многих
электронных схемах различного назначения. Данная таблица поможет
эффективно обнаруживать неисправности в транзисторных схемах. Ре-

Глава 14. Примеры реальных схем и неисправностей в них 159
Рис. 14.3. Принципиальная схема регулятора положительного
напряжения.
комендуется для измерений пользоваться не цифровым вольтметром, а
осциллографом.
Неисправности в регуляторе положительного напряжения,
принципиальная схема которого изображена на рис. 14.3, причина каждой
неисправности и способ ее устранения представлены в табл. 14.3.
Таблица 14.3. Неисправности регулятора положительного напряжения.
Проявление неисправности
Выходное напряжение
очень мало
Возможная причина
Входное напряжение
очень мало
Резистор /^ или R^
закорочены
Конденсатор С3
закорочен или перепутана
полярность
Нагрузка слишком
велика или коротко замкнута
Диод CR{ закорочен
или включен в обратном
направлении
Рекомендации
Проверить входное
напряжение
осциллографом
Проверить резисторы
Проверить конденсатор
с3
Нагрузка перегрелась.
Отсоединить нагрузку и
проверить
Проверить диод

Проявление неисправности
Выходное напряжение
очень мало
Выходное напряжение
очень велико
Колебания на выходе
Шум на выходе схемы
Дрейф выходного
напряжения, регулировка
невозможна
Возможная причина
Конденсатор С2
закорочен или перепутана
полярность
Утечка тока на выводе
регулировки (ADJ)
Выход закорочен на
шину питания (выходное
напряжение — 0,8 В)
Скользящий контакт
потенциометра разомкнут
Сопротивление
резистора /?, очень мало
Входное напряжение
очень велико
Утечка тока на выводе
регулировки (ADJ)
Конденсатор С{
Колебания в нагрузке
Шум на входе схемы
Шум на нагрузке
Перегрев схемы
Рекомендации
Проверить конденсатор
Проверить печатную
плату на загрязненность
Проверить выход на
короткое замыкание
Проверить напряжение
на потенциометре
Проверить резистор R{
Проверить входное
напряжение
осциллографом
Проверить печатную
плату на загрязненность
Проверить: емкость
конденсатора С{ должна
быть 0,1 мкФ или
больше
Увеличить емкость
конденсатора С2
Проверить шум на
входе. Увеличить емкость
конденсатора С{ или С2
или С3
Проверить шум на
нагрузке. Увеличить
емкость конденсатора С2.
Поможет также
увеличение емкости
конденсаторов Ct и С3
Заменить радиатор на
больший
Глава 14. Примеры реальных схем и неисправностей в них
Продолжение табл. 14.3

Глава 14. Примеры реальных схем и неисправностей в них
Продолжение табл. 14.3
Проявление неисправности
Большой разброс
выходного напряжения в
зависимости от нагрузки
Схема не работает
Возможная причина
Плохое соединение
резистора R{ с нагрузкой
Колебания в нагрузке
Неисправный регулятор
Рекомендации
Соединить резистор Яг
с выходным выводом
микросхемы LM317
напрямую, используя
провод другого типа, чем в
соединении резистора
/?, с нагрузкой
Проверить нагрузку на
наличие колебаний с
помощью осциллографа
Заменить регулятор
Как правило, регулятор LM317 очень надежен и стабилен в
эксплуатации. Вместо LM317 в схеме 14.3 используются регуляторы LM350,
LM338 и LM396, и поэтому табл. 14.3 применима для поиска
неисправностей в схемах с ними.
Некоторые пункты табл. 14.3 применимы для схем с
фиксированными регуляторами, такими как LM340 и LM7800 на 5 В, 12 В и 15 В.
Причины неисправностей в регуляторе отрицательного напряжения,
принципиальная схема которого изображена на рис. 14.4, практически
такие же, как и в предыдущем случае. Поэтому в табл. 14.4 включены
только те неисправности, которые отличаются от неисправностей в
схеме 14.3.
Рис. 14.4. Принципиальная схема регулятора отрицательного
напряжения.

Проявление неисправности
Колебания на выходе
Возможная причина
Неисправность
конденсатора
с,
Слишком много
керамических конденсаторов
подключено к шине
выхода
Рекомендации
Керамические и
пленочные конденсаторы на
данную позицию не
подходят. Надо
использовать танталовые
конденсаторы или большие
электролиты
Необходимо
компенсировать влияние
керамических конденсаторов
подключением тантало-
вого конденсатора
емкостью несколько
десятков микрофарад или
алюминиевого
электролита емкостью
несколько сотен микрофарад
Рис. 14.5. Принципиальная схема регулятора типа LM723.
Глава 14. Примеры реальных схем и неисправностей в них
Таблица 14.4. ^Неисправности регулятора отрицательного напряжения.

