课程设计（论文）-半导体三极管β值测量仪.docx

课程设计题 目 半导体三极管值测量仪 学生姓名 学号 所在学院 物理与电信工程学院 专业班级 电信1402班 指导教师 _ _ _完成地点 博远楼实验室 _ 2016年 10月半导体三极管值测量仪（陕西理工大学物电学院电子信息科学与技术专业电信1402班，陕西 汉中 723000）指导老师：摘要本设计以集成运放LM324为核心器件并加以编码、译码等器件搭接而成。在基本部分，首先自制微电流源产生恒定电流，作为待测三极管的基极电流，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，集电极电阻上的电压又反映了IC，用差分电路从待测三极管的集电极采集电压，即将变化的值转化为与之成正比变化的电压量，再进行电压比较、分档，将连续变化的模拟量转化成高低电平0和1，再用CD4532编码、74ls47译码，显示部分采用共阳七段数码管。关键词集成运放；编码；译码；数码管。Semiconductor transistor value measuring instrumentZhaoyuangeng（Grade14,Class02,Major Electonic Information Science and Technology,Physics Dept,Shaanxi University of Technology,Hanzhong 723000,Shaanxi）Tutor:Zhang ZhengcaiAbstract: The design of the integrated operational amplifier LM324 as the core device and encoding and decoding device to connect. In the basic part, generate a constant current first self-made micro current source, as the base current to be measured triode transistor current, according to the relationship between IC= beta IB, when IB is a fixed value, IC reflects the changes of beta, voltage collector resistance reflects on IC, using the difference from the collector voltage acquisition circuit the measured transistor, will change the beta value into the directly proportional change of voltage, then the voltage comparison and sorting, the continuous analog changes into level 0 and 1, with CD4532 encoding, 74ls47 decoding, display part of a total of seven digital tube.Key words: Integrated operational amplifier; encoding; decoding; digital control.目 录1.设计任务及工艺要求11.1 设计任务11.2 工艺要求12.方案及方案的比较与论证12.1 方案12.2 方案的比较13.系统总体设计23.1 总体方案设计说明23.2模块结构与方框图24.电路设计及器件选择34.1 电流源电路及采样电路34.1.1电流源参数计算：34.1.2采样电路参数计算：44.2 分压比较电路54.2.1 电路图及参数计算54.3 编码电路64.3.1 电路图及参数计算74.4 译码电路及显示电路84.4.1 电路图及参数计算95.系统电路图及元器件清单95.1系统电路图95.2 元器件清单106.仿真分析116.1 仿真电路图116.2 不同放大倍数仿真分析117.电路调试138.心得体会14参考文献15陕西理工大学课程设计1.设计任务及工艺要求1.1 设计任务设计制作一个自动测量三极管直流放大系数值范围的装置。1.2 工艺要求对被测NPN型三极管值分三档；值的范围分别为80120及120160，160200对应的分档编号分别是1、2、3；待测三极管为空时显示0，超过200显示4。用数码管显示值的档次。电路采用5V或正负5V电源供电。2.方案及方案的比较与论证2.1 方案方案一：因为三极管电流之间的关系为Ic=IB，所以，当IB为一个固定值时，Ic就反映了的变化，将变化的值转化为与之成正比变化的电流量；集电极电阻Rc上的电压vrc又反映了Ic的变化，这样就可以得到了取样电压vrc；将取样电压量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U0，只有相应的一个比较电路输出为高电平，则其余比较器输出为低电平；将比较器输出的高电平进行二进制编码；在经显示译码器译码；最终驱动数码管显示出相应的档次代号。方案二：根据三极管集电极电压 U0=I13R的关系，当IB为一个固定值时，U0 反映了的变化，将变化的值转化为与之成正比变化的电压量；Uo 即为取样电压；将取样电压量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，只有相应的一个比较电路输出为高电平，则其余比较器输出为低电平；将比较器输出的高电平进行二进制编码；在经显示译码器译码；最终驱动数码管显示出相应的档次代号。2.2 方案的比较根据方案一：由方案一得三极管电流之间的关系为Ic=IB，所以，当IB为一个固定值时，Ic就反映了的变化，由此画出此方案电路图如图2.1所示。图中T1是被测三极管，三极管的基极电流Ib由R1和R2所决定，运算放大器的输出U0=IBR3。将变化的值转化为与之成正比变化的电流量；集电极电阻Rc上的电压vrc又反映了Ic的变化，这样就可以得到了取样电压vrc；将取样电压量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U0，只有相应的一个比较电路输出为高电平，则其余比较器输出为低电平；根据方案二：三极管集电极电压 U0=I13R的关系，当IB为一个固定值时，U0 反映了的变化，将变化的值转化为与之成正比变化的电压量；Uo 即为取样电压；将取样电压量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，只有相应的一个比较电路输出为高电平，则其余比较器输出为低电平。 因此画出此方案电路图如图2.2所示。图中：由T1、T2和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是被测管T3的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。方案一与方案二两者比较:后四步步骤均相同，而不同之处在于它们的电路的转换过程部分。