北邮晶体管放大倍数.docx

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北邮晶体管放大倍数

北京邮电大学

电子电路综合实验报告

课题名称：

晶体管放大倍数β检测电路的设计与实现

学院：

信息与通信工程学院

班级：

姓名：

学号：

班内序号：

2015,4,26

摘要：

本实验三极管根据不同的连接方法可以构成电压、电流、功率等放大电路，并且不同的三极管有不同的放大能力，一般三极管分为PNP和NPN两种类型。

三极管放大倍数β检测电路是用以判别三极管类型并予以检测放大倍数β的检测电路。

其首先是利用三极管NPN和PNP电流流向相反判断三极管类型，再利用三极管的电流分配特性，将β的测量转化为对三极管电流的测量，再通过电阻转换称电压信号的测量，同时实现对档位的手动调节，并利用比较器的原理，实现档位的判断。

实在电路的值检测。

关键词：

类型判别档位检测闪烁

一、实验设计任务要求：

1.基本要求：

设计一个简易晶体管放大倍数β检测电路，该电路能够实现对三极管β值大小的初步判断。

系统电源DC±12V。

1电路能够检测出NPN、PNP三极管的类型

2电路能够将NPN型三极管放大倍数β分为大于250、200~250、150~200、小于150共四个档位进行判断

3用发光二极管来指示被测三极管的β值属于哪一个档位

4在电路中可以手动调节四个档位值的具体大小

5当β值超出250时能够光闪报警

2.提高要求：

1电路能够将PNP型三极管放大倍数分为大于250、200~250、150~200、小于150共四个档位进行判断，并且能够手动调节四个档位值的具体大小

2NPN、PNP三极管β档位的判断可以通过手动或自动切换。

二、实验设计思路及总体结构：

由实验任务要求里的判别和检测三极管放大倍数，将该系统分成三大模块设计，分别为类型判别电路、档位检测显示电路、报警电路，结构图如图所示：

三、所用元器件以及所用的仪表清单：

测试仪表：

所用元器件：

器件名称

型号

数目

用途

集成运算放大器

LM358N

2

提供电压比较功能

计时器

NE555N

1

形成多谐振荡器，产生闪烁信号

三极管

8050

2

检测电路的正确性

8550

2

电容

1uf

1

在振荡电路中构成一定频率的`振荡

0.1uf

1

在振荡电路中滤除谐波

导线

若干

连接电路

电阻

510

4

3.3

1

1.1

2

4.5

1

270K

1

430

1

3.9K

1

1K

1

放光二极管

6

指示电路

此实验中NPN管采用的是8050，PNP管采用的是8550，发光二极管可供选择有红、黄、绿三种颜色。

查得这两种三极管及发光二极管的工作特性如下：

三极管

S8550（500mA）SOT-233000PCS/卷，S8050（500mA）SOT-233000PCS/卷

S8550（800mA）SOT-233000PCS/卷，S8050（800mA）SOT-233000PCS/卷

SS8550（1.5A）SOT-233000PCS/卷，SS8050（1.5A）SOT-233000PCS/卷

其中8050和8550放大倍数在100~350左右，一般不超过400，耐压30V。

发光二极管

超亮发光二极管主要有三种颜色，三种发光二极管的压降都不相同，具体压降参考值如下：

                     红色发光二极管的压降为2.0--2.2V

                     黄色发光二极管的压降为1.8—2.0V

                     绿色发光二极管的压降为3.0—3.2V

                     正常发光时的额定电流约为20mA。

LM358芯片

其原理图如下：

LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。

它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。

芯片在电路中的应用：

芯片的管脚1、2、3在电路中构成一个前置放大器其中1管脚为输出，2、3管脚为输入管脚（2为负，3为正）；芯片的第4和第8管脚为电压输入管脚在本电路中具体应用是分别输入-12V和+12V电压；而芯片的5、6、7三个管脚又够成了一个放大电路其中第7管脚为输出脚，第5和6第管脚为输入管脚（6为负，5为正）；虽然两个放大器都集中在一块芯片上，但构成两个放大器的管脚之间又是相互独立的。