Глава 14. Примеры реальных схем и неисправностей в них
В схемах с регулятором отрицательного напряжения
неисправности возникают гораздо реже, чем положительного, однако
критичным является подбор конденсаторов.
При обнаружении неисправностей в схемах с фиксированными
отрицательными регуляторами, такими, как LM320 и LM7900,
необходимо руководствоваться табл. 14.3 и 14.4, причем особое внимание следует
уделять подбору конденсаторов.
Неисправности в схеме с регулятором типа LM723, которая
изображена на рис. 14.5, причина каждой неисправности и способ ее
устранения представлены в табл. 14.5.
Таблица 14.5. Неисправности регулятора типа LM723.
Проявление неисправности
Выходное напряжение
имеет неболышую
погрешность
Выходное напряжение
очень мало
Вш—ЧШ
Некорректный подбор
резисторов R{ и R2
Колебания
Неадекватное опорное
напряжение
Неисправность
усилителя
Некорректный подбор
резисторов R{ и /^
Неадекватное опорное
напряжение
Закорочен внутренний
конденсатор
Неисправен транзистор
о.
Неисправен резистор R4
Очень большая нагрузка
Рекомендации
Проверить резисторы R{
nR2
Проверить схему на
наличие колебаний
Проверить напряжение
на выводе 6
Проверить напряжение
на выводах 4 и 5
Проверить резисторы Rl
и R2 . Проверить
напряжение на выводах 3, 4, 5
иб
Проверить напряжение
на выводе 6
Проверить напряжение
и сопротивление на
выводе 13
Проверить напряжение
на выводах 12 и 11.
Заменить транзистор
Измерить
сопротивление резистора R4
Измерить напряжение
на резисторе R4.
Отсоединить нагрузку

164 Глава 14. Примеры реальных схем и неисправностей в них
Продолжение табл. 14.5
Проявление неисправности
Выходное напряжение
очень мало
Выходное напряжение
очень велико
Выходное напряжение
не активизирует
номинальную нагрузку
Неудовлетворительное
регулирование нагрузки
Колебания
Возможная причина
Входное напряжение
очень мало
Закорочены проводники
печатной платы
Обрыв проводников на
печатной плате
Неисправна микросхема
См. причины в табл. 14.3
Закорочен выход
транзистора Qx
Входное напряжение
очень велико
Некорректный подбор
резистора R4
Неисправен транзистор
G.
Неисправен
ограничитель тока
Колебания
Неверный коэффициент
усиления транзистора
о.
Некорректность схемы
Некорректный подбор
конденсатора С,
Рекомендации
Проверить входное
напряжение с помощью
осциллографа
Проверить печатную
плату на короткое
замыкание
Проверить печатную
плату на обрыв
Проверить микросхему.
Заменить микросхему
См. табл. 14.3
Проверить напряжение
между выводами 11 и
12. Если напряжения
нет, заменить транзистор
Проверить входное
напряжение с помощью
осциллографа
Проверить
сопротивление резистора /?4
Проверить транзистор.
Заменить транзистор
Проверить напряжение
между выводами 2 и 3.
Проверить резистор Rr
Заменить микросхему
Проверить схему на
наличие колебаний
Проверить и заменить
транзистор Qx
Проверить схему на всех
рабочих частотах
Добавить конденсатор
параллельно С2

Глава 14. Примеры реальных схем и неисправностей в них 165
Продолжение табл. 14.5
Проявление неисправности
Колебания
Шум на выходе
Сгорает транзистор Q{
при полной нагрузке
Возможная причина
Отсутствует конденсатор
Отсутствует конденсатор
Неудовлетворительная
частотная
характеристика транзистора Qx
Шум на входе
Шум опорного
напряжения
Неправильный подбор
радиатора
Радиатор закреплен
слишком слабо или
слишком плотно
Колебания
Повышенное
напряжение питания
Рекомендации
Добавить конденсатор
с2
Добавить конденсатор Су
Увеличить емкость
конденсатора Сх
Поставить транзистор
другого типа
Проверить вход на
наличие шумов
Проверить
осциллографом вывод 6, добавить
лавсановый конденсатор
0,1 или 1 мкФ к выводу 5
Заменить радиатор на
больший
Проверить крепление
Проверить схему на
наличие колебаний
Сделать расчет
потребляемой мощности:
^х(^,-^ы,)
Рис. 14.6. Принципи
альная схема прецензи
онного двухполупери
одного выпрямителя.

Глава 14. Примеры реальных схем и неисправностей в них
Неисправности »в прецензионном двухполупериодном
выпрямителе, принципиальная схема которого изображена на рис. 14.6,
причина каждой неисправности и способ ее устранения представлены в
табл. 14.6.
Таблица 14.6. Неисправности прецензионного двухполупериодного
выпрямителя.
Проявление неисправности
Входной усилитель
плохо запускается
Выходной усилитель
плохо запускается
Неадекватная частотная
характеристика
переменного тока
Неудовлетворительная
погрешность
постоянного тока
Возможная причина
Неисправности
операционного усилителя
(см. табл. 14.1)
Неисправности
операционного усилителя
(см. табл. 14.1)
Неисправные диоды
Неудовлетворительные
параметры диодов
Неудовлетворительные
параметры усилителя
Большая утечка тока на
диодах
Рекомендации
Подавая на вход
постоянное напряжение от
+0,1 В до+10 В, нужно
провести поиск
неисправности по
соответствующим пунктам
табл. 14.1
Подавая на вход
постоянное напряжение от
-0,1 В до-10 В, нужно
провести поиск
неисправности по
соответствующим пунктам
табл. 14.1
Проверить диоды на
короткое замыкание и на
реверсивное
подключение
Проверить диоды
Проверить усилитель на
малых и больших
сигналах переменного тока,
на низких и высоких
частотах
Проверить диоды на
утечку тока
Неисправности в инструментальных усилителях, базовая
принципиальная схема которых изображена на рис. 14.7, причина каждой
неисправности и способ ее устранения представлены в табл. 14.7.

