工业电路板维修入门 ：运放和比较器原理新解与故障诊断

模电等于简电 电路原理解析的新思路 故障检修的新方法 让原理分析回归电路本身 让故障检修回归元器件本身如果能够“看出来”，就没有必要去“算出来”。

 

运放和比较器电路是模拟电路阵营中的生力军，占据了“模电”的大半壁江山。本书走出了一条“模电等于简电”的路子，让模电原理中的大部分难点与盲点，均在书中以“直捷的、生动的新解方式”得以破解。而要点在这儿：本书同时给出运放和比较器故障诊断的新方法，读者会发现测试一片运放/比较器芯片好坏的难度，并不比测试一只晶体管或一只电容器的难度更高！书中主要介绍运放电路和电压比较器原理与故障诊断：第1篇介绍运放电路原理与故障诊断方法；第2篇介绍电压比较器原理与故障诊断方法；第3篇通过大量案例介绍模拟电路故障的诊断与检测方法。本书采用“大话”的形式，把复杂的电路原理用通俗易懂的方式进行介绍，帮助读者快速掌握工业控制线路板的故障检修技术。本书可供广大电工、工控行业人员阅读，也可供本科或职业院校电气专业师生参考。

第1篇 运放电路原理新解与故障诊断

第1章为何要“新解”运放？002

1.1　引子002

1.2　笔者学习和掌握运放电路的历程002

1.3　本书所涉及电路内容005

1.4　检修运放电路的理论基础006

1.4.1　欧姆定律006

1.4.2　“电流检测法”与“成片检测法”的提出007

1.4.3　所有运放都是直流放大器，所有信号都是直流电压信号009

1.4.4　“虚断”与“虚短”规则，既是原理又是检测依据010

1.5　为何要“新解”运放电路？010

第2章运放原理初阶012

2.1　运放特性简说012

2.2　运放符号及结构简析013

2.2.1　运放的原符号和新符号013

2.2.2　运放电路的开环表现013

2.3　电压跟随器的电路类型和工作原理015

2.3.1　串联分压电路的结果估算015

2.3.2　电压跟随器基本电路017

2.3.3　电压跟随器的电路构成019

2.3.4　实际电路举例026

2.3.5　电压跟随器电路的故障检修026

第3章同相放大器原理与故障检修027

3.1　同相放大器工作原理简述027

3.2　同相放大器故障检修要点028

3.2.1　“虚断”规则不成立，器件（芯片）坏028

3.2.2　“虚短”规则不成立，故障从此处查起029

3.2.3　运放器件既符合比较器规则，偏置电路又符合分压规则，但电路状态显然不对，故障何在？030

3.2.4　不易觉察的故障现象：“虚短”质量变差，输出值稍微偏低031

3.3　专门适用于同相放大器的检修规则032

3.3.1　反相输入端接地端电阻开路，同相放大器变身为电压跟随器032

3.3.2　同相输入端悬空时，测试输入或输出电压表现异常032

3.4　同相放大器/电压跟随器的电路实例034

3.5　同相加法器电路035

3.5.1　同相加法器原理解析035

3.5.2　同相加法器检测要点036

3.6　同相放大器故障检修实例036

第4章反相放大器原理与故障检修037

4.1　反相放大器的电路结构037

4.2　反相放大器原理简析037

4.3　反相放大器分析方法038

4.4　加法器/反相求和电路040

4.4.1　计算简易的反相求和电路040

4.4.2　计算稍为烦琐的反相求和电路040

4.5　反相放大器的故障检修规则041

4.6　实际应用电路举例042

4.7　反相放大器电路故障检修实例042

第5章差分（减法器）电路原理与故障检修043

5.1　差分放大（衰减）器基本电路形式和工作原理043

5.1.1　差分放大器基本(等效)电路原理简述044

5.1.2　差分放大器分析方法044

5.2　预加偏置电压的差分放大器046

5.2.1　工作原理解析046

5.2.2　电路动态过程分析047

5.3　输入信号和运放供电电源不共地的差分放大器047

5.3.1　电路分析法1047

5.3.2　电路分析法2048

5.3.3　更简单的图示分析法049

5.4　用差分电路构成的恒流源电路049

5.5　仪用放大器（高阻抗输入的差分放大器）050

5.5.1　仪用放大器基本电路形式050

5.5.2　模拟电路偏偏不用于对模拟信号的处理051

