半导体三极管值测量仪设计

电子与信息学院
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《模拟电子线路基础》 课程设计报告
半导体三极管β值测量仪设计
专 业 集成电路设计 班 级 集成电路 学生姓名 指导教师 电话号码 × ×××××× 提交日期 2009年 3月 10日
一、设计任务
1.1设计题目及要求
1.2 备选方案设计与比较 1.2.1 方案一 1.2.2 方案二 1.2.3 各方案分析比较
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：
图（5）微电流源电路图 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： 根据三极管电流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三极管集电极上的电压 进行采样，。差动放大电路原理如下：
( LM 331)
输入电压信号，输出有脉冲，可以以一定的关系实现电压与频率的转 换。供电电压为+5V。
3.3 功能模块三（控制计时电路）
3.3.1 工作原理和功能说明
把NE555接成单稳态电路，利用触发后产生的持续高电平来控制 计数器计时，根据设计的思路，脚（G）接数码显示管的10脚。
3.5.2 器件说明
共阴数码管的管脚图如下所示，a～g端可直接与CD4511的Qa～Qg 端相连。
图（13）共阴数码管管脚图 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：
四、元件清单
五、安装调试与性能测量
5.1 电路安装
5.2 电路调试 5.2.1 调试步骤及测量数据 5.2.2 故障分析及处理
5.3 整机性能指标测量
课程设计总结
一、设计任务
1.1设计题目及要求
半导体三极管β值测量仪（b） 设计任务和要求
设计一个可测量NPN型硅三极管的β值的显示测量 电路（β<200）,要求： 1、用三个数码管显示β的大小，分别显示个位、十位和百位。显示范 围为0-199。 2、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”。 3、电源采用5V或±5V供电。 注：以上为选做提高部分，选做此题的分值系数为1.2。
三、电路设计与器件选择 3.1 功能模块一（转换电路）
3.1.1 模块电路及参数计算
以上电路包含了一个微电流源与一个差分放大电路。
（微电流源）
依题意有： T1与T2性能匹配，为PNP三极管 IB的选择应在30μA～40 μA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 因为参考电流约为1mA左右,则，由
·2.3基本工作原理
2.3.1 差分转换电路
通过一恒流源，加在被测三极管的基极，再在基极和集电极上分别 加一采样电阻，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=IB R4，这样实现了-V转换。
2.3.2 伏频转化电路
V1通过压控振荡器LM331，使电压信号转变为频率信号，记输出 信号为V0。选择适当的参数可以使使该频率与三极管放大倍数与发出 的频率f相等。该频率为f=K*V1=KIB R4,令=f，则可以算出KIB R4=1。 其中，K与Rs、RL、CT、RT有关。设置适当的标称值就可以实现要 求。接下来是控制计数电路。
3.4.3 器件说明
CD4518功能表与封装图如下：
（功能表）
（封装图）
3.5 功能模块五（译码与显示电路）
CD4511封装图如下：
图（12）CD4511封装图 其中：A、B、C、D为数据输入端，、、LE为控制端。a～g为输出 端，其输出电平可直接驱动共阴数码管进行0～9的显示。 CD4511真值表：
图（6）差动放大电路图 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LM311。 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。
3.3 功能模块三（控制计时电路） 3.3.1 工作原理和功能说明 3.3.2 器件说明 3.3.3 参数计算
3.4 功能模块四（计数电路） 3.4.1模块电路及参数计算 3.4.2 工作原理和功能说明 3.4.3 器件说明
3.5 功能模块五（译码与显示电路） 3.5.1模块电路及参数计算 3.5.2 工作原理和功能说明 3.5.3 器件说明
1.2.2 方案二
图（2）方案二设计电路图 如图（2），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：
VR2＝βIB R2
1.2.3 各方案分析比较
两个方案得原理都是要将变化得β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。
已知 VBE1=0.7V 得： R1=4.3K，取R1=3.3K 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 R1=3.3K R2=20K R3=3.3K R4=220 R5=R6=R7=R8=30K
3.1.2 工作原理和功能说明
3.5.1 工作原理和功能说明
显示用共阴数码管 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a~g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a~g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；
1.2 设计方案
1.2.1 方案一
图（1）方案一设计电路图 如图（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=βIB的关系， 当IB为固定值时，IC随着β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β值。
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β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β值。
·2.2 模块结构与方框图 被测三极管 Β-V转换电路 压控振荡器
计数时间产生电路 计数器
译码电路
&
显示
图（3）模块结构与方块图
NE555，其封装图如下：
所接正电源为5V。
·3.3.3 参数计算：
NE555引脚排列图
要实现计数1S即tw=1.1R9C1=1S,故可凑得R9=90K，
C1=10uF。
3.4 功能模块四（计数模块）
3.4.1模块电路及参数计算
说明：每个时钟周期计数器，计数一次。由于是计数一秒，故根据 前面的关系，计数器最终的数值就是所要测的β值。
3.4.2 工作原理和功能说明
V2加在第一片计数器CD4518的CP1A ’ 端上， V0加在CP0A上，故 当1S的高电平V2来临时，实现的是计数器在BCD模式下十进制计数， 当1S的低电平V2变为高电平时，此时为保持模式，用于显示。由于 CD4518是双的BCD码假发计数器，故可将其中一个计数器的最高位不 妨假定为1Q4接在另一个计数器的脉冲输入端CP0B端，CP1B ’接CP1A ’这样一片CD4518就可以实现一个BCD码的百位计数器！2Q4可以接在 另一片CD4518上，实现百位计数。控制端与第一片相同
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：
根据三极管电流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
记下所有脉冲数。通过计算拼凑可以得
出：Rs=4.7K，RT=Rv=10K， RL=150K，CT=0.01uF， CL=1uF， C2=0.01uF。
3.2.2 工作原理和功能说明
采用LM331芯片实现电压与频率的转换，使电压转换为可以用计 数器计数的脉冲信号。