Рис. 14.7. Принципиальная схема инструментального усилителя.
Таблица 14.7. Неисправности инструментального усилителя.
Проявление неисправности
Входной каскад плохо
функционирует
Неудовлетворительная
погрешность
постоянного тока
Неудовлетворительный
коэффициент
ослабления синфазного сигнала
Возможная причина
Неисправности
операционного усилителя
(см. табл. 14.1)
Неисправность
выходного каскада
Неисправности
операционных усилителей
(см. табл. 14.1)
Неисправность входного
каскада
Рекомендации
Заземлить один вход, на
второй вход подать
сигнал. Нужно провести
поиск неисправности по
соответствующим
пунктам табл. 14.1
Заземлить один вход
выходного каскада и
подавать сигнал на другой
вход. Нужно провести
поиск неисправности по
соответствующим
пунктам табл. 14.1
Заземлить оба входа;
измерить все напряжения
цифровым вольтметром.
Выявить неисправный
операционный
усилитель и протестировать его
Оба входа соединить
вместе и подавать
положительное и
отрицательное напряжение.
Измерить напряжения.
Проверить коэффициент
ослабления синфазного
сигнала операционного
усилителя входного
каскада
Глава 14. Примеры реальных схем и неисправностей в них

Проявление неисправности
Неудовлетворительный
коэффициент
ослабления синфазного сигнала
Возможная причина
Неисправность
выходного каскада
Рекомендации
Проверить резисторы и
подстройку. Проверить
операционный
усилитель выходного каскада
Неисправности в стабилизаторах с импульсным регулированием на
базе LM2575, принципиальная схема которых изображена на рис. 14.8,
причина каждой неисправности и способ ее устранения представлены в
табл. 14.8.
Таблица 14.8. Неисправности стабилизаторов с импульсным
регулированием на базе LM2575.
Проявление неисправности
Выходное напряжение
слишком низкое
Выходное напряжение
слишком высокое
Возможная причина
Входное напряжение
слишком маленькое
Выход закорочен или
перегружен
Вывод
«включение/выключение» не
подсоединен
Плохое выпрямление
Неисправная
микросхема
Слишком высокая
температура окружающей
среды
Неисправность обратной
связи
Неисправность катушки
индуктивности
Короткое замыкание в
выпрямителе
Рекомендации
Проверить входное
напряжение
осциллографом
Отсоединить нагрузку.
Проверить
сопротивление, проверить выход на
замыкание на землю
Проверить напряжение
на выводе 5
Проверить напряжение
на Dx
Проверить микросхему,
заменить
Проверить температуру
окружающей среды
Проверить напряжение
на выводе 4
Проверить катушку
индуктивности
Проверить выпрямитель
Глава 14. Примеры реальных схем и неисправностей в них
Продолжение табл. 14.7

Глава 14. Примеры реальных схем и неисправностей в них 169
Продолжение табл. 14.8
Проявление неисправности
Перегрев микросхемы
Перегрев выпрямителя
Пульсации выходного
напряжения
Возможная причина
Слишком высокая
частота
Выход закорочен
Слишком высокая
частота
Неудовлетворительные
параметры диода
Несоответствующая
частота
Неисправность
конденсатора
Некорректный режим
Рекомендация
Проверить частоту на
выводе 2
Проверить выходное
напряжение, ток
нагрузки, ток питания
Проверить частоту на
выводе 2
Сравнить диод с
заведомо хорошим диодом
Проверьте частоту на
выводе 2
Проверить конденсатор
Проверить форму
сигналов
Примечание: нумерация выводов соответствует корпусу ТО-220
Рис. 14.8. Принципиальная схема стабилизатора с импульсным
регулированием на базе LM2575.
Хотя схема на рис. 14.8 кажется очень простой, однако в сочетании
с другими блоками она очень часто встречается.
Неисправности в стабилизаторах с импульсным регулированием на
базе LM3524, принципиальная схема которых изображена на рис. 14.9,
причина каждой неисправности и способ ее устранения представлены в
табл. 14.9.

(jTl 70 Глава 14. Примеры реальных схем и неисправностей в них
монтировать на радиатор Staver № 5 1
О, = BD344
Ог = 2N5023
L1 = >40 нет перевода
Рис. 14.9. Принципиальная схема стабилизатора с импульсным
регулированием на базе LM3524.
Таблица 14.9. Неисправности стабилизаторов с импульсным
регулированием на базе LM3524.
Проявление неисправности
Перегрев
Возможная причина
Слишком высокая
частота
Неисправность диода Dl
Неисправность
транзисторов
Неисправность
конденсатора
Неисправная
микросхема
Рекомендации
Проверить частоту на
выводе 7
Проверить диод /),
Проверить транзисторы
Проверить конденсатор
Проверить микросхему,
заменить