5.5.3　芯片式仪用放大器的电路实例052

5.6　差分放大器检修方法053

第6章精密半波和全波整流电路原理解析057

6.1　精密半波整流电路057

6.2　常见全波精密整流电路形式059

6.2.1　精密全波整流电路之一059

6.2.2　精密全波整流电路之二060

6.3　精密半波、全波电路的故障检修方法061

第7章单电源供电的运算放大器062

7.1　单、双电源供电运放及代换事项062

7.2　单电源运放作为放大器应用时的技术措施063

7.3　芯片代换结论064

第8章基准电压的来源065

8.1　由电源电压经电阻串联分压产生的基准电压065

8.2　由运放电路生成的基准电压066

8.3　“专业”基准电压源电路之一067

8.4　“专业”基准电压源电路之二067

8.5　可编程基准电压源电路068

第9章放大器的预置基准070

9.1　“潜”的基准——不需要另外增设的基准070

9.2　“显”的基准——双电源供电运放额外设置的基准071

9.2.1　从 5V供电端取得基准的电压跟随器电路071

9.2.2　/5V基准电压输入的加法器/反相求和电路072

9.2.3　/3.3V基准电压输入的加法器/反相求和电路072

9.2.4　3种电路的总结073

9.3　单电源供电的运放电路基准的设置074

第10章  恒流源电路076

10.1　电压跟随器结构的恒流源电路076

10.1.1　电路工作原理简述076

10.1.2　图1/10/2恒流源电路的故障检测要点078

10.2　单端输入、双端输出式差分放大器的恒流源电路078

10.2.1　电路实例和电路化简1、2的深入分析078

10.2.2　电路化简3的深入分析080

10.3　双端输入、双端输出式差分放大器的恒流源电路081

10.3.1　V/I转换/恒流源主电路及化简电路的初步分析081

10.3.2　深度化简和深度分析082

第11章  可编程放大器084

11.1　电路原理解析084

11.2　电路故障检测方法085

第12章  微积分电路原理及检修086

12.1　积分、微分电路的基本概念086

12.2　由运放器件和RC电路构成的积分电路088

12.2.1　电容充电的3个过程和3种表现088

12.2.2　电容充电过程中的调控作用导致放大器发生的“三次变身”089

12.2.3　积分电路的检修要点（以应用广泛的反相积分放大器为例）090

12.3　由运放器件和RC电路构成的微分电路091

12.3.1　电路特性分析091

12.3.2　微分电路检修要点092

12.4　在结构上一样的电路，如何区分是反相放大器还是积分电路？092

第13章  认识IC器件094

13.1　芯片的温度序列094

13.2　IC器件的封装形式095

13.3　芯片的性能序列097

13.3.1　以284xx系列开关电源芯片为例097

13.3.2　以TL0xx系列芯片为例098

13.4　芯片的代换问题099

第2篇电压比较器原理新解与故障检测方法

第1章电压比较器综述102

1.1　基本电路和相关定义102

1.2　提出新符号和简要定义104

1.2.1　初识电压比较器104

1.2.2　建立电压比较器的新符号105

第2章电压比较器的常用电路形式108

2.1　基本电路形式——“点”（单值）比较器108

2.2　“段”（滞回/迟滞）比较器109

2.3　梯级电压比较器电路110

2.4　“片”（窗口）比较器电路110

2.5　具有“双重身份”的比较器电路——梯级比较器和窗口比较器的组合电路111

第3章比较基准的设置和来源113

3.1　基准电压电路113

3.2　由电路形式预判正常输入信号的电压幅度和范围114

第4章电压比较器的在线鉴别及故障诊断116

4.1　在线鉴别比较器和运放器件的方法116

4.2　比较器的检修思路和方法117

4.2.1　检修思路117

4.2.2　检测方法118

第5章电压比较器的应用特例120

5.1　10V基准电压发生器电路120

5.2　驱动电路的供电电源电路121

5.3　故障检修思路121

第3篇模拟电路故障的诊断与检测

第1章小试牛刀：简单点的模拟电路——温度检测电路124