NE555芯片

555定时器是模拟—数字混合式集成电路，利用它可以方便地构成脉冲产生、整形电路和定时、延时电路。

具有功能强，使用灵活、方便等优点，在数字设备、工业控制、家用电器、电子玩具等许多领域都得到了广泛的应用。

555定时器的电路结构及其功能

    下图为555定时器的内部逻辑电路和外引脚图，从结构上看，555电路由2个比较器、1个基本RS触发器、1个反相缓冲器、1个集电极开路的放电晶体管和3个5kΩ电阻组成分压器组成。

其内部电路如下：

1.模拟功能部件

⑴电阻分压器

Vcc经3个5KΩ电阻分压后提供基准电压：

当不外接固定电压Vcc时，UR1=2/3Vcc，UR2=1/3Vcc。

当外接固定电压Vcc时，UR1=Vcc，UR2=1/2Vcc。

⑵压比较器C1和C2

比较器C1:

TH（阈值输入端）＞基准电压UR1时，输出UC1=0，否则为1

比较器C2:

/RT（触发输入端）＜基准电压UR2时，输出UC2=0，否则为1

⑶电极开路的放电管V

输出UC1=0时，V导通，输出UC2=0时，V截止。

相当于一个受控电子开关。

2.逻辑功能部件

⑴G1和G2组成基本RS触发器:

输入低电平有效触发

2输出缓冲级

3/RD为直接置0端

3、逻辑功能

555各端的功能见下表

TH

/RD

OUT

DIS

×

×

0

0

导通

＞2/3VCC

＞1/3VCC

1

0

导通

＜2/3VCC

＞1/3VCC

1

保持

保持

×

＜1/3VCC

1

1

截止

将555定时器外接一些电阻、电容和其他器件就可以组成多种电路。

用555定时器可方便地组成单稳态触发器、多谐振荡器和施密特触发器，并可组成各方面的应用电路。

其外引脚图如下：

各引脚的功能：

1号引脚——接地端，电路正常工作时，该引脚接地。

2号引脚——低触发端，是比较器A2的同向输入端。

3号引脚——输出端，电路产生或者变换的波形从这里输出。

4号引脚——复位输入端，不管其它输出端的状态怎么样，只要在这个引脚上输入低电平，输出就立即被置为低电平。

5号引脚——电压控制端，该引脚外接一个参考电源，可以改变比较器A1、A2的参考电压。

6号引脚——高触发端，是比较器A1的反向输入端。

7号引脚——放电端，也可以用作集电极开路输出端。

8号引脚——电源输入端，电路正常工作时，该引脚接正电源。

若将NE555连接成多谐振荡器时，其引脚连接方式及输出波形如下图：

四、分块电路和总体电路的设计及multsim仿真原理图：

Ⅰ、三极管类型判别电路的设计

设计此电路是根据NPN型和PNP型三极管的电流流向相反，也即正常工作时CBE极的电位高低不同来判别，并通过发光二极管来显示判别结果。

规定一个连接方式，从上到下分别为CBE极，通过发光二极管的亮（此时三极管为NPN型）和灭（这时三极管为PNP型）来判别三极管的类型。

三极管的基本放大电路连接方式一般有共射、共集以及共基三种基本放大电路，而满足以上条件的连接方式只有共集放大电路。

此判别电路的工作原理为：

当三极管从上至下都以CBE方式接入时，NPN发射极正偏，集电极反偏，可以正常工作，发光二极管亮；而PNP则为发射极反偏，集电极正偏，无法正常工作，发光二极管灭，以此判别接入的三极管是NPN还是PNP型。

此模块电路各参数的设计：

如果只考虑电路的判别功能而忽略对下一级电路的影响，电路中各参数所需要满足的要求只需要接入NPN时三极管能正常工作，并且满足三极管放大倍数从小于150到大于250时（为电路安全取400倍做计算参考）电路能够安全地工作即可（主要是满足发光二极管的额定工作电流以及三极管要工作在放大区）。

首先设定基极电流，由判别电路图及三极管工作特性可知，三极管按此电路工作时基极电流IB=（VCC-VBE-VLED）/RB,其中VCC=12V,VBE取0.7V,VLED取2.1V。