Заключительные рекомендации
Продолжение табл. 14.9
Проявление неисправности
Некорректная частота
синхронизации
Плохая устойчивость
контура
Плохое ограничение
тока
Неудовлетворительный
разброс выходного
напряжения
Перегрев транзистора
Схема совсем не
работает
Схема не активизирует
номинальную нагрузку
Возможная причина
Неисправность
конденсатора
Неисправность
резистора
Неисправность
RC-демпфера
Неисправность
конденсатора С6
Неисправность катушки
индуктивности
Плохое сопротивление
определителя
Неисправность
резисторов
Неадекватность
опорного напряжения
Неисправность
резисторов
Неисправность катушки
индуктивности
Короткое замыкание
припоем
Неисправность в любом
месте
Неисправность
транзистора
Некорректное входное
напряжение
Неисправность
микросхемы
Рекомендации
Проверить емкость на
выводе 7
Проверить
сопротивление на выводе 6
Проверить RC на
выводе 9
Заменить конденсатор
Проверить катушку
индуктивности Lx
Проверить
сопротивление на выводах 4, 5
Проверить резисторы
1, 2, 3, 4, 5
Проверить напряжение
на выводах 16, 2, 1
Проверить резисторы
*V 9, 10
Проверить катушку
индуктивности L{
Проверить места пайки
на короткое замыкание
Проверить все
Проверить транзисторы.
Заменить
Проверить входное
напряжение
осциллографом
Проверить микросхему
Если возникают неразрешимые проблемы с такими схемами, как на
рис. 14.9, следует обращаться к разработчику схемы.

Глава 14. Примеры реальных схем и неисправностей в них
Заключительные рекомендации
Для определения неисправности в схеме или ее компонентах всегда
понадобятся небольшая макетная плата, несколько малогабаритных
разъемов для диодов, транзисторов и маленьких конденсаторов,
монтажные гнезда. Причем нельзя использовать нейлоновые макетные
платы из-за их неудовлетворительных показателей емкости и
индуктивности. Лучше всего, конечно, использовать базовую печатную плату, на
которой будет работать схема или компонент.
И в заключении отметим наиболее часто встречающиеся проблемы
в электронных схемах:
• резисторы установлены на не то место;
• ошибочный номинал резистора, ошибка в маркировке;
• установка диода в обратном направлении;
• ошибка полярности при установке электролитического
конденсатора;
• обрыв проводника;
• ошибочный монтаж линии связи;
• неустойчивый отказ разъемов.

ПРИЛОЖЕНИЕ А
ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ
С НЕСТАНДАРТНЫМИ
ВЫВОДАМИ
Каждый новый тип операционного усилителя появляется с целью более
удобного использования в той или иной схеме и более легкой
подстройки напряжения смещения. При этом схемы подстройки в различных
типах интегральных микросхем разные.
Как правило, операционные усилители выпускаются в
металлических или пластиковых корпусах с восемью выводами. Выводы 2, 3 и 6
всегда используются для входа и выхода. Выводы 4 и 7 — это всегда «—» и
«+» напряжения питания. Остальные выводы используются для
подстройки напряжения смещения и других функций.
Типы интегральных микросхем операционных усилителей с
нестандартными выводами:
• LM709
• LM107, LM307
• LM118, LM318
• LM10
• LM101, LM301
• LM108, LM308
• LM144, LM344
• LH0024709
При использовании этих микросхем нужно обязательно проверять
нумерацию выводов по техническим описаниям.
Схемы подстройки напряжения смещения
Схемы постройки напряжения смещения в различных типах
интегральных микросхем разные.
I тип
Потенциометр 10 кОм помещается между выводами 1 и 5 (рис. АЛ).
• LM741
• LM143 (потенциометр 10 кОм)
• LM776 (потенциометр 10 кОм)
• LM4250 (потенциометр 10 кОм)
• LF351

Рис. АЛ. Выводы 1 и 5 предназначены для подстройки
отрицательного напряжения смещения.
• LF411
• LF441
• LF451 (в корпусе SO-8)
• LF13741
• LH0022
• LH0042
• LH0052
II тип
Потенциометр 25 кОм помещается между выводами 1
и 5 (рис. А.2).
• LF156, LF356
• LF155, LF355
• LF157, LF357
• LF400 (потенциометр 10 кОм)
Рис. А.2. Выводы 1 и 5 предназначены для подстройки
положительного напряжения смещения.
Ill ТИП
Потенциометр 10 кОм помещается между выводами 1
и 8 (рис. А.З).
• LM11 (потенциометр 100 кОм)
• LM112 (потенциометр 100 кОм)
• LM607
• LM627
• LM637
• LM725
• ОР-07 (потенциометр 20 кОм)
Рис. А.З. Выводы 1 и 8 предназначены для подстройки
положительного напряжения смещения.
Приложение А. Операционные усилители с нестандартными выводами

Сдвоенные операционные усилители
175
Рис. А.4. Выводы 1 и 8 предназначены для подстройки
отрицательного напряжения смещения.
IV ТИП
Потенциометр 100 кОм помещается между выводами 1
и 8 (рис. А.4).
• LM6161, LM6361
• LM6162, LM6362
• LM6164, LM6364
• LM6165, LM6365
Сдвоенные операционные усилители
Все сдвоенные операционные усилители в корпусах ТО-99 (часто их
называют 8-выводные ТО-5) или в SO-8 имеют такую же нумерацию
выводов, как и одиночные операционные усилители, и подстройка
напряжения смещения осуществляется по тем же схемам. Сдвоенными
операционными усилителями являются: LM158, LM833, LM1558,
LM6218, LF412, LF422, LF453, LMC662, LPC662, LM636.

