半导体三极管β值及范围测量仪DOC.docx

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半导体三极管β值及范围测量仪DOC

课程设计

半导体三极管β值及范围测量仪

学校：

青岛大学

学院：

自动化工程学院

专业：

自动控制

班级：

09级3班

姓名：

****

学号：

***********

日期：

2011年10月2日

一、课题名称………………………………………………3

二、设计内容及要求………………………………………3

三、工作原理………………………………………………3

（1）设计思路…………………………………………………3

（2）电流源电路………………………………………………4

（3）采样电路…………………………………………………4

（4）比较电路………………………………………………………5

（5）编码电路…………………………………………………6

（6）译码电路…………………………………………………8

（7）压控振荡电路……………………………………………9

（8）定时控制电路……………………………………………9

（9）计数电路…………………………………………………10

（10）显示电路…………………………………………………10

四、电路设计………………………………………………11

五、组装调试………………………………………………13

六、归纳总结………………………………………………13

七、所需器件………………………………………………14

八、心得体会………………………………………………15

九、参考文献………………………………………………15

一、课题名称

半导体三极管β值及范围测量仪

二、设计内容及要求

任务：

设计制作一个自动测量三极管直流放大系数β值范围及确定数值的装置

一、基础部分：

1、对被测NPN型三极管值分三档

2、β值的范围分别为80～120及120～160，160～200对应的分档编号分别是1、2、3；待测三极管为空时显示0，超过200显示4。

3、用数码管显示β值的档次

二、发挥部分：

用3个数码管显示β的值，分别表示个位、十位和百位

三、工作原理

（1）设计思路：

1.将变化的β值转化为与之成正比变化的电压或电流量，再取样进行比较、分档。

上述转换过程可由以根据三极管电流IC=βIB的关系，当IB为固定值时，IC反映了β的变化，电阻RC上的电压VRC又反映了IC的变化，对VRC取样加入后级进行分档比较。

