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1、电子技术课程设计 半导体三极管值测量仪齐齐哈尔大学通信与电子工程学院 通信xxx xxx 指导教师：XXX2010年6月23日半导体三极管值测量仪的设计一、选题依据 在现代电子技术中，半导体电子元器件被广泛应用。而半导体三极管通常被用在各种放大电路当中。因而半导体三极管的放大倍数，即值则成为一个经常使用的参数。在学生实验以及各种电路设计过程当中如果我们能像测量电压、电流、电阻一样用仪器测三极管的值，那么这将会为我们的实验和设计带来极大地便利。因此，设计一个三极管值测量仪则具有很大的实用价值和必要。设计电路测量三极管的值，将三极管值转换为其他可用仪器测量的物理量来进行测量（如电压，根据三极管电流
2、IC=IB的关系，当IB为固定值时，IC反映了的变化，电阻RC上的电压VRC又反映了IC的变化）。二、设计要求及技术指标 1.设计要求：设计制作一个自动测量三极管直流放大系数值范围的装置。2.技术指标： (1)、对被测NPN型三极管值分三档；(2)、值的范围分别为5080、80120及120180，对应的分档编号分别是1、2、3；(3)、用数码管显示值的档次；(4)、电路采用5V或正负5V电源供电。三、电路结构及其工作原理 1.电路的结构框图： 转换电路比较电路基准电压编码译码显示 图1 三极管值测量仪框图 2.电路的原理图：1).三极管值测量仪整体机电路图：图2 三极管值测量仪电路原理图2.
3、) 根据设计方案的方框图进行模块化设计：1、转换电路其中包括 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）。将变化的三极管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：根据三极管电流IC=IB的关系，当IB为固定值时，IC反映了的变化，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：有些情况下，要求得到极其微小的输出电流（如三极管基极电流比较小），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下： 微电流源电路根据电路原理分析得：
4、 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：根据三极管电流IC=IB的关系，被测物理量转换成集电极电流IC 而集电极电阻不变，利用差动放大电路对被测三极管集电极上的电压进行采样，。差动放大电路原理如下：当它在静态平衡时，要求必须满足：1、静态的含义：无外信号输入。2、左图：被测管不工作，取样电阻上无压降的条件对运放即为静态。3、为保证静态平衡（V+=V-=2.5V)，同、反相输入端需设计分压网络以平衡满足条件。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
5、差，实现相减功能。其中运算放大器采用集成电路LM311。LM311采用单电源供电，其内部只由一个运算放大器构成，其封装及内部结构如下所示：综合上述得出转换电路的电路图如下：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三极管值的大小，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。2电压比较电路其中的运算放大器采用集成电路LM324。它是由四个相同的运算放大器构成的，其封装及内部结构如下所示： 基准电压：由于题目要求将值的
6、档次分为5080、80120及120180，对应的分档编号分别是1、2、3，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。综合上述得出电压比较电路的电路图如下：3.编码电路要把测试结果显示出来必须对结果进行编码译码，所以要设计编码电路对比较结果进行二进制编码，这里我们采用集成芯片8位优先编码器CD4532，其封装图如下：其中：D0D7为数据输入端，EI为控制端，Q0Q2为输出端，VDD接电源VSS接地端，Gs、Eo为功能扩展端。将编码为二进制数4，将编码为二进制数3，将编码为二进制数2，将编码为二进制数1，将编码为二进制数。CD4532真值表： 输入
7、 输出EID7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0GS Q2 Q1 Q0 EO01X X X X X X X X0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 00 0 0 0 1111111111 X X X X X X X0 1 X X X X X X0 0 1 X X X X X0 0 0 1 X X X X0 0 0 0 1 X X X0 0 0 0 0 1 X X0 0 0 0 0 0 1 X0 0 0 0 0 0 0 11 1 1 1 01 1 1 0 01 1 0 1 01 1 0 0 01 0 1 1 01 0 1 0 01 0 0 1 01 0 0 0 0根据CD4532
