※正达电路板故障检测设备：[深入]模拟器件功能测试通道与运放放大功能测试

【正达电路板故障检测设备系列论文】

 

 

[深入]模拟器件功能测试通道与运放放大功能测试

 

 

摘要：（【正达电路板故障检测设备系列论文】）模拟器件功能测试通道是正达测试仪独有的测试通道，对于检测集成运算放大器等各类模拟器件的功能和性能至关重要。

 

关键词：模拟器件功能测试通道；运放波形功能测试；运放放大功能测试

 

0.前言

    在线电路测试仪对集成运放具有多种测试方法。比如VI曲线测试、运放波形功能测试和运放放大功能测试。

    VI曲线(电压-电流)测试不属于功能测试，是通过测试运放管脚阻抗特性的变化来发现故障。实践表明：许多运放即使出现严重性的功能故障，管脚阻抗特性也没有发生变化，因而采用VI曲线测试时看不出丝毫问题。例如：TLE2144,OPA551等运放。在长期维修实践中发现，这绝不是个别现象，而是一种极为普遍的现象。北京正达电路板维修中心积攒了大量这样的故障运放，愿意与感兴趣的维修同行交流。VI曲线测试对于测试运放等模拟器件来说存在明显劣势。

    运放波形功能测试和运放放大功能测试都属于功能测试，是判断运放故障的重要手段。

 

 

1.运放波形功能测试的原理和实现

    运放波形功能测试原理是：将运放的输出端和反相输入端模拟连通，构成电压跟随器的形式。见图1左。电压跟随器是简单的运放电路，近似于1倍放大，在电路中具有前后级缓冲和隔离作用。这种特性常被用来判断运放功能好坏。由于电压跟随器形式的运放同相/反相两个输入端电位相等，简称“虚短”。因此，当测试仪从运放的同相输入端施加一个模拟TV曲线(时间-电压)波形信号时，功能正常的运放会在其输出端提取到一个同样的模拟TV曲线波形，从而判断运放功能好坏。

       运放波形功能测试原理示意图                           正达测试仪运放波形功能测试窗口

图1

 

    实测中，在运放同相输入端施加一个正弦波信号。若从运放输出端提取到的波形和同相输入端施加的波形两者重合，而且都是完整不失真的正弦波信号，则运放功能正确。两者不重合或超差，运放功能故障。见图1右。

 

2.运放波形功能测试的优点和缺点

    运放波形功能测试的优点是能够反映运放的线性度，显示效果直观好看。但缺点也非常明显：

    ①无法测试运放的电压输出峰值参数，不能区分不同类别运放的特性差异。

    ②用于在线电路板维修时，对某些连接关系无法波形测试。例如：当运放同相输入端接地或接电源时，输入信号无法施加，自然也就无法在线进行运放波形功能测试。

    ③会漏判运放某些故障。例如：运放同相输入端和反相输入端短路，在同相输入端施加的输入信号相当于被直接连通到运放输出端。这时，输入的TV曲线波形和输出端提取的TV曲线波形两者必然重合一致。因此可以通过运放波形功能测试，从而漏判同相/反相两个输入管脚的短路故障。

    ④功率型运放不适合进行运放波形功能测试。例如：所有音频运放都不能采用波形功能测试。LM386和LM387等，采用波形功能测试时显示窗口中会出现大量散点。

    以上这些问题只有运放放大功能测试才能够解决。所以，只提供运放波形功能测试这一种功能测试方法是不够的。

 

3.模拟器件功能测试通道具有独特优势

    正达测试仪具有专用模拟器件功能测试通道，可实现运放放大功能测试。运放放大功能测试的原理是建立在运放非线性应用方式这个基础上的。

    运放放大功能测试需要施加和采集-12V~+12V范围模拟信号，测试结果以运放电压输出峰值参数的形式显示，即运放输出管脚接近于正/负电源电压的电压输出值。

    运放电压输出峰值参数是一个重要的参数指标，不但能够反映出相同类型、不同型号运放之间的性能差异，也能够反映出某个运放内部各个单元的性能一致性。还能够对运放复杂的在线连接关系自适应判别，自动调整施加的测试信号。也能够直接测试音频运放等功率型运放器件。

 

4.区分不同类别运放器件之间的特性差异

    许多运放的外形封装、管脚排列和功能结构完全相同，但输出特性差别很大。例如：四运放LM324,LM348,LF444等。见图2.