实例1  运放芯片影响了分压值：“虚断”规则已经不成立——宝德BEM200型3.7kW变频器，上电报E.OH故障124

实例2　也许“虚断”不成立是运放芯片损坏后常见故障——CVF/G3型11kW变频器上电显示故障代码Er.11125

实例3　处理模拟信号也不一定就会用到运放芯片——ABB/ACS550型22kW变频器温度控制检测电路126

实例4　当电压跟随器的输出电压不等于输入电压时——康沃FSCG型4kW变频器上电显示ER11故障代码127

实例5　看似复杂，其实简单的检测电路——富士5000G1S/55/75kW变频器上电报OH3故障128

实例6　不要让外围电路牵连运放芯片——艾瑞克E700型45kW变频器上电报过热故障130

实例7　开关信号和模拟信号“混搭”的温度检测电路——台达VFD300B43A型45kW变频器上电报过热故障131

实例8　传输模拟信号偏偏不用运放！——汇川MD300型5.5kW变频器上电误报Err14故障132

第2章也不算复杂：直流母线电压检测电路134

实例1　运放芯片的表现不讲道理/——微能WIN/9P型15kW变频器遭雷击后报LU故障的修复134

实例2　偏置电路的“失职”，导致运放电路的“身份”改变——艾瑞克EI/700型55kW变频器报OU（过电压）故障检修136

实例3　基准电压的高低由MCU说了算——丹佛斯VLT2815型3.7kW变频器电压检测电路故障检修137

实例4  简单点的电路也能完成任务——艾默生SK型2.2kW变压器上电报欠电压故障138

实例5　运放器件可以坏出这种现象——普传PI3000型55kW变频器报LU故障139

实例6　供电电源是否正常要永远放在检测的第一位——众辰H3400型1.5kW变频器上电显示OU0代码140

实例7　基准电压的地位其实不低于电源电压——德瑞斯DRS2800型3.7kW变频器过电压报警141

实例8　总有例外的电路结构和形式——嘉信JX/G型37kW变频器上电产生OU报警142

实例9　万物都会衰老——日立SJ300型22kW变频器上电报欠电压故障144

实例10　可调元件，提供方便的同时又带来故障隐患——派尼尔VF500G型，上电产生直流母线欠电压报警146

实例11　别太依赖万用表——四方E380型55kW上电报欠电压故障147

实例12　器件的衰变并不罕见——ABB/ACS550型22kW变频器启动时显示“机器未准备好”147

实例13　没有好办法就全部焊点来一遍——ABB/ACS800型75kW偶尔报欠电压故障149

实例14　不按规则“出牌”必遭淘汰——正泰NVF2型55kW变频器上电报OV3故障之一150

第3章认识贴片IC元件151

3.1　贴片IC的封装形式和种类151

3.2　贴片IC的种类153

3.2.1　数字IC电路153

3.2.2　模拟IC电路，主要由集成运算放大器（简称运放电路）组成154

3.3　如何辨识贴片IC器件的产品型号155

3.3.1　从印字（标注字符）上确认型号155

3.3.2　借助元器件本体上的标志确认起始脚的办法156

3.3.3　MCU/DSP器件的辨别方法158

3.3.4　区分数字IC和模拟IC器件的方法159

3.3.5　从电路构成判断器件类型160

3.4　贴片IC的代换163

第4章如何“跑”电路及线路板测绘164

4.1　先认识一下实物164

4.2　先确定要跑的大致区域167

4.2.1　输出电流检测电路的区域划定167

4.2.2　直流母线电压检测电路的区域划定168

4.2.3　其他电路的区域划定168

4.3　先找地、供电端169

4.4　知道在哪里停就会画了171

4.5　攻克一路，全军缴械171

4.6　画电路图的方法172

4.6.1　先按物理位置画草图，再加以整理172

4.6.2　直接将IC拆分后画出173

4.6.3　画出来看不懂就失去意义——整理的重要性175

第5章预测学及其他177

5.1　信号电压预测学（前、中、后级电路之间的电压结构关系）177

5.1.1　图3/5/1所对应实际电路的电路形式判断和关键点的电压预测177

5.1.2　图3/5/2所对应实际电路的首端、末端信号电压值预测178

5.1.3　图3/5/3所对应实际电路的前、中、后级电路的电路结构及电压值预测179