2.将取样信号同时加到具有不同基准电压的比较电路输入端进行比较，对应某一定值，只有相应的一个比较电路输出为高电平，则其余比较器输出为低电平。

对比较器输出的高电平进行二进制编码，再经显示译码器译码，驱动数码管显示出相应的档次代号。

（2）电流源电路

微电流源电路原理图如上左图所示，在该图中有以下关系成立：

其中：

Ib的选择应在30μA～40μA之间为宜，因为：

（1）β值与Ic有关

（2）小功率管的β值在Ic＝2～3mA时较大，而在截止与饱和区较小，测量不准确。

VCE的选择应不小于1V,使三极管工作在合适的状态。

（3）采样电路

R2是基极取样电阻，取R2=20K

R4为集电极取样电阻，取R4的值为510Ω

根据三极管电流IC=βIB的关系，被测物理量β转换成集电极电流IC,而集电极电阻不变，利用差分放大电路对被测三极管集电极上的电压进行采样。

差分放大电路原理如下所示：

根据理想运放线性工作状态的特性，由叠加原理可求得

当R1=R2=R3=Rf，Vo=Vi2-Vi1，作减法运算。

此外电路中差分放大电路还起隔离和放大的作用，故运放的同相和反相输入端的输入电阻应尽量取的大一些，故在此可取R5=R6=R7=R8=50kΩ。

差分放大电路的输出电压为：

（4）比较电路

设计要求可知，显示被测三极管β值范围为80～200，分三档显示为80～120，120～160，160～200。

因此，应设定5个基准电压参考点，分别为80、120、160、200。

根据公式

比较电压值。

由R4、

、被测三极管β值即可计算出对应的基准比较电压：

当β=80时，Uo1=VR4=Io*

*R4=0.00003*80*500=1.224V

当β=120时，Uo1=VR4=Io*

*R4=0.00003*120*500=1.836V

当β=160时，Uo1=VR4=Io*

*R4=0.00003*160*500=2.448V

当β=200时，Uo1=VR4=Io*

*R4=0.00003*200*500=3.060V

比较电路由集成运放LM324组成，采用单电源供电。

在没有负反馈的情况下，运放工作在非线性区，当同相输入端电压高于反相输入端电压时输出为高电平，反之为低电平，从而实现了电压比较的目的。

采样电路的输出电压V0通过LM324分别与基准电压U0，U1，U2，U3，U4进行比较，并输出相应的高电平或低电平。

比较器的同相输入端和采样电路的输出电压V0相接，而反相输入端则分别接分压电路的基准电压，将这两个电压进行比较，从而在输出端得到高低电平，进而将模拟量转化成数字量。

（5）编码电路

该电路将电压比较电路的比较结果（高低电平）进行二进制编码，使之转化成二进制数。

该编码功能主要由集成芯片8位优先编码器CD4532完成，其引脚图和电路图如下所示：

CD4532引脚图CD4532电路图

其中：

D0～D7为数据输入端，EIN为控制端，Q0～Q2为输出端，VDD接电源，采用+5V电源供电，VSS接地端，Gs、Eo为功能扩展端（无需连接）。

CD4532的真值表如下表所示：

根据CD4532的真值表可知：

当控制使能端EI接高电平，VDD接高电平，VSS接低电平时，芯片工作在编码状态。

输入端I4——I1分别接比较电路的四个运放输出端，I0接地，其余输入端I7——I5则接低电平，输出端Q0——Q3分别接译码器CD4511的输入端口。

（6）译码电路

该电路把编码电路编成的二进制数译码成十进制数，以便于数码管显示。

该电路功能主要由集成芯片CD4511完成。

其封装图如下：

其中：

A、B、C、D为数据输入端，

、

、LE为控制端。

a～g为输出端，其输出电平可直接驱动共阴数码管进行0～9的显示。

CD4511真值表：

根据CD4511的真值表，要使译码电路正常工作，LE接低电平，

、

接高电平，D端悬空，C、B、A、分别接编码器的三个输出端Q2、Q1、Q0。

而八个输出端则接共阴数码管的输入端。

（7）压控振荡电路

压控振荡电路原理图如上图所示。

此电路主要由555定时器构成，其中，555芯片的VCC及RST引脚接+5V电源，GND引脚接地，CON引脚通过一0.1uF电容接地，THR和TRI引脚通过1K电阻与电源相连，通过1uF电容与地相连，DIS引脚与采样电路的输出相连。

（8）定时控制电路

定时控制电路原理图如上图所示。

此电路主要由555定时器构成，成为单稳态触发器。

在单稳态触发器中，输出脉冲宽度满足以下关系：

Rw=1.1*（R17+2*R26）*C1

在本实验中，所需的输出脉冲宽度为1s，因此取C1=10uF,通过计算可取R17=30k，R26=30.45k即可。

（9）计数电路

该部分由二——五——十进制计数器74LS90构成，首先将芯片连成十进制（即将74LS90的1号引脚CLK1与12号引脚Q0相连），为精确显示计数共需用三片，分别显示各位、十位和百位，低位计数器的11号引脚Q3作为进位信号接到高位计数器的时钟信号端（即高位的14号引脚CLK0）。