   

图2

 

    若只采用运放波形功能测试，只能判断这三种运放是否功能损坏，看不出它们之间的特性差异。若通过模拟器件功能测试通道进行运放放大功能测试，则属于这三种运放各自的特性就会表现出来。见图3~5.

    

    ①LM324波形功能测试(左)和放大功能测试(右) 

图3

 

    ②LM348波形功能测试(左)和放大功能测试(右) 

图4

 

    ③LF444波形功能测试(左)和放大功能测试(右)

  
图5

 

    图3~5是分别对LM324,LM348,LF444这三种运放进行运放波形功能测试(左图)和运放放大功能测试(右图)的测试结果。

    从运放波形功能测试上看不出这三种运放的差别。从运放放大功能测试上看，在施加±12V测试电源和相应模拟测试信号后，LM324,LM348,LF444这三种运放各自自身内部4组封装的电压输出峰值参数完全一致。同时，这三种运放相互之间的电压输出峰值参数差别明显。

   

    以每种运放内部第1组封装的输出为例：(Vop+和Vop-分别表示正向/负向峰值电压输出)

    LM324的Vop+=10.40V, Vop-=-11.91V, Vop+<Vop-

    LM348的Vop+=11.06V, Vop-=-9.84V,  Vop+>Vop-

    LF444的Vop+=10.59V, Vop-=-10.68V, Vop+≈Vop-

 

    可发现这样一个规律：LM324的Vop+<Vop-，LM348的Vop+>Vop-，LF444的Vop+≈Vop-.这个规律只有通过运放放大功能测试才能反映出来。

    需要强调的是：这绝不是某三个运放个体之间的差别，而是这三种型号运放类别之间的差别。上述测试结果和测试规律是这三种型号运放的各自性能特性，可重复验证。

 

5.运放放大功能测试的实际应用意义

    运放放大功能测试的应用意义在于：不仅要测试运放的基本功能，还要测试运放的参数性能。

    ①某种运放只有满足其电压输出峰值参数特性规律的，才可视为性能完好。

    ②多个同型号运放相互比较测试，某个Vop+和Vop-低于其它运放的性能不好。

    ③某种运放内部各组封装的电压输出峰值参数值不一致的，可视为性能不好。

    ④即使运放型号标识不清或被故意涂抹掉型号，也能通过运放放大功能测试将它们准确归类，而非仅仅简单判断运放大致功能的笼统归类。

    还有一个典型应用：检测轨到轨运放的实际性能。所谓轨到轨运放是指输出峰-峰值电压达到或非常接近电源电压的一类运放。例如：LM358(普通运放)和SGM358(轨到轨运放)功能结构相同，SGM358的输出峰值会明显高于LM358,近似于电源电压。

    采用+5V测试电源对SGM358进行放大功能测试，SGM358的电压输出峰值参数值确实完全达到+5V.当需要使用轨到轨运放时，通过运放放大功能测试，能够明确轨到轨运放是否符合性能要求。

    以上这些都是运放波形功能测试所不具备的。

 

6.运放放大功能测试在线测试优势

    以下是一个LM324运放的在线放大功能测试实例。这个LM324通过了在线放大功能测试。见图6.

 

图6

 

    从图6运放在线自身连接图并结合图2右图可以看出：该LM324采用±12V测试电源(管脚4和管脚11)进行放大功能测试。其内部第1单元和第3单元的同相输入端(管脚3和管脚10)接地，第2单元的同相输入端(管脚5)接电源。处于这种连接关系的运放，只能将运放从电路板上拆卸下来离线进行波形功能测试。

    而通过模拟器件功能测试通道实现的运放放大功能测试，可以在线自动调整测试信号，轻松完成对这个运放的在线功能测试。

 

7.运放放大功能测试在功率型运放方面的测试优势

    功率型运放全都不适合进行波形功能测试。由于这类运放比较多，也反映出了运放波形功能测试的局限性。

    以低压音频功率放大器LM386实测为例。见图7.左图是对LM386进行波形功能测试。可见到波形显示窗口中出现了大量散点，波形曲线模糊不清。右图是对LM386进行放大功能测试。测试正常。

 

图7

 

8.结语

    模拟器件功能测试通道极为重要，通过模拟器件功能测试通道可实现运放放大功能测试，测试运放的功能和性能。适应力强，可在线测试运放各种连接关系，测试各种功率类型运放等。

    正达ZD9001-E型在线电路维修测试仪及以上机型，模拟器件功能测试通道和运放放大功能测试是标配，具有明显优势。