模电课程设计报告三极管β值范围分选电路的设计

《模拟电子线路基础》
课程设计报告
三极管β值范围分选电路的设计
题目难度系数：1.0
专业集成电路设计与集成系统
班级集成班
学生姓名
实验台号16
指导教师
提交日期 2011年 4月日小三号宋体
电话号码
目录
第一部分系统设计 (3)
1.1 设计题目及要求 (3)
1.2 总体设计方案 (3)
1.2.1 设计思路 (3)
1.2.2 方案论证与比较 (3)
1.3 总体设计方案模块结构与框图 (4)
第二部分单元电路设计 (5)
2.1 电流源电路 (5)
2.1.1电流源电路工作原理 (5)
2.1.2电流源电路参数选择 (5)
2.2 并联比较电路 (6)
2.2.1并联比较电路工作原理 (6)
2.2.2并联比较电路参数选择 (7)
2.3 编码电路 (8)
2.3.1编码电路工作原理 (8)
2.3.2编码电路参数选择 (9)
2.4 译码显示电路 (9)
2.4.1译码显示电路工作原理 (10)
2.4.2译码显示电路参数选择 (10)
第三部分整机电路 (11)
3.1 整机电路图 (11)
3.2 元件清单 (11)
第四部分性能指标的测试
4.1电路调试 (13)
4.1.1 测试仪器与设备 (13)
4.1.2 各模块功能指标测试及测量数据 (13)
4.1.3 故障分析及处理 (14)
4.2电路实现的功能和系统使用说明 (14)
第五部分课程设计总结 (15)
一、系统设计
1.1设计题目及要求
1.1.1设计任务
设计制作一个三极管β值范围分选电路的装置。

1.1.2要求
1、β值的范围分别为120~160及160~200对应的分档编号分别是1、2；待测三极管为空或不在上述范围是时显示0。

2、用数码管显示β值的档次；
3、电路采用5V或±5V电源供电。

4、设计本测试仪所需的直流稳压电源。

1.2总体设计方案
1.2.1设计思路
三极管β值决定了三极管基极电流与集电极电流的倍数关系，在一定程度上表征了三极管的放大能力。

其测量方法可采用固定基极电流大小，检测集电极电流大小的方法间接测得。

而集电极电流可以通过该支路采样电阻上的压降间接测得。

最后该题简化为驱动待测三极管，采集集电极电阻上的压降进行比较、显示。

1.2.2方案论证与比较
方案一，电流源驱动待测三极管。

图（1—1）
如图（1—1）所示，PNP型三极管Q1、Q2，电阻R1、Re1、Re2构成比例电流源，Q2集电极通过采样电阻R_samp输出恒定的电流Ib驱动待测三极管Q_Test，电阻Rc 两端的电压反映了待测三极管集电极电流Ic的大小，当基极电流Ib恒定不变时，也就反映了待测三极管β值的大小。

方案二，电流—电压转换电路。

图（1—2）
如图（1—2）所示，T1是被测三极管，其基极电流Ib可由R1、R2限定，运算放大器的输出：V R2＝β·Ib ·R2。

两方案都是将电流量转化成电压量进行间接测量的。

方案一用比例电流源为待测三极管提供基极电流，直接在集电极回路进行采样测量；方案二用电压并联负反馈，将电流量转化成电压量进行测量。

方案一中的基极电流比较精确稳定，但用到电流源电路，电路比较复杂；方案二电路简单，但对待测三极管的基极电流的控制不如电流源电路精确。

而对三极管β值的测量，要求比较精确的基极电流，所以本设计采用方案一中的电流源电路来驱动三极管。

1.3总体设计方模块结构与框图
图（1—1）
比例电流源待测三极管&电压采样并联比较器
编码器
二、单元电路设计
2.1电流源电路
图（2—1）
2.1.1电流源电路工作原理
该电路为标准的比例电流源电路。