8、的真值表，要使编码电路正常工作，EI、GS应接高电平，VDD接高电平，VSS接低电平，输入端D4D1分别接比较电路的四个运放输出端，D0接高电平，D7D5则接低电平。4.译码电路设计方案中译码电路由芯片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。ag为输出端，其输出电平可直接驱动共阴数码管进行09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。5.显示显示用共阴数码管：共阴数码管的管脚图如下所示，ag端可
9、直接与CD4511的QaQg端相连。LED数码显示管有两种形式：第一种是8个发光二极管的阳极连在一起的，为共阳极LED显示器，另一种是8个发光二极管的阴极连在一起的，为共阴极LED显示器，其示意图如下：在本实验中经过测量，我所用的是共阴极LED显示器，为上图中的下者。经过测量，八段LED显示管上下五个引脚的功能如上图所示，其中，3脚和7脚为同一脚共阴脚，只要其中一脚接地即可。由于LED显示器有共阳极和共阴极两种结构，故所对应的显示译码器也不同，使用共阳数码管时，公共阳极接电源电压，七个阴极ag由相应的BCD-七段译码器的输出来驱动。对共阴极数码管来说，则为共阴极接地，相应的BCD-七段译码器的
10、输出驱动ag各阳极。若数码管为共阴，则选用输出为高电平有效的显示译码器。若数码管为共阳，则选用输出为低电平有效的显示译码器。因此，八段LED显示管与BCD八段LED数码显示管的连接方式如下：CD4511的13脚（A）接数码显示管的7脚；CD4511的12脚（B）接数码显示管的6脚；CD4511的11脚（C）接数码显示管的4脚；CD4511的10脚（D）接数码显示管的2脚；CD4511的 9 脚（E）接数码显示管的1脚；CD4511的15脚（F）接数码显示管的9脚；CD4511的14脚（G）接数码显示管的10脚。综合3、4、5，得出编码译码显示这三部分的总电路如下：3). 各部分电路具体参数的设
11、定：1.转换电路图示：依题意有：1.T1与T2性能匹配，为PNP三极管2.IB的选择应在30A40 A之间为宜.因为参考电流约为1mA左右,则，由 已知 VBE1=0.7V 得： R1=4.3K，取R1=3.3K 再把 R1=3.3K代回，得出=1.35mA,符合要求。4.再由：已知：VT=26mV 得 R3=3.3K，实际取2.7K。5.R2是基极取样电阻，由于基极电流Io30uA，所以为了便于测量，R2应取大一点，这里取R2=100K6.R4是集电极取样电阻，考虑到VR4 5-0.7=4.3V，VR4=Io*R4的范围为0180，即R4800，为了便于计算，这里取R4=510（计算时可约为
12、500）7.为了减少差动放大电路对被测电压的影响，R5R8应尽量取大一点，R5=R6=R7=R8=100K，这样才能使差动放大电路起到隔离放大的作用。综合上述转换电路的电阻值为：R1=3.3K R2=100K R3=2.7K R4=510 R5=R6=R7=R8=100K2.电压比较电路：图示：电压比较电路图实物图图中没有接的端口如1、11、12、13为接CD4532的1、11、12、13端，Ui则接转换电路的电压输出端。由课题设计要求可知，设计要求显示被测三极管值范围为50180，而且，分档显示5080，80120，120180，因此，应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
13、值。由R4、被测三极管值即可计算出对应的基准比较电压：当=50时，Ui=VR4=Io*R4=0.00003*50*500=0.75V当=80时，Ui=VR4=Io*R4=0.00003*80*500=1.2V当=120时，Ui=VR4=Io*R4=0.00003*120*500=1.8V当=180时，Ui=VR4=Io*R4=0.00003*180*500=2.7V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=5k：=50时，=80时，=120时，=180时，5个分压电阻分别为：R13=5000-2700=2300,R12=2700-1800=900R11=