部分电路图如下：

（10）显示电路

该电路功能是用共阴七段数码管显示被测量的NPN型三极管

值的档次，注意接保护电阻，防止因电流过大而烧坏数码管。

共阴数码管的管脚图如下所示，a～g端可直接与CD4511的Qa～Qg端相连。

四、电路设计

基础部分：

此部分部分分为放大电路、取样电路+比较器电路、编码电路、译码电路、显示电路五个模块。

设计框图如下：

电路图：

发挥部分：

此部分的输入信号来自基本部分中采样电路的输出电压，包括压

控振荡器、定时控制电路、计数器、与门、译码及显示电路六个模块。

电路图：

测试数据

所用芯片

所测次数

待测三极管基极电流（uA）

待测三极管集电极电流（mA）

采样电路输出电压（V）

数码管示数

实测β值

2N2221

1

34.637

2.408

1.254

0

69.5

2

34.639

2.409

1.256

0

69.5

2N5886

1

34.804

4.525

2.321

2

130.0

2

34.813

4.528

2.325

2

130.1

2N6474

1

34.857

0.485887

0.287435

0

13.9

2

34.851

0.480126

0.278100

0

13.8

五、组装调试

通电前检查

电路安装完毕，首先直观检查电路各部分接线是否正确，检查电源、地线、信号线、元器件引脚之间有无短路，器件有无接错。

通电检查

接入电路所要求的电源电压，观察电路中各部分器件有无异常现象。

如果出现异常现象，则应立即关断电源，待排除故障后方可重新通电。

自顶向下调试

接通电源后，按照理论值，从起始端按照信号的流向依次测试关键引脚的电压、电流等参数，逐步排除问题。

六、归纳总结

设计电路和方案的优缺点

优点：

所设计的电路各单元功能明确，运用的器件较为精简，原理简单，实际电路易于搭建。

缺点：

恒流源部分稳定性不够高，其恒流效果有待改进。

本系统只能测NPN型三极管，不能测试PNP型三极管。

发挥部分精确度不够，只能保证十位精确，而个位存在较大误差。

课题的核心及实用价值

本课题意在锻炼我们的数电与模电部分的理论与实践能力，其核心在于各类数电芯片的应用以及模电器件的使用，加强我们对于数电与模电知识的应用能力。

其次，三极管作为一类常用的模电器件，其β值是一个很重要的参数，设计一个系统来测量其数值是非常有实用价值的。

系统改进意见和展望

本系统使用了大量的数电与模电器件，其结构过于复杂繁琐。

其次，本系统只能测NPN型三极管，却不能测PNP型三极管，这点有待改进。

恒流源部分其恒流效果不是很好，导致系统的精准度不高。

七、所需器件

面包板一块；导线若干；直流稳压电源一台；示波器；万用表；函数信号发生器一台

基础部分：

3096PNP型三极管（两个），待测三极管NPN（三个），发光二极管四个，4532芯片一片，4532芯片一片，LM324芯片（一个），共阴极数码管一个，滑动变阻器105（一个），103（四个），电阻1.5k欧姆（一个），电阻1k欧姆（四个），电阻100欧姆（一个）。

发挥部分：

3096PNP型三极管（两个），待测三极管NPN（三个），555定时器两个，开关两个，滑动变阻器1M欧姆（一个），电阻120k欧姆（一个），电阻10k欧姆（一个），电阻50欧姆（一个），电阻100k欧姆（一个），电阻300欧姆（三个），7408芯片（一个），74LS90芯片（三个），4511芯片（三个），数码管（三个）。

八、心得体会

通过课程设计，我对数电模电理论基础有了新的认知，动手实际操作能力有了很大的提高。

作为一次完整的课程设计，设计并搭建一个具有完整功能的系统，需要我们掌握扎实的模拟电子技术基础和数字电子技术基础的相关知识，并能灵活的运用，并且能够把各个知识模块串接起来。

在进行实际搭建电路之前应做好各项准备工作，包括用Multisim仿真软件进行仿真，明确实验所需的器件的各个管脚的功能，了解个芯片的管脚图。

搭建时要一边搭建一边测试，测试好每一模块的功能，然后再把各个功能模块进行连接，最后再调试整体电路的功能。

其次，调试的过程要认真仔细，按其各单元电路的连接顺序从头开始测试，各部分功能分开调试。

在经过本次课程设计之后，我深刻认识到了自己从理论到实践还有很大一段距离，并且自己的理论知识掌握的也不牢固。

今后要牢固掌握基础知识，这样才能推陈出新，有所创新，为自动化事业的发展进绵薄之力！

九、参考文献

《模拟电子技术基础》清华大学高等教育出版社童诗白、华成英主编

《数字电子技术基础》清华大学高等教育出版社阎石主编