其电流关系如下：
化简得：当两只PNP型三极管的β
值远远大于2时成立。

实际其β值均大于100。

2.1.2电流源电路参数选择。

为确定Ic2的大小（即待测三极管基极电流大小），需考虑如下问题。

一，电源电压定为5V；二待测三极管β值跨度宽于120至200范围；三，Rc上压降范围较广，电压比较器足以分辨。

因此将Ic2（即待测三极管基极电流）设为15μA为宜。

此时Rc下端的电压范围约为3.2V至2V。

当待测三极管β值小于120或不插接待测三极管时，Rc下端电压大于3.2V，当待测三极管β值大于200时，Rc下端电压小于2V。

因此，为得到15μA的输出电流，选择Re2为Re1的120倍，Re1支路电流为
T
V
Vbe
Vbe
e
Ies
Ies
Ie
Ie/)
(
2
1
2
12
1
-
=
2
1
1
2
Re
Re
=
Ie
Ie
(Vcc-0.6V)/(R1+Re1)，为Re2支路的120倍，即15μA的120倍，选择Re2为36kΩ，于是根据以上关系得：Re1为300Ω，R1为2.5kΩ。

R_samp和Rc均为采样电阻，为便于计算，取值以整数为宜。

R_samp和待测三极管的B-E结电阻串联作电流源的负载，所以R_samp取值应比较小，取100Ω。

Rc对待测三极管电流放大情况进行采样，其阻值取1kΩ。

2.2并联比较电路
图（2—2）
2.2.1并联比较电路原理
Rc下端电压反映了待测三极管的电流放大能力，即β值。

对Rc下端电压与基准电压比较分级，得到待测三极管β值的档位，分别为：大于3.2V——待测三极管β
值小于120或不插接待测三极管；大于2.6V而小于3.2V——待测三极管β值大于120而小于160；大于2V而小于2.6V——待测三极管β值大于160而小于200；小于2V——待测三极管β值大于200。

用4只电阻Rd1~Rd4对电源电压进行分压，得到三个基准电压。

用运算放大器LM324进行电压比较，将Rc下端电压引至三个运放的
表（2-1）
2.2.2并联比较电路参数选择
分压电阻Rd1~Rd4的阻值在千欧级比较稳定，且这个数量级的电阻比较容易获得。

三个基准电压值分别为3.2V、2.6V、2V，电源电压Vcc为5V，所以每个电阻的分压值分别为：1.8V、0.6V、0.6V、2V。

由于纯电阻电路电阻两端电压正比于电阻阻值，所以就选Rd1为18kΩ；Rd2为6kΩ；Rd3为6kΩ；Rd4为20kΩ电压比较器的选择有两种方案。

一为四电压比较器LM339，一为四运放LM324。

运放开环接入电路时，即为电压比较器，由于没有特殊要求，而实验室提供LM324，因此选择LM324作为电压比较芯片。

由于要求在面包板上搭建电路，因此选择双列直插式封装。

2.3编码电路
图（2—3）
2.3.1编码电路原理
以电压比较器U1A和U1B的输出端作为编码器的输入端D1、D2，D0接高电平（Vcc）D3~D7接低电平（地）EI端作为“输出‘0’信号”的控制端。

Q1、Q2为编码信
情况
输入输出
EI D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 GS Q1 Q0 EO
1 0 X X X X X X X X 0 0 0 0
2 1 0 0 0 0 0 1 X X 1 1 0 0
3 1 0 0 0 0 0 0 1 X 1 0 1 0
4 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0
表（2-2）
情况1为：待测三极管β值大于200，Rc下端电压小于2V，此时U1C输出高电平，Qkey导通，Rp下端电压被拉为低电平，即EI端为低电平，控制编码芯片输出二进制“0”信号。

情况2为：待测三极管β值大于160而小于200，Rc下端电压大于2V而小于2.6V，此时U1C输出低电平，Qkey截止，Rp下端电压为高电平，即EI端为高电平，芯片正常编码。

同时U1B输出高电平，编码芯片输出二进制“10”信号。

情况3为：待测三极管β值大于120而小于160，Rc下端电压大于2.6V而小于3.2V，此时U1C输出低电平，Qkey截止，Rp下端电压为高电平，即EI端为高电平，芯片正常编码。

同时U1B输出低电平，U1A输出高电平，编码芯片输出二进制“1”信号。

情况4为：待测三极管β值小于120或不插接待测三极管，Rc下端电压大于3.2V，此时U1C输出低电平，Qkey截止，Rp下端电压为高电平，即EI端为高电平，芯片正常编码。

