晶体管β值测量电路设计.docx
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晶体管β值测量电路设计
晶体管β值测量电路设计
摘要
三极管放大倍数β值测量电路的功能是利用三极管的电流分配特性，将放大倍数β值的测量转化为对三极管电流的测量，同时实现用发光二极管显示出被测三极管的放大倍数β值。
电源电路的功能是为上述所有电路提供直流电源。
本晶体管β值测量电路主要由电源电路、I/V转换电路、电压比较电路、放大电路和显示电路（LED）6部分构成。
经ORCAD仿真和实际操作，初步实现了简单的晶体管的β值测量。
关键字：
β值；三极管；ORCAD；放大电路
Abstract
βmagnificationtransistorcircuitformeasuringthevalueofthefunctionistousethecurrentdistributionoftransistorcharacteristics,theβmagnificationofthemeasuredvalueintoameasurementofthetransistorcurrent,atthesametimeusinglight-emittingdiodetriodetoshowthemeasuredvaluesoftheamplificationoffactorβ.PowersupplycircuitistoprovideDCpowertoallcircuitsoftheabove.
Thisβvalueofthetransistorcircuitismadeupof6parts,whichisthepowermeasurementcircuit,I/Vconversioncircuit,voltagecomparatorcircuit,amplifiercircuitanddisplaycircuit（LED）.AftertheORCADsimulationandactualoperation,thesimplemeasurementoftransistorβvalueisbasicallyattained.
Keywords:
βmagnification;transistorcharacteristics;ORCAD;amplifiercircuit
1ORCAD简介
ORCAD是由ORCAD公司于八十年代末推出的EDA软件，它是世界上使用最广的EDA软件，每天都有上百万的电子工程师在使用它，相对于其它EDA软件而言，它的功能也是最强大的，由于ORCAD软件使用了软件狗防盗版，因此在国内它并不普及，知名度也比不上PROTEL，只有少数的电子设计者使用它，它进入国内是在电脑刚开始普及的94年。
早在工作于DOS环境的ORCAD4.0，它就集成了电原理图绘制、印制电路板设计、数字电路仿真、可编程逻辑器件设计等功能，而且它的介面友好且直观，它的元器件库也是所有EDA软件中最丰富的，在世界上它一直是EAD软件中的首选。
ORCAD公司在今年七月与CADENCE公司合并后，更成为世界上最强大的开发EDA软件的公司，它的产品ORCAD世纪集成版工作于WINDOWS95与WINDOWSNT环境下，集成了电原理图绘制，印制电路板设计、模拟与数字电路混合仿真等功能，它的电路仿真的元器件库更达到了8500个，收入了几乎所有的通用型电子元器件模块，功能非常强大。
通过对ORCAD软件的学习，有利于我们进步一理解所学的知识，提高自己的操作能力和动手能力[1]。
2电路设计思路
2.1设计任务分析：
经过查阅书籍和相关资料，还有设计要求上的提示方案，对设计有如下简单分析：
设计电路测量晶体管的β值，将晶体管β值转换为其他可用仪器测量的物理量来进行测量（如电压，根据晶体管电流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）。
因为我们要求分五档显示晶体管的β值（即
值的范围分别为0～80、80～120，120～160，160～200以及>200对应的分档编号分别是1、2、3、4、5），所以对转换后的物理量进行采样，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，相应的一个比较电路输出高电平，其余比较器输出为低电平，实现AD转换。
比较后再通过发光二极管进行分档显示。
2.2各部分电路功能的简单说明：
2.2.1转换电路：
由微电流源（提供恒定电流）和差动放大电路（电压取样及隔离放大作用）。
将变化的晶体管β值转化为与之成正比变化的电压量，再取样进行比较、分档。
上述转换过程可由以下方案实现：
