半导体三极管β值测上量仪设计.doc

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1、-半导体三极管值测量仪设计 摘要：在电子产品设计、制作与维修中，经常需要测量三极管的放大系数，而万用表自带的简易测试装置准确性很差，为此本项目设计一个高精度值测量仪。 关键词： 1引言 2设计要求 2.1基本要求 （1）被测三极管为NPN型，值范围为<300。 （2）用三个数码管显示的大小，分别显示个位、十位和百位。显示范围为0-199。 （3）响应时间不超过2秒，显示器显示读数清晰，注意避免出现“叠加现象”。 （4）值超过测量范围时声光报警。 （5）电源采用5V或5V供电。 2.2扩充要求 （1）可以测量任意极性（NPN、PNP）的三极管。 （2）三极管内部断路或短路时能发出警报声，要

2、与值超过测量范围时的报警声区别开来。 2.3设计提示 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进行伏频转换，转换后的频率f就反映了值的大小，然后再用计数器对f的信号进行一定时间的计数，最后通过计数器的 保持输出经译码电路就可以显示值。系统方框如下图2-1所示。 图2-1 3电路设计与器件选择 3.1方案比较 3.1.1方案一 如下图3-1所示。 图3-1 方案一 如图3-1，T1、T2、R1、R3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

3、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。根据三极管电流IC=IB的关系，当IB为固定值时，IC随着的变化而变化，电阻RC上的电压VRC正好反映了IC的变化，所以，我们对VRC取样加入后级，进行分档比较。从而实现目的。该电路用微电流源为基极取样电阻提供稳恒的电流，这样便于测量值。 3.1.2方案二 电路如下图3-2所示 . 图3-2 方案二 如图3-2所示，T1是被测三极管，其基极电流可由R1、RW限定，运算放大器的输出： VR2IB R2 3.1.3 各方案分析比较 两个方案得原理都是要将变化得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。方案一和

4、方案二都是按这个思路设计的，比较和分档的电路一样。两个方案的区别在于，方案一用电流源电路为被测三极管提供Ib，这样能比较精确地把Ib控制在想要的值附近，其缺点是电路较方案二复杂；方案二是利用电阻分压把Vbe控制在想要的值附近，从而获得一个较稳定的Ib值，电路较简单，但Ib的控制不如方案一精确。 为了能取到比较精确的比较电压，进行下一步的比较、分档，以获得较精确的显示结果，方案一是首选。 3.2 -V转换电路 3.2.1 差分转换电路原理 差分转换电路的原理如下图3-3所示。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）。恒流源加在被测三极管的基极，再在基极和集电极上分别

5、加一采样电阻。根据三极管电流IC3=IB3的关系，当IB3为固定值时，IC3反映了的变化，电阻R3上的电压VR3又反映了IC3的变化，在集电极电阻上加一差动放大电路求出该采样电阻两端的电压，输出为V1，这样使三极管的放大倍数转化为电压V1，关系为V1=IB3 R3，这样实现了-V转换。 图3-3 差分转换电路的原理 3.2.2电路参数计算 由于被测三极管基极电流比较小，为了取得固定IB3，通常采用微电流源电路 提供恒定电流，其电路上图所示。 根据电路原理分析得：IR1? IC2? VCC?VBE1 R1 ?VTR2 lnIRIC2 VBE1?VBE2 R2 由此可知：只要确定IC2和R2就能确

6、定IR，由此可以确定电阻R1的值。 依题意有：T1与T2性能匹配，为PNP三极管。被测晶体管IB3的选择应在30A40 A之间为宜。 因为：（1） 值与Ic3有关； （2）小功率管的值在Ic324mA时，工作在放大区，测量较准确。Ic3 较大时工作在饱和区，Ic3较小时工作在截止区，结果是测量不准确。 因此，取输出电流IC230uA 取参考电流IR约为1.3mA R1 R2? ? VCC?VBE1 IC1 ? 左右，则，由IR1? 5?0.71.3 ?3.3K? VCC?VBE1 R1 VTIC2 ln IRIC2 =8703.7612=3272,取村称值为3.3K 为了使差动放大电路起到隔离