5.2　交流和直流，静态和动态，电压和电流180

5.3　“虚断”规则不仅仅是运放电路的专利182

5.4　可以动手脚的地方和不能动手脚的地方183

5.5　“脑洞大开”使普通检修装备的“潜能”得以显现184

第6章先两端后中间与扫雷法及其他186

6.1　电流检测电路中各点电压预测186

6.1.1　电流传感器输出状态186

6.1.2　模拟量信号处理的第一级——运放芯片IC500的输入端和输出端的状态187

6.1.3　接地故障检测电路的输出端状态189

6.1.4　短路故障检测与报警电路的输出状态190

6.1.5　过载故障检测与报警电路的输出状态190

6.2　继续答疑191

6.3　先两端后中间的快速检修法192

6.3.1　对模拟量信号传输电路来说192

6.3.2　对接地故障检测电路来说193

6.3.3　对图3/6/1整体电路来说194

6.4　故障点“扫雷法”194

6.5　电路“首尾一通”法195

第7章变频器输出电流检测电路实例197

7.1　输出电流检测电路的经典结构197

7.2　输出电流检测电路实例1198

7.2.1　简述电路原理及电路构成198

7.2.2　故障诊断思路和诊断方法199

7.2.3　故障检修步骤和注意问题201

7.2.4　图3/7/2电路的故障检修203

7.3　输出电流检测电路实例2204

7.3.1　图3/7/4电路结构简析204

7.3.2　图3/7/4电路故障检测204

7.4　输出电流检测电路实例3206

7.4.1　首重两端，忽略中间206

7.4.2　光看静态，不管动态206

7.4.3　庖丁解牛，不见全体208

7.4.4　奇怪结果，冷静分析208

第8章“混搭”的模拟量信号输出电路210

8.1　模拟开关、光耦合器、运放的“混搭电路”210

8.1.1　化简电路和原理简析210

8.1.2　检修步骤和方法212

8.2　光耦合器、电压比较器、运放器件的“混搭电路”213

8.2.1　电路原理简述213

8.2.2　故障检修方法214

参考文献216

 

经常有朋友问我：要掌握工业控制电路板的故障检修，看哪些书有用？我常常无言应对。电子电路类的书籍浩如烟海，但想找出几本特别管用的书来，也真难。于是心中慢慢地动了写一本基础书的念头：到时候可以推荐朋友们看我的书了。

自2012年前后至今，此念头也动了有10年了。近来将其成书的愿望尤为强烈，年龄已近花甲，人生几多无常。趁着手眼尚健，需要把该干的事情干了。

笔者一直想把模拟电路原理及故障检修的思路好好梳理一下，有与大家共享其中一些心得的愿望。其间陆续地在网上论坛发了多篇有关运放、比较器等基础电路的帖子，广大网友的热情回复和评论，给了我莫大的鼓励！所发文章此后又被几十家网站大量转载，也说明这些东西还是有用的，这在一定程度上坚定了我写作此书的信心。

模拟电路原理的学习之难已成共识，尤其是微积分部分更成拦路之虎。传统模式的模拟电路原理讲解，多由数学公式推导演绎，而少从器件特性、动态变化的电路模型角度来分析（后者才是应该去做的吧）。依笔者之见，从电容的物理特性—充放电的现象与变化入手，则浅显易懂（问题突然变得简单了）。可惜的是，一般书籍是从微积分的数学解题入手，将物理课上成了数学课。即使学生试卷上得了满分，也仅仅说明其数学计算能力过关，对电路原理并未能真正领会。

深感电子电路原理学习之累，故本书不避浅陋，不揣冒昧，简说运放/比较器原理及检修原则。形成文字之际，与一般技术文章写作的模式相反，尽量不碰不翻相关资料，只凭自己的经历和记忆，甚至凭自己的直觉一路痛快地写下来，是怕计较多了，思虑多了，又会落入老套。就想着不管不顾，单刀直入探其本源，先写个痛快再说。

能否有一些简单的方法、直捷的路子，先让学生理解学会了（哪怕是较浅层次地学会），然后再深入提高。如针对微积分电路，从电容充放电的物理表现角度切入，让原理分析与故障检修回到电路本身和器件本身上来，效果是否更好？而其实，研究和设计是一条路，线路板的故障检修应该是另一条路，研究型和应用型的路子应该在特性互补的同时具备两种走法才对。在笔者多年工业电路板的教学实践中，确实摸索出了一套较为快捷和易于接受的讲解方法，使学员能在短期内切实掌握运放原理分析及故障检修技能。