再由发光二极管额定工作电流的限定可得出不等式

βIB=β（12-0.7-2.1）/R1≤20mA

→R1≥β*9.2/20mA

→R1≥184kΩIB≤50uA

为计算方便取安全基极电流IB=40uA此时可确定RB=330kΩ

由VLED取绿色发光二极管。

为使三极管工作在放大区，不在饱和状态下工作，RC上的压降

RCβmaxIB≤12-2.1-0.7

→RC≤920Ω，

取RC=500Ω备用。

为使RC可以灵活调节，在RC上串联一个1K的电位器备用。

（为后一级档位调节做前提）

至此，三极管类型判别电路及参数设计完毕。

参数为RB=330kΩ

RC=500Ω，发光二极管用绿色

Ⅱ、档位检测显示电路的设计

设计档位检测电路主要由不同三极管的放大倍数不同导致放大电流不同，从而通过电阻将改变的电流信号转换为电压信号的变化输出，再通过电压比较器实现电压信号的比较检测输出。

具体原理如下，在检测电路Ⅰ电路中，如果接入NPN型三极管，则三极管正常工作，其中基极电流由上一级电路讨论确定为IB=40uA，则三极管集电极电压通过RC的降压而变为VC=Vcc-ICRc=VCC-βIBRC=12-β*0.04*0.5=12-0.02β

由上式可以看出，由于IB为定值，通过三极管电流分配关系将IC转换为βIB，再通过RC的降压将电流改变信号转换为电压改变信号，电压VC将随β变化而变化，从而将β转换为电压量，便于进行β档位的测量。

由于需要检测的档位分为大于250、200~250、150~200、小于150四个档位，这就需要检测三个电压改变量，分别为150倍时，200倍时和250倍时VC的临界电压，故只需要三个比较器加四个发光二极管即可完成指标。

电压比较器是利用LM358中的集成双运放实现，其工作原理是在运放的同相输入端（㈩输入端，其输出电压与此端电压同相）或异相输入端（㈠输入端，其输出电压与此端电压反向）接一固定的参考电压，当作参考电压（门电压）。

当另一个输入端的输入电压小于参考电压时，输出以参考电压一端为准，当输入电压大于参考电压时，输出跳变为以另一端输入为准，从而构成电压比较器，通过检测输出电压反向与否可以判别另一端输入与参考电压的大小。

利用这种特性，就可以通过在三个运放的一个输入端（本实验用的是㈩输入端）接入不同的参考电压（三个VC的临界电压），再通过检测哪一个运放的输出端反向（通过发光二极管来直接表现）来判别VC的大小范围，从而判别三极管放大倍数的范围。

此档位显示电路的工作原理为：

利用电压比较器电压比较特性在三个运放的正输入端接入需要的三个参考电压VC1、VC2、VC3（从大到小排列），然后三个反向输入端连在一起接入待测电压，当待测电压大于哪个运放的参考电压时，此运放输出为低电位反向，而小于哪个运放的参考电压时，此运放输出为同相高电位。

如假设输入电压大于VC1（最上面那个运放的参考电压）时，三个运放都输出低电位，此时只有第一个发光二极管亮。

而当输入电压介于VC1、VC2之间时，第一个运放输出同相高电位，其它运放输出低电位反向，此时只有第二个发光二极管亮……所以，此电路可根据输出级发光二极管的亮情况判别输入的电压值大小，从而判别三极管的放大档位。

此模块电路各参数的设计：

首先判别第Ⅰ级判别电路的各设计参数是否满足下一级检测电路的需要。

由上面的讨论可得出VC的三个临界电压：

VC=Vcc-ICRc=VCC-βIBRC=12-β*0.04*0.5=12-0.02β

→β=150时VC=9V

β=200时VC=8V

β=250时VC=7V

这时可将如原理图由中上至下的三个运放接的参考电压分别来接9V、8V、7V即可通过输出端的发光二极管哪一个亮来判别三极管的放大档位。

所以第Ⅰ级判别电路的各设计参数满足后一级要求。

而运放的参考电压可以由电阻的分压获得，由于供电的直流总电压为12V，根据各运放的参考电压很容易便可得出图中的

R1:

R2:

R3:

R4=3:

1:

1:

7

为使这四个电阻中的电流取合适值，

取R1=3.3KR2=1.1KR3=1.1KR4=7.5K

至此，运放输入级电阻设计完毕。

而与四个发光二极管串联的限流电阻只需要满足（VCC-4VLED）/4RX≤20mA即可。

取RX=510

根据放大倍数与VC的反向变化关系（即β↑时VC↓），电路图中从上至下四个发光二极管发光时所代表的档位分别为150以下、150~200、200~250以及250以上。

