4.9故障诊断
几乎每一个电子设备中都有电源，通常是整流器驱动电容输入滤波器，后面再连接稳压器（稍后讨论）。该电源产生的直流电压适合于晶体管和其他器件的需要。如果某电子系统不能正常工作，应首先从电源电路开始进行故障排查。多数情况下，设备故障是由电源问题引起的。
4.9.1诊断过程
假设对图4-22所示电路进行故障诊断。可以首先测量直流负载电压，这个电压应该和二次电压的峰值近似相等。如果不等，则有两种可能的原因。
首先，如果没有直流负载电压，可以用浮地的模拟万用表或数字万用表测量二次电压（交流挡），读数是二次电压的有效值。将这个值换算成峰值电压，可以在有效值的基础上增加40%作为对峰值的估算。如果这个值是正常的，那么可能是二极管有问题。如果二次线圈上无电压，则有可能是熔丝熔断或变压器故障。
另外，如果有直流负载电压，但是电压值偏小，则用示波器观测直流负载电压并测量纹波大小。纹波的峰峰值为理想负载电压的10%左右是正常的。纹波电压可以比这个值大一些或小一些，这取决于电路设计情况。此外，对于全波整流器和桥式整流器，纹波频率应该是120Hz，如果纹波是60Hz，则其中的一个二极管有可能开路。
4.9.2常见问题
这里列出了带有电容输入滤波器的桥式整流器中最常出现的故障：
1. 如果熔丝开路，则电路任何一处都没有电压。
2. 如果滤波电容开路，则直流负载电压偏低。因为输出是没有经过滤波的全波信号。
3. 如果其中一个二极管开路，则直流负载电压偏低。因为此时只是半波整流，而且此时的纹波频率是60Hz而不是120Hz。如果所有的二极管都开路，则没有输出电压。
4. 如果负载短路，熔丝会熔断。而且，可能一个或多个二极管损坏，或变压器损坏。
5. 有时滤波电容老化漏电，这时直流负载电压会减小。
6. 变压器绕组也会偶然短路，直流输出电压会减小。此时，变压器通常会发烫。
7. 除了这些故障，还会遇到焊锡桥、虚焊点、不良连接等问题。
表4-4列出了这些故障及其现象。
例4-11当图4-23所示电路正常工作时，二次电压的有效值为12.7V，负载电压为18V，纹波的峰峰值为318mV。如果滤波电容开路，直流负载电压如何变化？
解：电容开路时，电路变为无滤波电容的桥式整流器。因为没有滤波，所以用示波器测量负载两端的电压时，将显示峰值为18V的全波信号。其平均值是18V的63.6%，即11.4V。
例4-12假设图4-23所示电路中的负载电阻短路，描述电路的现象。
解：负载电阻短路使得电流值增至很高，这会使熔丝熔断。而且，在熔丝熔断之前，一个或数个二极管可能被烧毁。通常，一个二极管的短路会造成另一个整流二极管也短路。因为熔丝熔断，所有电压的测量值为零。如果观察熔丝或用欧姆表测量熔丝，会发现熔丝是断路的。
应该在关掉电源后用欧姆表检查二极管是否损坏。还应该用欧姆表测量负载电阻，如果负载电阻测量值为零或很小，则将有更多的故障需要诊断。
这些故障可能是负载电阻上出现焊锡桥、错误的连接或其他各种可能。熔丝偶尔也会在负载非短路情况下熔断。但关键是，如果出现了熔丝熔断，则应检查二极管可能出现的损坏以及负载电阻可能出现的短路。
本章最后的故障诊断练习包含八种不同的故障，包括二极管开路、滤波电容故障、负载短路、熔丝熔断、接地点开路等。
4.10削波器和限幅器
低频电源中使用的二极管是整流二极管。这些二极管在60Hz工作频率下具有优化特性，其额定功率高于0.5W。典型的整流二极管的正向额定电流在安培量级。整流二极管在电源电路以外很少应用，因为电子设备中大部分电路的工作频率要高得多。
4.10.1小信号二极管
本节要用到小信号二极管，这些二极管的高频特性是优化的，其额定功率小于0.5W。典型的小信号二极管的额定电流在毫安量级。正是由于轻而小的结构使得这些二极管可工作在更高的频率。
4.10.2正向削波器
削波器是将信号波形中的正向或负向部分去除的电路。这种处理在信号整形、电路保护和通信中非常有用。图4-24a所示是一个正向削波器，该电路削除了输入信号中的所有正向部分，因此输出中只留有负半周信号。