同时U1B和U1A都输出低电平，编码芯片输出二进制“0”信号。

2.3.2编码电路中元器件参数的选择
电路需要实现对三线信号编码成两位二进制信号，可以用4线—2线编码器，也可用8线—3线编码器。

由于8线—3线编码器比较常见，因此选用8线—3线编码器，实验室提供的8线—3线编码器为CD4532。

三极管Qkey和电阻Rp的选择。

三极管Qkey和电阻Rp实现的是对U1C输出信号的反转，即U1C输出高电平时，通过三极管Qkey和电阻Rp翻转成低电平；U1C 输出低电平时，通过三极管Qkey和电阻Rp翻转成高电平。

简单的NPN三极管共射极放大电路又反相输出特性，三极管选用常见的NPN三极管9013，电阻Rp为上拉电阻，当三极管截止时，将EI电位拉为高电平。

因此Rp取值取几十千欧为宜，这里取10kΩ。

2.4 译码显示电路
图（2—4）
2.4.1译码显示电路原理
译码电路由译码器和七段数码管组成。

将前面编码器输出的Q1、Q2信号送至译码器的输入端IN A、IN B，其他输入端接低电平（GND），LE/(STB)’信号、(BLK)’信号、(LT)’信号接地，输出端SEG A~G分别接到七段数码管对应的字段，数码管的“小数点”dp端与公共地一起接至GND。

若数码管工作电流较大，应在公共地与GND 之间接入阻值约为500Ω的限流电阻。

译码器将二进制码译为数码管显示信号，驱动数码管显示出数字“0”、“1”、“2”。

2.4.2译码显示电路的参数选择
七段数码管译码芯片可以选择7447/7448/CD4511。

实验室提供了CD4511和与之对应的共阴数码管，所以就选用这两个器件来搭建电路。

三、整机电路
3.1 整机电路图
图（3—1）3.2 元件清单
电阻
Re1为300Ω
Re2为36kΩ
R1为2.5kΩ
R_samp为100Ω
Rc为1kΩ
Rd1为18kΩ
Rd2为6kΩ
Rd3为6kΩ
Rd4为20kΩ
Rp为10kΩ
三极管
Q1和Q2为9012
Q_Test为待测三极管，为NPN型Qkey为9013
IC芯片
U1为LM324
U2为CD4532
U3为CD4511
显示设备
共阴七段数码管一只
四、性能指标的测试
4.1 电路调试
按照整机电路图在面包板上搭建电路，注意接线正确，并美观整齐。

如图（4—1）。

图（4—1）
4.1.1 测试仪器与设备
电路整体工作在直流状态，测量只需要万用表。

4.1.2 各模块性能指标测试及测量数据
（1）电流源模块。

电流源理论输出值为15μA，在R_samp上的压降为1.5mV。

实际测量值为1.56mV。

误差4%。

（2）Rc采样电阻下端电压。

Rc下端电压为Vcc-βIb·Rc。

接入β值为100的标准三极管时Rc下端电压应为3.5V，实际测量电压为3.47V。

误差0.8%
（3）Rd1~Rd4的分压值。

各点分压值与实际测量值如表（4—1）
表（4—1）
4.1.3 误差分析、故障分析及处理
（1）电流源输出电流的误差。

其输出电流采用间接测量，因此引起误差的因素可能是两只9012三极管参数不对称。

另外，采样电阻R_samp阻值本身有一定误差。

该电阻标称误差为2%。

假设电阻误差忽略不计，则可通过将电流源电路中R1换为可调电阻，改变其的阻值来调整电流源输出电流，以减小误差。

（2）Rc下端电压的误差主要是标准三极管的β值本身误差引起的，由于误差较小，可以忽略。

（3）Rd1~Rd4的分压值误差，三个点的误差都不超过3%，但是其测量值的偏差方向都为偏小，因此可以通过将Rd4换为可变电阻，调节阻值来使测量值更接近理论值。

（4）数码管显示故障，刚接完电路，接通电源后数码管没有显示，测量SEG A~G 管脚，其输出值正常。

更换数码管后正常显示。

分析其原因，原数码管损坏的可能性较大。

4.2 电路实现的功能和系统使用说明
整个电路实现了三极管β档位分选的功能。

β值的范围分别为120～160及160～200对应的分档编号分别是1、2；待测三极管为空或不在上述范围是时显示0。

其使用方法简单，接通电源不接待测三极管时，数码管显示0。

将待测三极管管脚按照从左到右依次为“E”“B”“C”的顺序接入面包板对应位置后，数码管便可显示出档位结果。

五、课程设计总结。