Ⅲ、报警电路的设计

设计此电路主要是用于检测判别大于250档位时的那个运放输出的高电位，当此运放输出高电位时，三极管的放大倍数已经超过250，此时报警电路要有所报警。

报警电路主要是由NE555集成电路构成的震荡信号产生电路构成。

将判别大于250的那一级运放的输出端作为NE555集成电路的供电电源，可控制NE555集成电路的输出端输出高低电平变化的振荡信号，以此控制发光二极管呈现闪烁状态，进行光闪烁报警。

此电路工作原理为：

输入端未检测到高电位时，振荡电路不工作，电路不产生报警信号，一旦检测到高电位，电路开始工作，通过产生振荡信号控制发光二极管闪烁进行报警。

此模块电路各参数的设计：

由NE555的构成原理及资料可知NE555构成多谐振荡器时，其周期为

充电:

TW1=（R1+R2）Cln2放电：

TW2=R2Cln2

总周期：

T=（R1+2R2）Cln2频率f=1/[（R1+2R2）Cln2]

且R1+R2≤15K

为使闪烁肉眼能较轻易辨别，不妨令f≤10Hz→（R1+2R2）C≥1.443s

且令占空比为50%→R2/（R1+R2）=50%→R1=R2

所以可取R1=R2=3.9KC=1uF

此时f=3.4Hz满足要求

滤波电容C1取0.1uF即可。

总的电路图

IV、拓展功能

五：

实验功能

成果图：

（1）、β<150档

（2）150<β<200档（因亮度问题，以下测试都已将NPN/PNP测试灯换成红灯）

（3）200<β<250

（4）250<β

原始数据（以下测值均为下图所示点处电压，单位：

伏特）

测值

档位

①

②

③

④

⑤

⑥

⑦

第一档

8.18

6.87

5.56

8.27

2.21

0.72

0.00

第二档

8.18

6.87

5.56

7.72

10.85

1.69

0.03

第三档

8.18

6.87

5.56

6.72

10.85

1.56

1.56

第四档

8.18

6.87

5.56

5.37

10.85

10.75

8.61

故障及问题分析

问题1：

在仿真软件上电路能够正常工作，但实际电路却不能正常工作。

原因：

实际电路中的参数并不是十分准确，而且仿真软件对于非线性器件（如三极管）有一定的近似，所以实验不一定能成功；

解决：

方法一：

仿真软件的参数变化范围大一些，这样就能在实际电路中不会因为微小的变化而导致误差；

方法二：

实际调节电路换不同参数的元器件。

问题2：

按照仿真软件的电路图连接好后，发现调节参数的时候现象不发生变化；

原因：

电路元器件损坏，这是经常遇到的事情，一定要注意。

方法：

单独测试可能损坏的元器件，若不能正常工作，换新的，在使用前做好检测工作。

问题3：

第四档灯亮时，第三档灯会微亮。

原因：

电路的电源电压过高，致使流过第三档灯的电流过大；

方法：

降低电压。

问题4：

报警电路的灯只亮不闪烁；

原因：

电阻和电容选取不当，由于周期与电阻和电容均成正比，电容太小的话，周期短，按50%的占空比来算，闪烁时间太短。

人间不能辨别；

方法：

换一个更大的电容。

总结和结论

三极管类型判别电路的功能是利用NPN型和PNP型三极管电流流向相反的特性，通过判断发光二极管亮灭判断三极管的类型是NPN型还是PNP型。

在本实验中，电路能判断出三极管的类别，也能相对较准确的检测出位于NPN管的放大倍数位于什么档位。

通过本次实验，我更加深刻的理解了三极管的工作原理，对NPN型和PNP型三极管的区别有了更深刻的认识。

并且加深了对晶体管β值意义的理解；了解掌握了电压比较器电路的实际使用；对NE555集成电路也有所了解。

并且通过本次实验，我对模拟电路实验的兴趣更加浓厚，虽然以后可能没有机会再去实验室做此类实验了。

进一步地增强了设计试验参数和动手操作的能力。

为伟大的中国梦不懈奋斗！

参考文献：

《电子测量与电子电路综合设计型实验讲义》北京邮电大学电路中心2015年3月版

《电子电路基础》刘宝玲主编北京邮电大学信息与通信工程学院编高等教育出版社2012.5