下面讨论电路工作原理。在正半周，二极管导通，如同将输出端短路。理想情况下，输出电压为零。在负半周，二极管开路。此时，负半周的信号出现在输出端。通过精心的设计，使串联电阻远小于负载电阻，因此图4-24a中负向输出峰值为
。
考虑二阶近似，二极管的导通压降为0.7V，因此削波电平不是零，而是0.7V。例如，当输入信号的峰值为20V时，削波器的输出如图4-24b所示。
图 4-24正向削波电路和波形
4.10.3定义条件
小信号二极管的结面积比整流二极管小，适宜在高频区工作。结面积小的结果是体电阻比较大。小信号二极管1N914的数据手册给出，该二极管在1V电压下的正向电流是10mA。其体电阻为：
体电阻为何重要？因为只有串联电阻
远大于体电阻时削波器才能正常工作。而且只有当串联电阻
远小于负载电阻时，削波器才能正常工作。为了使得削波器正常工作，给出如下定义：
这说明，串联电阻必须比体电阻大100倍，且小于负载电阻的1/100。如果削波器满足这些条件，则称为准理想削波器。例如，当二极管的体电阻为30Ω，则串联电阻至少为3kΩ，负载电阻至少为300kΩ。
4.10.4负向削波器
如果把二极管的极性颠倒，将得到负向削波器，如图4-25a所示。该电路将除去信号的负半部分。理想情况下，输出波形只有正半周信号。
由于二极管存在偏移电压（势垒的另一种表述），所以削波效果并不理想，削波电平为-0.7V。当输入信号的峰值为20V时，输出信号如图4-25b所示。
图 4-25负向削波器电路和波形
4.10.5限幅器或二极管钳位
削波器在波形整形中非常有用，但是相同的电路可以在完全不同的情况下使用。在图4-26a中，正常输入信号的峰值只有15mV，因此正常的输出与输入信号相同，因为两个二极管都不导通。
如果二极管不导通，那么这个电路有什么作用呢？假设有一个敏感电路，这个电路不能接收过大的信号，可以采用正、负向限幅器对输入进行保护，如图4-26b所示。如果输入信号高于0.7V，输出会被限制在0.7V；另一方面，如果输入信号低于-0.7V，输出则被限制在-0.7V。在该电路中，正常的工作条件是输入信号的正、负向幅度始终小于0.7V。
敏感电路的一个例子是运算放大器，该集成电路将在后面章节讨论。典型运算放大器的输入电压小于15mV，高于15mV的电压是不常见的，如果电压高于0.7V则属异常。运算放大器输入端的限幅器会避免意外情况下出现的超大输入电压。
一个更常见的敏感电路的例子是磁电式电表。采用限幅器，可以保护电表正常工作，而不被过载电压或电流烧坏。
图4-26a所示的限幅器也叫作二极管钳位，这个术语表明它将电压钳位或限制在特定的范围内。采用二极管钳位时，正常工作条件下，二极管处于关断状态，只有出现信号过大这种异常情况时，二极管才导通。
图 4-26二极管的限幅应用
知识拓展 负向二极管钳位经常用在TTL数字逻辑门的输入端。
4.10.6带偏置的削波器
正向削波器的参考电平（同削波电平）的理想值为零，考虑二阶近似则为0.7V。如何才能改变这个参考电平呢？
在电子系统中，偏置是指加入一个外部的电压来改变电路的参考电平。图4-27a所示电路是通过偏置改变正向削波器的参考电平的例子。在二极管支路上串联直流电源，就可以改变削波电平。正常工作时，电源电压V必须小于
。对于理想的二极管，只要输入电压超过V，二极管即刻导通。考虑二阶近似，则当输入电压超过（V+0.7)V时，二极管导通。
图4-27b所示是对负向削波器的偏置。注意到二极管和电池极性是相反的，因此参考电平变为(-V-0.7)V。输出波形在该偏置电平处被负向削波。
图 4-27带偏置的削波器
4.10.7组合型削波器
可以把两个带偏置的削波器组合为如图4-28所示的电路。二极管
将削平大于正向偏置电平的电压，同时二极管
将削平小于负向偏置电平的电压。当输入电压比偏置电平大很多时，输出信号呈现方波，图4-28所示是另一个用削波器进行波形整形的例子。
4.10.8电路的变化形式