根据晶体管电流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。
为了取得固定IB，采用微电流源电路提供恒定电流。
微电流源电路介绍：
当要求得到极其微小的输出电流（如晶体管基极电流比较小），这时可令比例电流源中的Re1=0，便成了微电流源电路
其电路图如图1所示：
图2.1微电流源电路
根据电路原理分析得：
由此可知：
只要确定IO和Re2就能确定IR，由此可以确定电阻R的值。
差动放大电路介绍：
根据晶体管电流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，利用差动放大电路对被测晶体管集电极上的电压进行采样，。
差动放大电路原理如图2所示：
图2.2差动放大电路
根据理想运放线性工作状态的特性，利用叠加原理可求得
取电路参数：
R1=R2=R3=Rf，vo=vi2-vi1
可见，输出电压值等于两输入电压值相减之差，实现相减功能。
其中运算放大器采用集成电路LM741。
LM741采用单电源供电，其内部只由一个运算放大器构成。
综合上述得出转换电路的电路图如图3所示：
图2.3转换电路
电路说明：
T1、T2、R1、R3构成微电流源电路提供恒定电流，R2是被测管T3的基极电流取样电阻，用于检测基极电流的大小，R4是集电极电流取样电阻，用于检测集电极电流的大小同时检测出被测晶体管β值的大小，由运放构成的差动放大电路，实现电压取样及隔离放大作用，为电压比较电路提供采样电压。
依题意有：
（1）T1与T2性能匹配，为PNP三极管
（2）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。
因此，取输出电流Io＝30uA。
（3）因为参考电流
约为1mA左右，则，由
已知VBE1=0.7V得：
R1=4.3K，取R1=4.3K
再把R1=4.3K代回，得出
=1.35mA，符合要求。
（4）再由：
已知：
VT=26mV得R3=3.0K
（5）R2是基极取样电阻，由于基极电流Io＝30uA，所以为了便于测量，R2应取大一点，这里取R2=20K
（6）R4是集电极取样电阻，考虑到VR4〈5-0.7=4.3V，VR4=Io*
*R4，
得
的范围为0—200，即R4〈800，为了便于计算，这里取R4=510（计算时可约为500）
（7）为了使差动放大电路起到隔离放大的作用，R5—R8应尽量取大一点，这里取R5=R6=R7=R8=30K。
综合上述转换电路的电阻值为：
R1=4.3K
，R2=20K
，R3=3.0K
，R4=510
，R5=R6=R7=R8=30K
。
2.2.2电压比较电路：
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加载到发光二极管，通过发光二极管灯亮的盏数来判断被测三极管的β值范围[2]。
由于题目要求将
值的档次分为0～80、80～120，120～160，160～200，>200对应的分档编号分别是1、2、3、4、5，则需要多个不同的基准电压，基准电压是采用一个串联的电阻网络对一个固定的电压进行分压得到的。
运放采用LM324，内部有四个运放构成。
综合上述得出电压比较电路的电路图如图4所示：
图2.4电压比较器电路
通过上级电路计算出的元件取值求得各档次的基准比较电压边值。
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，Ui=VR4=Io*
*R4=0.00003*80*500=1.2V
当β=120时，Ui=VR4=Io*
*R4=0.00003*120*500=1.8V
当β=160时，Ui=VR4=Io*
*R4=0.00003*160*500=2.4V
当β=200时，Ui=VR4=Io*
*R4=0.00003*200*500=3.0V
可以计算出电压比较电路串联网络中各个分压电阻的阻值，5V电源供电，分压总电阻取R=10k：
β=80时，R＝2.4k
，
β=120时，R＝3.6k
，
β=160时，R＝4.8k
，
β=200时，R=6k
电压比较电路的电阻为：
R9=2.4k
R10=1.2k
R11=1.2k
R12=1.2k
R13=4.0k
2.2.3.参考方框图如图：
图2.5参考方案方框图
3电路图
本次设计的晶体管β值测量的电路原理图如下：
图3.1电路原理图
其中R1=4.3K
，R2=20K
，R3=3.0K
，R4=510
，R5=R6=R7=R8=30K，R9=2.4K
，R10=R11=R12=1.2K
，R13=4.0K
，R14=R15=R16=R17=200