7、放大的作用， R3-R7应尽量取大一点，这里取R4=R5=R6=R7=30K。 综合上述：R1=3.3K、R2=3.3K、R3=220、R4=R5=R6=R7=30K，运放采用LF351单运放。 3.3伏频（V-F）转换电路 3.3.1电压-频率变换器 LM331简介 LM331 是美国 NS 公司生产的性能价格比较高的集成芯片。LM331 可用作精密的频率电压（F/V）转换器、A/D 转换器、线性频率调制解调、长时间积分 器以及其他相关的器件。LM331 为双列直插式 8 脚芯片，其引脚如图 3-4 所示。 图 3-4 LM331 内部有（1）输入比较电路、（2）定时比较电路、（3）R-S触

8、发电路、 （4）复零晶体管、（5）输出驱动管、（6）能隙基准电路、（7）精密电流源电路、 （8）电流开关、（9）输出保护点路等部分。输出管采用集电极开路形式，因此可以通过选择逻辑电流和外接电阻，灵活改变输出脉冲的逻辑电平，从而适应 TTL、DTL 和 CMOS等不同的逻辑电路。此外，LM331可采用单/双电源供电，电压范围为 440V，输出也高达 40V。I（PIN1）为电流源输出端，在 f（PIN3）输出逻辑低电平时，电流源输出对电容充电。引脚 2（PIN2）为增益调整，改变的值可调节电路转换增益的大小。f（PIN3）为频率输出端，为逻辑低电平，脉冲宽度由t 和t 决定。 引脚 4（PIN4

9、）为电源地。引脚 5（PIN5）为定时比较器正相输入端。引脚 6（PIN6）为输入比较器反相输入端。引脚 7（PIN7）为输入比较器正相输入端。引脚 8（PIN8）为电源正端。 3.2.2 V-F转换电路 Rs 图3-5 图3-5是由 LM331 组成的电压频率变换电路，LM331 内部由输入比较器、定时比较器、R-S 触发器、输出驱动、复零晶体管、能隙基准电路和电流开关等部分组成。输出驱动管采用集电极开路形式，因而可以通过选择逻辑电流和外接电阻，灵活改变输出脉冲的逻辑电平，以适配 TTL、DTL 和CMOS 等不同的逻辑电路。 当输入端 V1输入一正电压时，输入比较器输出高电平，使 R-S

10、触发器置位，输出高电平，输出驱动管导通，输出端 f0逻辑低电平，同时电源 Vcc 也通过电阻 RT 对电容CT 充电。当电容 CT 两端充电电压大于 Vcc 的2/3时，定时比较器输出一高电平，使 R-S 触发器复位，输出低电平，输出驱动管截止，输出端 f0为逻辑高电平，同时，复零晶体管导通，电容 CT 通过复零晶体管迅速放电；电子开关使电容 CL 对电阻 RL 放电。当电容 CL放电电压等于输入电压 V1时，输入比较器再次输出高电平，使 RS 触发器置位，如此反复循环，构成自激振荡。输出脉冲频率 f0 与输入电压 V1成正比，从而实现了电压频率变换。其输入电压和输出频率的关系为： fo=V1

11、RS/(2.09RLRTCT) 由式知电阻 RT、RL、RS、和 CT 直接影响转换结果 f0，因此对元件的精度要有一定的要求，可根据转换精度适当选择。 电阻 R1 （100K）和电容C1（0.1u） 组成低通滤波器， 可减少输入电压中的干扰脉冲，有利于提高转换精度。 由于V1=IBR3，可以令f0=?，则计数器恰好在1s内记下所有脉冲数。通过计算、拼凑可以得出：Rs=13.6K，RT= 6.8K， RL=100K，CT=0.1uF，CL=1uF。 3.3 时基控制电路 时基控制电路见图3-6(a)所示。由555定时器和外接定时元件R、C构成的单稳态触发器组成。其工作原理是由C1、R1、D构成

