半导体三极管β值测量仪

摘要
半导体三极管β值测量仪是用来测量NPN型三极管电流放大倍数β值的一种简易仪器。

它的设计分为几个部分，首先是转化电路，用微电流电路使晶体管基极电流为一定值，用转化电路将所求c I转换为电压来测量。

然后是比较电路，将转换电路得来的电压与所预设的基准电压比较即可知道β值的范围具体是在80~120,120~160还是160~200之间，其中基准电压用电阻分压的形式得到，大于对应的基准电压输出高电平，否则输出低电平，由比较电路的到比较结果后，将对应β值的由高到低的比较结果连接到发光二极管的阳极并且将二极管阴极接地这样即可实现当没有接入三极管或者β<80时，四个发光二极管全灭；80<β<120时，发光二极管亮一只；120<β<160时，发光二极管亮两个；160<β<200时，亮三个发光二极管；当β>200时，四只发光二极管全亮。

关键词：NPN三极管；转换电路；比较电路；发光二极管
一、总体方案与原理说明 1、总体方案框图如图：
2、各部分电路功能的简单说明：
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β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β值分别为80～120，120～160及160 ～200对应的分档编号分别是1、2、3）还要考虑到少于80，和大于200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
o U ，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显示：该电路功能是用发光二极管显示被测量的NPN 型三极管β值的档次。

二、原理及技术指标
1.转换电路
转换电路要将变化的三极管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：
（1）微电流源电路
为了获得极其微小的输出电流（如三极管基极电流比较小），这时可令 其电路图如下：
转换电路
比较电路
基准电压
显示电路
图 微电流源电路
根据电路原理分析得：
IB=(Vcc-UBE)/RB 又由于UBE 几乎为定值，所以IB 为定值。

（2）差动放大电路
差动放大电路原理如下：
根据理想运放线性工作状态的特性，利用叠加原理可求得
1i 1f
2i 3231f o 1v v v R R R R R R R -+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=
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：
2、电压比较电路
其中的运算放大器采用集成电路LM324。

LM324内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的运算放大器，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。

其封装及内部结构如下所示：
由于为了测得三极管β值则需要将由差动放大电路出来的电压值与对应的β值为80,120,160和200时对应的基准电压进行比较，综上所述可以得出如下电路图：
3、显示电路
显示电路由四只发光二极管组成，其电路图如下：
二极管的发光原理如下：
LED二极管它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。

发光二极管的核心部分是由P 型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为PN结。

在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。

PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。

这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。

当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关.LED的实质性结构是半导体PN结，核心部分由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为PN结。

其发光原理可以用PN结的能带结构来做解释。

制作半导体发光二极管的半导体材料是重掺杂的，热平衡状态下的N区有很多迁移率很高的电子，P 区有较多的迁移率较低的空穴。

在常态下及PN结阻挡层的限制，二者不能发生自然复合，而当给PN 结加以正向电压时，由于外加电场方向与势垒区的自建电场方向相反，因此势垒高度降低，势垒区宽度
变窄，破坏了PN结动态平衡，产生少数载流子的电注入[16]。

空穴从P区注入N区，同样电子从N区注入到P区，注入的少数载流子将同该区的多数载流子复合，不断的将多余的能量以光的形式辐射出去. 二极管就发出光了由二极管发亮的个数可以判断半导体三极管的电流放大倍数即β值
三、单元电路的设计及参数计算
1. 转换电路
图示：
依题意有：
〈1〉.假设2N1711为待测NPN三极管;
〈2〉.IB的选择应在10μA～20 μA之间为宜
所以取R1=430KΩ,R2=215KΩ
（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IB＝20uA
（3）.因为参考电流IB约为20μA左右,则，由
R-
2
=
UBE)
(Vcc
/IB
并且已知VBE=0.7V 得：R2=2.15K
再把R2=2.15K代回，由
2
/)
UBE
-
cc
(
B R
V
I=得出IB=20μA,符合要求。