也许模电（模拟电路的简称）不一定等于“魔电”或“磨电”，也许有一条模电→简电的小道可行，没准这恰好是一条比较省力气又容易走得通的路。

所谓原理新解，如对某一电路的解析，包括对该电路结构的认识，并不一定有唯一的解析，这和数学题“一题数解”的道理是一样的。也许有读者会给出更高明的解法，我应该点赞！同时这也很值得期待。所谓原理新解，系出于个人角度之试解，当然深具个人风格，也深受个人局限，限于本人的水平和条件，可能会产生漏解或错解，如与相关理论有所不契合之处，诸君当“依法不依人”给予纠正为是，当然也欢迎探讨与指正！

关于模拟电路的故障诊断和检测，笔者阅读过大量国内外相关技术书籍，仍然感到：真正有益的、有效的、有用的理论指导或实践指导的书，仍属空白，仍需要有人来填补这个空白！希望本书多少能将这块空白填充一部分，并且能产生抛砖引玉的功效吧。

登山一定有两种方案：

其一，在登山之初，首先需要一条明确的道路，哪怕是小道儿。再就是一些简易工具，如绳索、开山镰等。这些条件使登山行动可以马上得以实施，而且大部分人是可以上去的。

其二，登山者到了一座雄伟险峻的高峰面前，只见云雾缭绕，路径难辨，两手空空没有登山装备，大多数人只有望峰兴叹了。少数人转而准备无人机、对讲机、防蛇药、露营睡袋、野外生存手册、登山路线图册，组建试登一组、试登二组，等等。其中，多数人未及准备就位，已经在返程的途中了，少数人中的少数人当然也是可以登峰的。

笔者提供给大家的是第一种方案：不完备、不严谨、有缺点，但具有简易直达的效果！如果能用化简图示说清楚道理和结果，就不用数学公式来推导；如果从物理的角度能叙述清楚，就不让数学味儿弥漫于文字之中—如果能够“看出来”，就没有必要去“算出来”。知识是工具，而固化的知识同时又成为藩篱。知识不易到达的地方，智慧可以登场，水是可以穿过藩篱的。

电子电路检修的极致，不是去往电路理论的高处走，而是往电路基础的方向走，最后仅仅是串联分压、并联分流—对欧姆定律的纯熟应用而已。欧姆定律/串联分压电路是运放电路、电压比较器的基础，运放和电压比较器又是一切集成芯片、数字电路、电源芯片、MCU/DSP等的构成基础。

检修的思路、法则应该是：简单些、还能再简单些，清楚直接、有办法解决。而不是：复杂、应该再复杂些，以至于云山雾罩，彻底迷失方向。让原理分析回归电路本身，让故障检修回归元器件本身。

这本书并非知识的库藏性展览，而在于“闻一而知二三”的启发性作用。如果有幸为相关的主流知识界所接纳，用于本科或专科院校、职业中专等教学单位作为教材使用（笔者在此也郑重推荐一下），从而不仅有助于广大工控同行提高对模拟电路故障的诊断和检修能力，更能益于广大学子扎实地掌握电子电路知识，是笔者所期冀也。

此外，尚有几点提请读者朋友注意：

① 本书第1篇和第2篇关于原理解析的部分，所列举电路示例，相对于实际电路来说，做了适度化简，如省掉滤波元件等。第3篇检修实例中，则完全忠实于电路原貌。

② 本书中的相关数据或数值，一般对小数点后的第2位不予关注，并且处理数据有“差不多”“大概其”“接近于”“约等于”的趋向，这是笔者长时间检修中养成的习惯。笔者的一些方法和相关分析，有时系“个人所见”，可能尚有值得商榷之处。另外，本书行文风格，也必然深深打上“咸老师风格”的烙印，直抒胸臆，有时可能就疏忽了规范（虽然已经有所注意）。

③ 本书电路实例，采用上述各种设备的实际电路，是笔者由线路板实物测绘所得的电路图，均系第一手资料。由于笔者精力和技术能力所限，本书电路实例和文字分析可能存在不足之处，请读者朋友注意。

感谢我的家人和友人们的支持。感谢我的读者们，是你们广泛的支持和无边的爱，成就了本书。

咸庆信