12、触发电路，其中D为钳位二极管，稳态时555电路输入端处于电源电平，内部放电开关管T导通，输出端F输出低电平，当有一个外部负脉冲触发信号经C1加到2端。并使2端电位瞬时低于1VCC，低电平比较器动作，单稳态电路即开始一个暂态过程，电容C3 开始充电，VC 按指数规律增长。当VC充电到2VCC时，高电平比较器动作，比3 较器A1 翻转，输出V0 从高电平返回低电平，放电开关管T重新导通，电容C上的电荷很快经放电开关管放电，暂态结束，恢复稳态，为下个触发脉冲的来到作好准备。波形图如图3-6(b)所示。 图3-6 时基控制电路 暂稳态的持续时间tw（即为延时时间）决定于外接元件R、C值的大小。 Tw

13、1.1RC 通过改变R、C的大小，可使延时时间在几个微秒到几十分钟之间变化。本系统要求控制时间为1S，故可求得R=91K，C=10uF。 3.4 计数电路 本计数电路由一片CD4518十进制（8421编码）同步加计数器和一片74LS107JK触发器组成，见图3-7所示。其中CD4518分别构成个位计数和十位计数，最大计数值为99，由74LS107JK触发器构成百位计数，因此总计数为199，符合设计要求。CD4518的计数原理前已论述，当第99个脉冲来时，Q1A=1、Q2A=0、Q3A=0、Q4A=1、Q1B=1、Q2B=0、Q3B=0、Q4B=1，即计数器输出为1001、1001，计数值为99

14、（BCD码），当第100脉冲来时，Q4B从高电平跃变为低电平，加到74LS107的1CP端，使1Q输出高电平。CD4518的其他各位（Q端）也为0，此时计数值为100，再来一个脉冲计数值为101，?这样一直到计数值为199。当脉冲个数200时，2Q输出高电平，指示溢出。 图3-7 计数电路 说明：每个时钟周期计数器计数一次。由于是计数时间是一秒，故根据前面的关系，计数器最终的数值就是所要测的值。 3.5译码显示电路 3.5.1 CD4511的功能与基本电路 CD4511 是一片 CMOS BCD锁存/7 段译码/驱动器，特点：具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提

15、供较大的拉电流。可直接驱动LED显示器。引脚排列如图3-6 所示。其中ABCD为 BCD 码输入，A为最低位。LT为灯测试端，加高电平时，显示器正常显示，加低电平时，显示器一直显示数码“8”，各笔段都被点亮，以检查显示器是否有故障。BI为消隐功能端，低电平时使所有笔段均消隐，正常显示时， B1端应加高电平。另外 CD4511有拒绝伪码的特点，当输入数据越过十进制数9(1001)时，显示字形也自行消隐。LE是锁存控制端，高电平时锁存，低电平时传输数据。ag是 7 段输出，可驱动共阴LED数码管。另外，CD4511显示数“6”时，a段消隐；显示数“9”时，d段消隐，所以显示6、9这两个数时，字形不

16、太美观。 图3-7是 CD4511和CD4518配合而成一位计数显示电路，若要多位计数，只需将计数器级联，每级输出接一只 CD4511 和 LED 数码管即可。所谓共阴 LED 数码管是指 7 段 LED 的阴极是连在一起的，在应用中应接地。限流电阻要根据电源电压来选取，电源电压5V时可使用300的限流电阻。 图3-6 CD4511引脚排列 图3-7一位计数显示电路 3.5.2 计数电路、译码电路与显示电路的连接 CD4518的输出端Q1、Q2、Q3、Q4直接接在CD4511的四个输入端口ABCD上，见图3-14所示。注意个位对个位，十位对十位，百位不需要译码，只有两种状态“1”或“0”故可以直接接在数码管的b，c端，即可实现译码的功能。CD4511的控制信号要接正确，所有的控制信号都应接高电平。 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，其示意图如下图3-8所示： 图3-8 LED显示器示意图