ПРИЛОЖЕНИЕ Б
ПОДАВЛЕНИЕ ШУМОВ
В ТРЕХВЫВОДНЫХ
РЕГУЛЯТОРАХ НАПРЯЖЕНИЯ
Обычный способ подавления шумов в трехвыводных регуляторах
напряжения - это подсоединение конденсаторов на выходе регулятора и на
выводе подстройки напряжения. Однако конденсатор на выходе
большинства регуляторов напряжения подавляет шумы в полосе пропускания, но
могут увеличивать шумы узкого диапазона частот. Так как выходной
импеданс большинства трехвыводных регуляторов напряжения
индуктивно-реактивны в середине полосы пропускания, то можно предположить, что,
добавляя конденсатор на выход регулятора с целью подавления шумов и
улучшения переходных характеристик, можно получить другие эффекты,
например, резонансные. Рассмотрим способы подавления шумов в
трехвыводных регуляторах напряжения на примере LM317. Они полностью
применимы в трехвыводных регуляторах напряжения другого типа.
На рис. Б. 1 представлен график зависимости выходного импеданса
от частоты LM317, из которого видно, что в диапазоне частот от 1 кГц
до 1 МГц выходной импеданс является индуктивным. Это не связано с
наличием длинных проводов на выходе, а вызвано тем, что
коэффициент усиления операционного усилителя или регулятора падает на 6 дБ
на октаву частоты. Обычно это свойство регуляторов не является
препятствием для применения их в схемах среднего класса.
Конденсатор и индуктивность регулятора образуют колебательный
контур, на резонансной частоте которой образуется ощутимый пик шума.
На рис. Б.2 представлены типичные пики шума регулятора LM317 с
различными емкостями нагрузки. Диапазон частот, на которых
наблюдаются пики шумов, лежит от 10 кГц до 100 кГц. Частота пика шума
вычисляется по формуле резонансной частоты:
Амплитуда пика шума зависит от добротности резонансной схемы Q,
которая определяется сопротивлением конденсатора на выходе и
пропорциональна опорному напряжению. Например, в схеме с хорошим
полипропиленовым конденсатором 1 мкФ с сопротивлением 20 мОм на
частоте 30 кГц будет пик шума в три раза больше, чем в схеме с
танталовым конденсатором такой же емкости, у которого сопротивление 1 Ом.
Этот пик легко подавляется.

Приложение Б. Подавление шумов в трехвыводных регуляторах
177
Рис. Б.1. График зависимости выходного импеданса LM317 от частоты
при токе 500 мА.
Рис. Б.2. Графики типичных пиков шумов регулятора LM317 с
различными емкостями нагрузки.

Рис. Б.З. График зависимости выходной индуктивности регулятора LM317
от тока нагрузки.
Рис. Б.4. График зависимости выходной индуктивности регулятора LM317
от частоты для различных токов нагрузки.
Приложение Б. Подавление шумов в трехвыводных регуляторах

Приложение Б. Подавление шумов в трехвыводных регуляторах
Малоизвестно, что выходной импеданс трехвыводных регуляторов
напряжения может значительно изменяться в зависимости от тока
нагрузки и от выходного напряжения, что изменяет частоту пика шума.
С увеличением тока нагрузки увеличивается проводимость выходного
транзистора регулятора, и индуктивность регулятора уменьшается (рис.
Б.З). Это явление присуще всем регуляторам, большим и маленьким
регуляторам. Таким образом, выходной импеданс, который обычно
считается фиксированной функцией частоты, на самом деле является
семейством функций от частоты для каждого тока нагрузки (рис. Б.4).
Принимая во внимание то, что в схемах используются типичные
значения емкости конденсаторов на выходе регуляторов, типичные
частоты пиков шумов лежат в диапазоне от 5 до 10 кГц и не создают много
проблем. Однако если регулятор применяется в прецизионной схеме,
которая к тому же работает в том же диапазоне частот, то эти шумы
легко подавляются соответствующими фильтрами, или подбором
емкости конденсатора частоты пиков шумом выводятся за рабочий диапазон
частот схемы.
Наиболее эффективно подавляют шумы электролитический
конденсатор 50 мкФ или более на выходе регулятора и 1 мкФ на выводе
«настройка» для регулируемого регулятора.