〈4〉由于基极电流IB＝20uA，所以为了便于测量，R1应取大一点，这里取R1=430K
〈5〉.R3是集电极取样电阻，考虑到UR3〈5-0.7=4.3V，UR3=IB*
β*R3
β的范围为0—200，，为了便于计算，这里取R3=1K
〈6〉.为了减少差动放大电路对被测电压的影响，R4—R7应尽量取大一点，R4=R5=R6=R7=1K,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=4.6 K, R2=215K, R3=1K ，R4=R5= R6=R7=1K
2.电压比较电路：
电压比较电路图实物图示：
由课题设计要求可知，设计要求显示被测三极管β值范围为50～180，而且，分档显示80～120，120～160，160～200，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值。

由
R3、B
I、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=R2*β*R3=0.00002*80*1000=1.6V
当β=120时，Ui=R2*β*R3= 0.00002*120*1000=2.4V
当β=160时，Ui=R2*β*R3=0.00002*160*1000=3.2V
当β=200时，Ui=R2*β*R3=0.00002*200*1000=4.0V
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=5k：
β=80时，
Ω
=
Ω
⨯
=
Ω
⨯
=k
k
k
Vcc
U
R6.1
5
5
6.1
5
i
β=120时，
Ω
=
Ω
⨯
=
Ω
⨯
=k
k
k
Vcc
U
R4.2
5
5
4.2
5
i
β=160时，
Ω
=
Ω
⨯
=
Ω
⨯
=k
k
k
Vcc
U
R2.3
5
5
2.3
5
i
β=200时，
Ω
=
Ω
⨯
=
Ω
⨯
=k
k
k
Vcc
U
R0.4
5
5
0.4
5
i
从而得出最后5个分压电阻的阻值分别为：
R8=5 KΩ-4KΩ=1KΩ, R9=4 KΩ-3.2 KΩ=0.8 KΩ
R10=3.2 KΩ-2.4KΩ=0.8KΩ, R11=2.4 KΩ-1.6KΩ=0.8KΩ,R12=1.6KΩ
3.发光二极管的选择
根据发光二极管的工作特点即它的工作电压和电流，选择普通的发光二极管LED即可。

根据要求本仪器最终输出为二极管的光，选择发色泽鲜艳的红色光的二极管作为最终输出的二极管。

由以上介绍可知：当LED1~LED4全灭为β倍数小于80或者未接入半导体三极管，LED4亮为80<β<120;LED3和LED4亮为120<β<160;LED2,LED3和LED4亮时为160<β<200；当LED1~LED4全亮时为β>200。

从而得到半导体三极管β值。

四、总体仿真电路图
根据如图电路，仿真效果良好，很明了的显示了半导体三极管的电流放大倍数值β，电路结构简单，所用元件少，经济适用！
辽宁工程技术大学电子技术课程设计
五、设计小结
通过为期近一周的努力，我终于完成了以“半导体三极管β值测量仪”为题的课程设计，在这次设计中，首先是选题，查找有关资料，初步确认三极管β值测量的基本步骤。

其次是对方案分析比较，确定设计的最优方案。

再次是电路原理设计与电路仿真。

最后是编写整理设计说明书。

当然在这次设计中遇到了很多问题，比如在仿真时二极管不亮经检查发现在转换电路中的集成运放lm311电路连接错误，改正后仿真运行良好使得最终能够在周四的晚上发给老师，老师看过后给出了确切的评价和改进方法，对我有很大的帮助。

我根据老师的改进方法进行了修改，又根据同学的意见，最后对不标准的格式进行修改，遂成为了今天的成稿。

通过这次设计，不仅复习了以前学过的知识，在熟练接线方法的基础上还对集成运放的原理有了更
加深入地了解。

同时我学会了使用作图软件
0.
11
u ltisim
M进行绘制电路图和使用它进行仿真实
验，收获颇多！再次对回老师和帮助我的同学表示衷心的感谢！
袁红太：半导体三极管β值测量仪
六、参考文献
[1] 童诗白，华成英.模拟电子技术（第四版）.北京：高等教育出版社，2006.
[2]李根华等编.电子线路设计指导.北京航空航天大学出版社。

2005
[3] 孙骆生.电工学基本教程，4版.北京：高等教育出版社，2008..
[4] 毕淑娥.电工与电子技术基础[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2008.
[5] 秦曾煌，姜三勇.电工学电子技术，7版.北京：高等教育出版社，2009.。