用电池设置削波参考电平是不实际的，一种常用的方法是加入更多的硅二极管，每个二极管可以提供0.7V的偏置电压。图4-29a所示的正向削波器中使用了三个二极管，由于每个二极管提供约0.7V的偏移电平，三个二极管提供大约2.1V的削波电平。这种应用不局限于削波器（整形），还可用于二极管钳位（限幅），以保护不能承受高于2.1V输入的敏感电路。
图4-29b所示是另一种不用电池偏置的削波器。这里，用分压器（
和
）设置偏置电平，由下式给出：
在这种情况下，当输入电平高于（
）V时，输出电压即被削平或限幅。
图4-29c所示是带偏置的二极管钳位电路，可以用来保护敏感电路不被过载输入电压损坏。偏置电压可以任意设置，这里是+5V。有了这样的电路，具有破坏性的+100V的电压不可能到达负载，因为二极管将输出电压最大值限制在5.7V。
有时，将电路做如图4-29d所示的改变，就可消除由限幅二极管
带来的失调偏差。原理如下：二极管
偏置在正向微导通状态，其两端的电压约为0.7V。该电压加在与
串联的1kΩ和100kΩ电阻上，则二极管
处于临界导通状态。因此当输入信号到来时，在0V附近就可使二极管
导通。
图 4-29电路的变化形式
4.11钳位器
前文讨论过用于保护敏感电路的二极管钳位。本节将要讨论钳位器，二者是不同的，不要混淆这两个相近的名称。这里的钳位器在信号中加入了直流电压。
4.11.1正向钳位器
图4-30a显示了正向钳位器的基本原理。当输入是一个正弦信号时，正向钳位器在正弦波上加入了一个正的直流电压。即正向钳位器将交流参考电平（通常是零）加载到一个直流电平上。其作用是形成一个以该直流电平为中心的交流电压信号。这意味着正弦信号上每个点的电平都被抬升了，如图4-30a的输出波形所示。
图4-30b所示是正向钳位器的等效形式。交流信号源作为钳位器输入端的驱动，钳位器输出端的戴维南电压是直流源和交流源的叠加，即交流信号上加了直流电压
。所以图4-30a中显示的整个正弦波向上抬升，其正向峰值为
，负向峰值为零。
图4-31a所示是一个正向钳位器。下面解释理想情况下电路的工作原理。在初始状态下，电容上无电荷，在输入信号的第一个负半周，二极管导通（见图4-31b），在交流信号的负向峰值点，电容完全充电至
，其极性如图所示。
当信号稍微超过负峰值时，二极管截止（见图4-31c）。通过仔细设计使得
时间常数远大于信号周期T。这里将远大于定义为大100倍以上：
准理想钳位器 
因此，在二极管截止的时候电容仍然保持完全充电状态。一阶近似下，电容如同一个提供
电压的电池，所以图4-31a所示的输出电压是正向钳位信号。满足式4-19的钳位器称为准理想钳位器。
钳位器的工作原理类似于带有电容输入滤波器的半波整流器。最初的1/4周期中对电容完全充电，在后续的周期，电容几乎保持电荷不变。周期之间的微小电荷损失会在二极管导通时得到补充。
图4-31c显示充电后的电容如同一个提供
电压的电池，该直流电压被加在信号上。在第一个 1/4 周期之后，输出电压就成为一个参考电平为零的正向钳位的正弦信号。也就是说，正弦波信号被置于零电平之上。
图4-31d所示是通常情况下的正向钳位器电路。由于二极管具有0.7V的导通压降，电容电压并不能完全达到
。因此，钳位并不理想，负向峰值电平为-0.7V。
知识拓展 钳位器通常在集成电路芯片中使用，用于信号中正向或负向直流电平的转换。
4.11.2负向钳位器
如果将图4-31d所示电路中的二极管反向，将得到如图4-32所示的负向钳位器。由图可见，电容电压极性反向，电路变为负向的钳位器。钳位同样是不理想的，正向峰值不是0V，而是0.7V。
二极管箭头的指向即为波形的移动方向，这样可以方便记忆。在图4-32中，二极管箭头向下，与正弦波形移动的方向相同。由此就可以知道它是一个负向钳位器。在图4-31a中，二极管箭头向上，正弦波形向上移动，它是一个正向钳位器。
正向和负向钳位器都有广泛应用。例如，电视接收机采用钳位器改变视频信号的参考电平。此外，钳位器也用于雷达和通信电路中。