ПРИЛОЖЕНИЕ В
ТЕСТИРОВАНИЕ СМЕЩЕНИЯ
НАПРЯЖЕНИЯ
В БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИХ
КОМПАРАТОРАХ
Как уже упоминалось выше, измерить смещение напряжения в
быстродействующих компараторах не так то просто. Но возможно, если
хорошо обдумать все проблемы. Все быстродействующие компараторы
имеют тенденцию к колебательности при входном напряжении,
находящемся в диапазоне возле нуля. Задача заключается в том, чтобы заставить
компаратор генерировать на нужной частоте. На рис. В.1 представлена
схема компаратора на базе операционного усилителя, которую можно
заставить генерировать на нужной частоте, но не является
прецизионной, так как выходная амплитуда не управляется.
упрощенная
схема
Рис. В.1. Принципиальная схема самовозбуждающегося компаратора.
Известно, что быстродействующие компараторы не могут
выдавать большое выходное напряжение и, к тому же, симметричное. Если
добавить эмиттерно-связанную логику, то получим симметричные
колебания, но с маленькой амплитудой. Следовательно, надо добавить
усиление сигнала с помощью LM311, как показано на рис. В.2, и
использовать несколько секций микросхемы ММ74С04 для
улучшения симметричности. Эта схема подает ± 10 мА на положительный
вход компаратора и колебательный сигнал на отрицательный вход
компаратора, заставляя его колебаться между (+10 мВ + Vos — Vnojse) и
(—10 мВ + Vos + Vnoise). Средняя величина напряжения на отрицательном
входе равна Vos, что и требовалось измерить.

Приложение В. Тестирование смещения напряжения 181
Рис. В.2. Улучшенная принципиальная схема самовозбуждающегося компаратора.

Приложение В. Тестирование смещения напряжения
Рис. В.З. Принципиальная схема измерения смещения напряжения в быстродействующих компараторах.

Приложение В. Тестирование смещения напряжения
Однако измерение смещения напряжения может быть неточным,
если в операционном усилителе LM311 будет задержка в одном
направлении. Поэтому в схему необходимо включить гистерезис переменного
тока за счет цепи 4,7 кОм/100 пФ. Как уже описывалось выше (см. гл. 9)
этот гистерезис переменного тока стремится к затуханию и повышает
точность колебаний.
Схема на рис. В.З очень похожа на предыдущую, но использует
компаратор с эмиттерно-связанной логикой, например, тА6685 гораздо
лучше. Величина гистерезиса переменного тока изменяется с изменением
импеданса. Частота составляет 0,4 МГц. Никаких других колебаний не
происходит, как в других высокоскоростных схемах.

ПРИЛОЖЕНИЕ Г
КАК ПРАВИЛЬНО ЧИТАТЬ
ТЕХНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ
Когда новый продукт появляется на рынке, хочется надеяться, что
техническое описание его будет полным и корректным.
Потенциальному покупателю устройства техническое описание
помогает понять его назначение, указывает гарантированные параметры,
приводит примеры возможных применений. Если техническое
описание написано на хорошем уровне, то, читая его, можно сразу
определить, как правильно использовать компонент и что надо предпринять,
чтобы в схемах с этим компонентом не возникало проблем.
Спецификации
Наиболее важной частью технического описания является та, в которой
указываются гарантированные характеристики устройства и условия его
тестирования, — спецификация. Желательно, чтобы как можно больше
необходимых для использования устройства параметров было указано в
этой части документа. Если новый продукт аналогичен уже
существующему устройству, то техническое описание к нему обычно делается в
таком же формате.
Но если есть значительные отличия и улучшение характеристик, то
в техническом описании устройства указываются эти отличия.
Изменение параметров может быть описано в приложениях технического
описания.
Следует отметить, что в технических описаниях присутствуют
«маркетинговые» приемы, — преувеличение достоинств и замалчивание
недостатков устройства.
Гарантии
Когда в техническом описании гарантируется минимальное значение
какого-нибудь параметра, это означает, что производитель произвел
необходимое количество тестов, и меньшего значения не было
зарегистрировано.
Производители используют два класса гарантий:
• показатель гарантирован для 100 % устройств в течении 100 %
времени. Этот показатель был получен в результате прямого тестирования,
которое нельзя продублировать;

Максимально допустимые номинальные значения
• показатель гарантирован с оговорками, получен он был в
результате непрямого тестирования. При нарушении условий, производитель
не гарантирует сохранение таких параметров.
Такое различие в гарантиях делается не для того, чтобы покупатель
знал, в результате каких тестов был получен тот или иной результат, а
для того, чтобы правильно учитывать гарантированные параметры при
проектировании схем. Например, гарантированный допустимый
уровень качества AQL, равный 0,1 %, в схеме может составлять 0,0001 %.
В некоторых технических описаниях характеристики, которые
протестировать очень трудно и дорого, гарантируются в некоторых
временных пределах. Например, гарантируется допуск параметра 0,002 % в
течение 1000 ч.
В большинстве технических описаниях производитель указывает, что
проводится выборочное тестирование или 100 % тестирование при
установлении данного показателя. Выборочное тестирование означает, что
возможна партия, где этот показатель может быть другим. Если будут
возникать вопросы по такому показателю, можно обращаться к
производителю.
Типичный
В спецификациях технических описаний в таблице параметров
некоторые колонки имеют название «типичный». Это означает, что 50 %
устройств из партии будут иметь такой показатель или лучше, а остальные
хуже. На самом деле, встречаются такие партии компонентов, параметр
с обозначением «типичный» которых совсем не совпадает с указанной
величиной.
Максимально допустимые
номинальные значения
Очень важной частью технических описаний является таблица с
указанием максимально допустимых номинальных значений. Для каждого
параметра указываются их максимальные нижние и верхние значения. При
проектировании схем это самая необходимая информация. Например:
Таблица Г.1
Параметр
Напряжение питания
Выходное напряжение
Выходной ток
Максимум
+35 В
+6 В
Минимум
-0,2 В
-0,1 В
ЮмА