，电路由T1、T2、R1，R2构成微电流源电路，R2是被测管T3的基极电流取样电阻R4是集电极电流取样电阻。
由运放构成的差动放大电路，实现电压取样及隔离放大作用。
通过电压比较器来控制不同β值情况下所亮二极管灯的盏数。
灯亮盏数（个）
β值范围
0
小于80
1
80～120
2
120～160
3
160～200
4
大于200
4元件清单表
表4.1元件清单表
5PCB电路板设计
构造电路图：
单击File/New出现如下窗口，输入文件名并选择存储路径：
图5.1创建ddb文件
点击OK后单击File/New出现如下窗口:
图5.2创建sch文件
选择SchematicDocument点击OK确定创建。
双击打开新建电路原理图设计文件Sheet1.ddb；
从元件库中选择所需元件；
按电路图摆放元件；按电路图连线：
图5.3构造电路图
连线接好后修改元件属性，包括封装号、序号和数值，完成后即得本次设计的单运放差分电路原理图
点击tool/ERC检查电路连接情况；
生产网络表：
选取设计菜单下的creatnetlist选项，
点击确定就可生成网络表，检查元件无误就可制作PCB板了
点击OK后单击File/New出现如下窗口:
图5.4创建PCB文件
选择PCBDocument点击OK确定创建。
双击打开文件pcb1.PCB，在设计工作区的板层标签选择keepOutlayer，然后画边框，在加载网络表，检查元件是否有封装错误，如有则返回原理图修改元件属性，再重新创建网络表，点击Execute，将元件加载到工作区域上，摆放元件，在布线，如下图：
图5.5PCB电路板图
6仿真
6.1用ORCAD构造仿真电路图
6.1.1测量静态工作点
打开工程，进行仿真，先测量静态工作点[3]：
图6.1测量静态工作点
点击后单击确定。
仿真成功完成，如图7.3：
图6.2仿真成功完成
得如图6.3：
图6.3静态工作点的仿真结果
同时可以得到各线路电流大小，如图6.4：
图6.4各线路电流大
6.2仿真
单击simulate/run选择所要的仿真波形[4]：
图6.5仿真波形图
7心得体会
通过本次课程设计是我了解到orcad的一些功能，我们借助与它可以对比较复杂的电路进行分析用它可以避免一些比较复杂的计算[5]。
虽然只有短暂的学习orcad软件的时间，有些功能还没能掌握，但它的实用性是不能忽视的。
我总结了我们对orcad的学习。
元件库的调用，新元件模型的建立。
对于元件库的设计的要求并不高，它只要能大概的反映出元件的大小，尺寸就够了。
对于原理图的绘制只要懂得基本原理，照着原理来画图就够了，将元件按原理接起来就够了.而用protel进行PCB元件库的建立，这里与原理图的元件库不同，PCB板的元件要与实物的大小，尺寸一致，误差与实物一般都不能超够零点几个毫米。
网络表的生成，对于网络表的生成就相对来说比较简单了，只要你的原理图上的元件与PCB板上的对应就够了，当然，参数要一致。
PCB的生成，将网络表的导入，就生成了PCB板。
手动布线，相对来说，布线是最麻烦的事情了，如果你没有耐心，你很有可能就半途而废了。
通过PCB图焊接电路板，要注意焊接中的问题。
同时还必须学好理论知识，从而通过理论分析和仿真情况的对比来更好的掌握电路知识。
在实际设计中我也遇到了一些问题。
例如不能找到正确画图窗口，不能找到有效文件，不能得出运行结果。
通过同学的帮助和有效的资料查询，终于得出了理想的电路图和仿真波形。
本次课程设计考察了我们对orcad软件的掌握和平时理论知识的掌握情况，还有就是对实际操作的能力的考察。
通过理论和仿真情况的对比可以看出两者相差不大，所以说利用orcad可以更好的分析问题，解决问题，直观的掌握模电知识。
8参考文献
[1]贾新章等著ORCAD／Pspice9实用教程西安电子科技大学出版社2007年6月
[2]高文焕等著模拟电路的计算机设计与分析清华大学出版社2008年
[3]杨素行主编模拟电子技术基础简明教程高等教育出版社1998年
[4]江思敏，陈明编著Protel电路设计教程（第2版）清华大学出版社2006年12月
[5]谭阳红，蒋文科著基于ORCAD16.0的电子电路分析与设计国防工业出版社2008年3月
附录整体电路图：
本科生课程设计成绩评定表
姓名
张露
性别
男
专业、班级
电子科学与技术0601班
课程设计题目：
晶体管β值测量电路设计
课程设计答辩或质疑记录：
成绩评定依据：
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）
指导教师签字：
年月日
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