最后需要说明的是，削波和钳位的非理想特性并不是什么严重的问题。在讨论运算放大器之后，我们会重新审视削波器和钳位器。那时将会看到，消除势垒的影响是很容易的。也就是说，这些电路可以看作是近似理想的。
4.11.3峰峰值检波器
带有电容输入滤波器的半波整流器产生一个直流电压，该电压约等于输入信号的峰值。当同样的电路采用小信号二极管时，该电路称为峰值检波器。一般情况下，峰值检波器的工作频率远高于60Hz。峰值检波器的输出信号在测量、信号处理和通信中十分有用。
如果将钳位器和峰值检波器级联起来，就可以得到峰峰值检波器（见图4-33）。由图可见，钳位器的输出作为峰值检波器的输入。由于正弦波是正向钳位的，输入到峰值检波器的信号峰值电压为
，所以该峰值检波器输出的直流电压为
。
通常，
时间常数必须要远大于信号的周期。如果满足这个条件，就可以获得很好的钳位和峰值检波效果，输出的纹波也较小。
峰峰值检波器可用于对非正弦信号的测量。普通的交流电压表是通过读取正弦信号的有效值来校正的。如果要测量非正弦信号，用一般的交流电压表得出的读数是不正确的。但是如果将峰峰值检波器的输出作为直流电压表的输入，电压表将显示峰峰电压。如果非正弦信号的摆幅为
，读数将是70V。
4.12电压倍增器
峰峰值检波器采用小信号二极管，工作在高频。如果采用工作在60Hz的整流二极管，则可以得到一种叫作倍压器的新型电源电路。
4.12.1倍压器
图4-34a所示是一个倍压器。电路的结构和峰峰值检波器相同，只是采用了工作在60Hz的整流二极管。钳位器在二次电压上加入了直流分量。峰值检波器产生一个直流输出电压，该电压是二次电压的两倍。
为什么要用倍压器而不是通过改变匝数比来得到更高的电压呢？因为倍压器不用于低电压，而只用于产生非常高的直流输出电压。
比如，电力线电压的有效值为120V，峰值为170V。如果需要得到3400V的直流电压，则需要使用1:20的升压变压器。这就是问题所在：获得很高的二次电压需要使用体积庞大的变压器。此时，采用倍压器和小变压器会更简单一些。
4.12.2三倍压器
如果再级联一级，便可得到三倍压器，如图4-34b所示。电路的前两级与倍压器相同。在负半周的峰值点，
正向偏置，
因而充电至
，极性如图4-34b所示。在
和
两端出现三倍的电压输出。负载电阻可以连接在这个三倍电压输出端。只要时间常数足够大，则输出电压约等于
。
4.12.3四倍压器
图4-34c所示是一个四级级联的四倍压器。前三级是一个三倍压器，加入第四级使电路形成四倍压器。第一个电容充电至
，所有其他的电容都充电至
。四倍压器的输出电压加在串联的
和
两端。可以将负载电阻接在四倍压输出端，获得
的输出。
理论上，倍压器可以无限地级联下去，但是每新加一级，输出电压的纹波就会更加严重。纹波的逐级增加，是电压倍增器（倍压器，三倍压器，四倍压器）不在低电压电源中使用的又一个原因。如前所述，电压倍增器几乎总是用来产生数百或数千伏的高压。电压倍增器在高电压、低电流的器件中是当然的选择，如电视接收机、示波器和电脑显示器中的阴极射线管（CRT）。
4.12.4电路的变化形式
图4-34中所示的所有电压倍增器用的负载电阻都是悬浮的，这意味着负载的任何一端都不接地。图4-35a，b和c所示的是电压倍增器的变化形式。图4-35a是在图4-34a所示电路基础上加入了地节点。图4-35b和c所示的电路是对三倍压器（见图4-34b）和四倍压器（见图4-34c）的重新设计。在某些应用中，可以看到悬浮负载设计（如阴极射线管）；而在其他设计中，可能会使用接地负载。
4.12.5全波倍压器
图4-35d所示是一个全波倍压器。在信号源的正半周，电路上方的电容充电至峰值电压，极性如图所示。在后半周期，下方的电容充电至峰值电压，极性如图所示。对于轻负载，最终的输出电压约为
。
前文讨论的电压倍增器都是半波设计，即输出纹波频率是60Hz。而图4-35d所示的电路叫作全波倍压器，因为输出电容在每半个周期充电一次。因此，输出电压纹波频率是120Hz，这个纹波频率的优点是滤波更容易。全波倍压器的另一个优点是二极管的峰值反向电压的额定值只需要大于