186 Приложение Г. Как правильно читать технические условия
Продолжение табл. Г. 1
Параметр
Температура хранения
Корпус ТО-46
Корпус ТО-92
Температура
проводников при пайке в течение
4 сек
Корпус ТО-46
Корпус ТО-92
Рабочая температура
LM34, LM34A
LM34C, LM34CA
LM34D
Максимум
+356°F
+300 Т
+300°С
+260°С
+300°F
+230°F
+212°F
Минимум
-76 °F
-76 °F
-50 °F
-40 °F
+32 °F
Примечание: При выходе параметра за указанные пределы наступит разрушение
компонента. Если требуется использовать компонент вне указанных пределов, данное
устройство нельзя применять.
Эксплуатационные характеристики
Немаловажное значение для инженеров имеют показатели
эксплуатационных характеристик (табл. Г.2).
Комментарий примечаний к таблицам
Примечание 2 уточняет термальное сопротивление компонентов.
Примечание 3 уточняет метод тестирования выходного импеданса.
Примечание 6 уточняет гарантии.
Применение
Раздел «Применение» также очень важная часть технического описания.
В нем описываются способы применения компонента как в
традиционных схемах, так и в новейших разработках. Следует только сожалеть, что
иногда мало внимания в этом разделе уделяется способам подстройки
устройства. После просмотра предлагаемых способов применения
компонента инженерам очень часто приходят в голову идеи нового
применения. А в некоторых случаях предлагаемые способы применения не
соответствуют реальному интересу и использованию.
Бывает, что производитель предлагает применять данный
компонент в целой электронной системе, например, в тестирующей системе.

Применение 187
LM34A I LM34A
Таблица Г.2. Показатели постоянного тока (см. прил. А, Д).
Точность
(см. прим. 7)
Нелинейность
(см. прим. 8)
Коэффициент
усиления
Нестабильность
по нагрузке
(см. прим. 3)
Нестабильность
по сети
(см. прим. 3)
Ток покоя
(см. прим. 9)
измерения
I Пределы при Пределыири I I Пределыор|| I Пределыорн
Типичный тестировании проектиро- Тиш|1|11ЫН тестировании пР°е™Р°-
(см. прим. 4) , вании еч (см. прим. 4) , вании сч
\ \ (см» прим. 5) ^см* ИРИМ*5)
Параметр Условия

Приложение Г. Как правильно читать технические условия
Продолжение табл. Г. 2
Примечание 1. Приведенные эксплуатационные характеристики относятся к компонентам, указанным в табл. ГЛ.
Примечание 2. Термальное сопротивление корпуса ТО-46 относительно окружающей среды составляет 792° F/Вт. Термальное сопротивление
корпуса ТО-92 относительно окружающей среды составляет 324Т/Вт.
Примечание 3. Нестабильность компонента определяется при постоянной температуре методом импульсного тестирования в течение короткого
времени. Изменение выходных параметров компонента из-за нагревания определяется умножением внутреннего рассеивания энергии на
термальное сопротивление.
Примечание 4. Пределы при тестировании определяются в результате 100% тестирования и гарантированы по первому классу.
Примечание 5. Пределы при проектировании гарантируются по второму классу и определяются при выборочном тестировании в определенных
условиях (рабочая температура и определенное напряжение питания) и за ограниченный период времени. Данные показатели нельзя
использовать при расчете уровня выходных параметров компонента.
Примечание б. Параметры, выделенные жирным шрифтом, гарантированы во всем диапазоне рабочих температур.
Примечание 7. Точность определяется как ошибка выходного напряжения при изменении температуры устройства.
Примечание 8. Нелинейность определяется как отклонения графика зависимости выходного напряжения от температуры по сравнению с
экстраполяцией этого графика.
Примечание 9. Ток покоя измеряется в компоненте при отсутствии входного сигнала.

