三极管β值测量

三极管β值测量仪设计与制作

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β，而万用表自带的简易β测试装置准确性很差，为此本项目设计一个高精度β值测量仪。 关键词：恒流源，伏频转换，A T89C51

1．设计要求

1.1基本要求

（1）被测三极管为NPN 型，β值范围为β<300。

（2）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0-299。

（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）β值超过测量范围时声光报警。

（5）电源采用5V 或±5V 供电。

1.2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。

1.3设计提示

将三极管β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I C =βI B 的关系，当I B 为固定值时，I C 反映了β的变化，电阻R C 上的电压V RC 又反映了I C 的变化，对V RC 进行A/D 转换或伏频转换，转换后的值就反映了β值的大小。 系统总体方框如下图1-1所示。

图1-1 系统总体方案框图 报告 批改老

师

2．方案设计

2.1 β值转换方案

方案一：如下图2-1所示。

图2-1 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I C=βI B的关系，当I B为固定值时，I C随着β的变化而变化，电阻R C

上的电压V RC正好反映了I C的变化，所以，我们对V RC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。

方案二：电路如下图3-2所示.

图2-2 方案二

如图3-2所示，T1是被测三极管，其基极电流可由R1、R W限定，运算放大器的输出：V R2＝βI B R2

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。

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。

2.2模数变换方案

β值变换成电压后,需要再把电压变换为数字信号,有两种方法，一种是A/D转换，另一种是V/F转换。

方案一，A/D转换电路

A/D转换电路，亦称“模拟数字转换器”，简称“模数转换器”。将模拟量或连续变化的量进行量化（离散化），转换为相应的数字量的电路。最常用的A/D转换芯片是ADC0809，该芯片是一个逐次逼近型的A/D 转换器，外部供给基准电压；单通道转换时间116us；分辨率为8 位，带有三态输出锁存器，转换结束时可由CPU 打开三态门，读出8 位的转换结果；有8 个模拟量的输入端，可引入8 路待转换的模拟量。A/D转换电路的连接如下图2-3所示。

图2-3 A/D转换在电路中的连接

方案二，V/F变换

V/F变换器的原理是将输入的模拟电压信号线性地变换成频率值正比于所测模拟电压的数字脉冲信号。这种V/F变换器的输出脉冲对其输入信号直接跟踪，不需要采样时钟脉冲信号、转换命令信号或任何形式的外部逻辑电路，只需要微机在一定时间内直接

对其输出脉冲进行计数处理即获得二进制或十进制数据，该数据即表示计数期间内输入信号的平均值。因此，V/F变换器相对于Δ-Σ变换器在电路设计上简单很多。

V/F变换的简易方案如下图2-4所示。

图2-4V/F变换方案

综合上述，采用方案一能够满足设计要求。

2.3计算电路方案

方案一

计算电路可用数字电路实现，简单容易实现，但存在精度不高、布线复杂、扩展能力并有等问题。

方案二

计算电路采用单片实现，精度高，可扩展性高，容易实现智能化，缺点是要编写程序，对没有编程经验的同学有一定难度。

综合上述选择方案二。

3．单元电路设计与器件选择

3.1 β-V转换电路

β-V转换电路的原理如下图3-1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加一采样电阻。根据三极管电流I C3=βI B3的关系，当I B3为固定值时，I C3反映了β的变化，电阻R3上的电压V R3又反映了I C3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β转化为电压V1，关系为V1=βI B3 R3，这样实现了β-V转换。

图3-1 差分转换电路的原理

3.1.1恒流源电路参数计算

由于被测三极管基极电流比较小，为了取得固定I B3，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：111R V V I BE CC R -=

2

22212ln C R T BE BE C I I R V R V V I =-= 由此可知：只要确定I C2和R 2就能确定I R ，由此可以确定电阻R 1的值。

依题意有：T 1与T 2性能匹配，为PNP 三极管。被测晶体管I B3的选择应在30μA ～40 μA 之间为宜。

因为：（1）β 值与Ic 3有关；（2）小功率管的β值在Ic 3＝2～4mA 时，工作在放大区，测量较准确。Ic 3较大时工作在饱和区，Ic 3较小时工作在截止区，结果是测量不准确。

因此，取输出电流I C2＝30uA

取参考电流I R 约为1.3mA 左右，则，由111R V V I BE CC R -=

，得 Ω=-=-=K I V V R C BE CC 3.33

.17.05111，222ln C R C T I I I V R ==870×3.7612=3272Ω，取村称值为3.3K 。 3.1.2 差分转换电路

根据三极管电流I C3=βI B3的关系，被测物理量β转换成集电极电流I C3 ，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