14、1800-1200=600,R10=1200-750=450,R9=750在没有太大误差的情况瞎，在实验室最后取的电阻值分别为R9=750 R10=470 R11=600 R12=910 R13=2.2K 3.电路工作原理：1).三极管值测量仪工作原理将变化的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。根据三极管电流IC=IB的关系，当IB为固定值时，IC反映了的变化，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。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。
15、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). 各部分电路功能1、转换电路：它是用与把不能直接用仪器测量的NPN型三极管值转换成可以直接被测量的集电极电压，再把这个电压采样放大，为下一级电压比较电路提供采样电压，其中包括提供恒定电流的微电流源电路和起放大隔离的差动放大电路。2、电压比较电路：由于被测量的物理量要分三档（即值分别为5080、80120及120180，对应的分档编号分别是1、2、3）还要考虑到少于50，和大于180的，于是比较电路需要把结果分成五个层次。则至少需要四个基准电压，该电路就是有一个串联电阻网络产生四个不同的基准电压，再用四
16、个运算放大器组成的比较电路，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，相应的一个比较电路输出为高电平，其余比较器输出为低电平。3、编码电路：将电压比较电路的比较结果（高低电平）进行二进制编码。该编码功能主要由集成芯片8位优先编码器CD4532完成。4、译码电路：主要是把编码电路编成的二进制编码译码成十进制数，以便于人机交流（即要显示的数为人类易懂的十进制数1、2、3）。该电路功能主要由芯片CD4511完成。5、显示：该电路功能是用共阴数码管显示被测量的NPN型三极管值的档次。四、电路主要元件简介1. 元件清单元器件名称元器件标称值或型号电阻4701，5101，3
17、002，7501，91012.7k1，2.2K1，3.3k1， 100k5三极管90122,NPN型不同放大倍数的三极管各一个集成电路LM3242,CD45111,CD45321显示仪器共阴数码显示管12.主要元件介绍共阴数码显示管：由于LED显示器有共阳极和共阴极两种结构，故所对应的显示译码器也不同，使用共阳数码管时，公共阳极接电源电压，七个阴极ag由相应的BCD-七段译码器的输出来驱动。对共阴极数码管来说，则为共阴极接地，相应的BCD-七段译码器的输出驱动ag各阳极。若数码管为共阴，则选用输出为高电平有效的显示译码器。CD4511：是一种集成译码器芯片，其输出电平可直接驱动共阴数码管进行0
18、9的显示。CD4532：是一种优先编码器，CD4532 可将最高优先输入I7I0 编码为3 位二进制码，8 个输入端 I7I0 具有指定优先权，I7 为最高优先权，I0 为最低。当片选输入ST 为低电平时，优先译码器无效。当ST 为高电平，最高优先输入地二进制编码呈现于输出线Y2Y0，且组选线YGS 为高电平，表明优先输入存在，当无优先输入时，允许输出Ys 为高电平。如果如何一个输入为高电平，则Ys 为低电平且所有级联低阶级无效。CD4532 提供了16 引线多层陶瓷双列直插（D）、熔封陶瓷双列直插（J）、塑料双列直插（P）和陶瓷片状载体（C）4 种封装形式。五、课程设计体会：在这的课程设计中
19、，我学到了很多东西，加深了对书本知识的进一步了解，发现自己还有很多的不足。书本上学的都是理论上的，到了实际上还有很多的不同。就拿在选择集成元件来说吧，先前选的是LM311，但是根本就不能做出来，而是用LM324才行.还有CD4511的5脚在仿真时是借高电平的，而在实际试验时是接低电平的。到了实际当中我们要学会具体情况具体分析。还有就是尽管计算出的电阻数值很好。但是实验室不一定有这些数值的元件，我们只好选择相近的元件。还好，我的数值只有一个电阻找到了一个电阻偏差了20的，其余都正好。从这次设计中我学到了以后在学习书本知识时不要死学，要多联系实际才行！尽管已经做了不少电学的实验，但是还是对一些常用
20、的器件常识缺乏认识。像色环电阻都不知道用了多少遍了，但是还是很难记住它的色码意义，有时候还得用万用表测试一下才行。我只能对照着书本上讲的色环电阻的各色代表的数值去一一计算。要是当初就默记与心就方便多了。还是接触的少，要是经常接触，相信自己也是很快就能读出来的。还有各个集成元件的管脚识别，这些都是很基本的常识，自己记得还不是很牢靠，还不停的问同学，以后要多学习这方面的知识。总之，在这次电子技术课程设计的试验中，自己学到了很多的实际当中和理论中的东西，产生了很大的兴趣，同时也感到自己还有很多的东西需要学习，还远远的不行着呢。尽管才用了短短不到一周的时间，但是这次课程设计还是给我留下了很深刻的印象，让我学习到，只要用心去做，很多问题并不难。在这里，也非常感谢实验室的老师，他们给予了我很多的指导和帮助！真诚的感谢他们！