Предварительный статус
В этом случае использование компонента основывается на
гарантированные производителем показатели. В большинстве же случаев
предлагаемые способы применения ориентированы на типичные показатели
компонента, которые не гарантированы. Большинство применений
предлагаемого устройства зависит от внутренних компонентов, их
прецизионности и совместимости с другими компонентами.
В некоторых технических описаниях встречаются такие, например,
фразы: «Схемы, предложенные в этом описании, носят
иллюстративный характер возможных применений. Они не тестировались и не
исследовались». Это делается для того, чтобы не дезориентировать
разработчиков, чтобы они не подумали, что эта схема гарантировано хорошо
работает.
Большим достоинством разделов «Применение» технических
описаний является то, что там дается подробное описание деталей
гарантированных схем. Это помогает инженерам понять, как достигаются
превосходные характеристики схемы и что может нарушить эти
показатели. Кроме того, в этих разделах можно найти много полезных
советов. Например, в техническом описании серии LF156 написано, что
«превышение отрицательного синфазного предела на одном из входов
приведет к изменению направления фазы на выходе и к
дополнительному усилению высокого или низкого состояния выходного сигнала.
Превышение отрицательного синфазного предела на обоих входах
приведет к дополнительному усилению высокого состояния выходного
сигнала. Ни в том, ни в другом случае не произойдет фиксации
состояния, так как при обратном переходе отрицательного предела вход
возвращается в нормальный диапазон синфазного сигнала, заставляя
вход реагировать на входящий входной сигнал». Это очень ценная
информация, потому что никто бы не догадался, почему не фиксируется
состояние триггера.
Следует заметить, что иногда в технических описаниях допускаются
ошибки в графиках характеристик, поэтому следует больше доверять
тексту, в котором описывается график. Ошибка может быть чисто
технологической при подготовке технического описания. Поэтому не
повредит, если, затратив 10 мин, вы снимите график какой-нибудь
характеристики данного компонента.
Предварительный статус
При чтении технического описания нужно внимательно читать
заголовки. Например, иногда на первых страницах технического описания
встречается заголовок «Предварительный документ», а на последних
страницах указывается, что «приведенные данные носят
предварительный характер, дополнительная и уточняющая информация будет опуб-

ликована позже. Производитель оставляет за собой право вносить
изменения в это изделие с целью улучшения его характеристик и
расширения возможностей. Производитель не несет ответственности за
использование любых схем, описанных в этом документе, так как они не
лицензированы».
Дело в том, что на рынке электронных изделий существует
практика выпуска изделий с предварительным статусом. Их применение очень
затруднено, так как нет корректной документации к таким
компонентам. Можно, конечно, обратиться к инженерам по применению
компании-производителя, — они-то все знают об этом продукте. Иногда они
отвечают на такие вопросы.
Приложение Г. Как правильно читать технические условия

ПРИЛОЖЕНИЕ Д
ВОЗМОЖНОСТИ SPICE
Программа SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)
на сегодняшний день является мощным и полезным инструментом в
схемотехнике. Каждый разработчик всегда найдет что-то полезное в ней
для себя. Большинство инженеров с энтузиазмом приняли
автоматизацию своего труда. Как всякая крайность, возникла опасная тенденцию
всю работу переложить на плечи компьютера и полностью доверять
программе. Все-таки она иногда дает неправильные ответы. Однако часть
инженеров восприняла новое слово в разработке электронных схем
крайне отрицательно. Это легко объяснить, — когда-то применение
логарифмической линейки в математических расчетах у некоторых
вызывало стойкое недоверие; аналогичная ситуация была с восприятием
калькуляторов.
Как у любой сложной вычислительной системы с обширной базой
схем и формул, с самого начала внедрения ее стали, естественно,
обнаруживаться ошибки. Многие инженеры, столкнувшись с ними,
направляли свои замечания разработчикам. Например, автор обнаружил в
программе ошибку расчета конвергенции, которая, как известно, в
транзисторах разного типа отличается. В дальнейшем SPICE пополнилась
подпрограммой, которая минимизировала эту проблему так
называемыми схемами автоконвергенции. Еще одна ошибка, обнаруженная в
программе автором, была в расчетах графика зависимости напряжения
от времени во время переходного процесса транзистора.
Программа SPICE предусматривает также возможность поиска
неисправностей в схемах. Практически все лаборатории, которые
занимаются разработкой электронных схем и поиском неисправностей, в
своем арсенале имеют эту программу. Не смотря на то, как инженеры этих
лабораторий к ней относятся и сколько ошибок они в ней нашли,
программа SPICE не простаивает и экономит им много времени.
Практически все базовые модели электронных схем в программе
SPICE правильные, и расчеты этих моделей под требуемые условия
выдают схемы, прекрасно функционирующие в типичных условиях.
В этих схемах хорошая скорость нарастания напряжения сигнала,
превосходное время установки необходимого уровня выходного сигнала,
хорошая точность; в них нет осцилляции и скачков напряжения.
Кроме того, с помощью программы SPICE можно определить
величину таких слабых напряжений и токов в схеме, которые невозможно
измерить осциллографом при отладке схемы.

Заявки на книги присылайте по адресу:
125319 Москва, а/я 594
Издательство «Техносфера»
e-mail: knigi@technosphera.ru
sales@technosphera.ru
факс: D95) 956 33 46
В заявке обязательно указывайте
свой почтовый адрес!
Подробная информация о книгах на сайте
http://www.technosphera.ru
Роберт А. Пис
Обнаружение неисправностей в аналоговых схемах
Компьютерная верстка — Н.А. Попова
Дизайн — И.А. Куколева
Дизайн книжных серий — СЮ. Биричев
Корректор - А.В. Бодрова
Редактор - А.А. Лапин
Ответственный за выпуск — СВ. Зинюк
Формат 84x108/32. Печать офсетная.
Гарнитура Ньютон
Печ. л. 6. Тираж 3000 экз. Зак. № 5168
Бумага офсет №1, плотность 65 г/м2
Издательство «Техносфера»
Москва, Лубянский проезд, дом 27/1
Диапозитивы изготовлены ООО «Европолиграфик»
Отпечатано в ППП «Типография «Наука»
Академиздатцентра «Наука» РАН
121099 Москва, Шубинский пер., 6