由两幅电路图可见，方案一中电路的转换过程部分结构较为简单，所需要的元器件也比较少。但是，在方案一当中，当变化时，即被测三极管变换，三极管不同，内阻也就不同，最终导致IB不稳定，故U0不仅随着变化而变化，也与IB变化有关。所以该方案测量结果不准确，该方案不足采纳。方案二在被测三极管前做了一个恒流源，可以给被测三极管的基极提供一个恒定的电流，进而达到目的，让采样电压的变化仅由决定。因此，本次课程设计我采用了方案二。图2.1 方案一电路图图2.2 方案二电路图3.系统总体设计3.1 总体方案设计说明根据三极管集电极电压 U0=IBR3的关系，当IB为一个固定值时，U0反映了的变化，这样我们就可以将变化的值转化为与之成正比变化的电压量；U0 即为取样电压；将取样电压量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，只有相应的一个比较电路输出为高电平，则其余比较器输出为低电平；将比较器输出的高电平进行二进制编码；在经显示译码器译码；最终驱动数码管显示出相应的档次代号。3.2模块结构与方框图基本部分分为电流源电路、采样电路、分压电路、比较器及编码电路、译码及显示电路六个模块组成。总体系统框图如图3.1所示.电流源显示电路译码电路编码电路比较电路基准电压 采样电路图3.1 总体系统框图4.电路设计及器件选择4.1 电流源电路及采样电路恒流源是输出电流保持不变的电流源，而理想的恒流源：不因负载变化而变化，不因环境温度变化而变化，内阻为无限大，从三极管特性可知，工作在放大区内的IC受IB影响，而Vce对Ic影响很小，因此，只要IB值固定，Ic也可以固定。根据三极管这一特性，我们便可以做出这次为所测三极管提供电流的电流源，电流源的恒定电流流入被测三极管的基极，以便在被测三极管的集电极得到另一电流，随而进行计算得到放大倍数。所以电流源如图4.1所示。图4.1 恒流源及采样电路4.1.1电流源参数计算：如上图所示，在该部分中两个三极管Q1、Q2均为PNP型且性能参数等都完全相同，采用+5V供电，由题意可知，待测三极管的基极输入电流在30uA40uA之间为宜，可固定其输入电流恒定为30uA，即微电流源的输出为30uA。设电流源的参考电流为1mA，根据公式：IR=vCC-vBE1R可得： R1=vCC-vBE1IR已知 vBE1=0.7V，vcc=5V 得： R1=4.3K又因为： I0=vBE1-vBE2RE2=VTRE2LnIRI0其中已知： vt=26mV，I0=30uA，Ir=1mA可解得：Re=3K，即电路中的R2=3K。4.1.2采样电路参数计算：R3基极取样电阻，由于基极电流I030uA，所以为了便于测量，R3尽量取大一点，这时可以取R3=20K。R4为集电极取样电阻，则取样电压可根据公式：UR4=IcR4=IBR4又因为值的范围为80到200，同时为使vce的选择应不小于1V，三极管工作在合适的状态，vce的选择应不小于1V。当值为200时，取样电压最大，集电极与发射极之间的电压c最小，为使Uce=cc-0.7-UR41V，即R4617，为方便计算及选择电阻，取R4的值为510。根据三极管电流IC=IB的关系，被测物理量转换成集电极电流IC,而集电极电阻不变，利用差分放大电路对被测三极管集电极上的电压进行采样，。差分放大电路原理如下图4.2.所示：图4.2. 差分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v0=1+RfR1R3R2+R3vi2-RfR1Vi1当 R1=R2=R3=Rf, V0=Vi2-Vi1作减法运算。此外电路中差分放大电路还起隔离和放大的作用，故运放的同向和反向输入端的输入电阻应尽量取的大一些，计算可得：取样电压最低为1.224V，最高为3.06V，均为可准确测量值，无需放大，故在此可取R5=R6=R7=R8=30k。差分放大电路的输出电压为：v01=IbR4。4.2 分压比较电路由题目已知被测量的物理量要分为三档（即 值分别为80120、120160及160200，对应的值的编号分别是1、2、3）所以还要考虑到少于80，和大于200的状况，这样就得把比较电路需要把结果分成五个层次。需要四个基准电压，这里采用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 ，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。比较电路由集成运放LM324组成，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图4.3所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，如图4.4所示。除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器有5个引出脚，其中“+”、“-”两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端v0的信号与该输入端的相位相反；其中管脚2，6，9，13为反向输入端，管脚3，5，10，12为同向输入端，管脚1，7，8，14为输出端，4和11分别接正负5伏电源。图4.3LM324外形图图4.4运算放大器4.2.1 电路图及参数计算采样电路的输出电压v0 通过LM324分别与基准电压U1，U2，U3，U4 进行比较，并输出相应的高电平或低电平。比较器的同向输入端和采样电路的输出电压V0相接，而反向输入端则分别接分压电路的基准电压，将这两个电压进行比较，从而在输出端得到高低电平，进而将模拟量转化成数字量。电路图如图4.5所示。因为 U0=IBR4 ，IB=30uA, R4=500所以当80时， vi=1.2v 当120时， vi=1.8v 当160时， vi=2.4v当200时， vi=3v根据串联电路的计算可得： R13:R12:R11:R10:R9=1.2:0.6:0.6:0.6:2; =6:3:3:3:10 故取 R136K R12=R11=R10=3K R910K图4.5 分压比较电路4.3 编码电路由分压电路可知，分压电路会有四个输出，为将电压比较得到的高低电平转换成二进制代码以便显示，须对结果进行编码译码，在此采用集成芯片8位优先编码器CD4532.CD4532引脚图如图4.6所示，其对应的真值表如表4.1所示。图4.6CD4532引脚图其中：D0D7为数据输入端，EI为控制端，Q0Q2为输出端，VDD接电源VSS接地端，Gs、Eo为功能扩展端。表4.1 CD4532真值表 inputoutputE1D7D6D5D4D3D2D1D0GSQ2Q1Q0E00XXXXXXXX000001000000000000111XXXXXXX11110101XXXXXX111001001XXXXX1101010001XXXX11000100001XXX101101000001XX1010010000001X10010100000001100004.3.1 电路图及参数计算 根据CD4532的真值表可知：当控制使能端EI接高电平，VDD接高电平，VSS接低电平时，芯片工作在编码状态。输入端D4D1分别接比较电路的四个运放输出端，D0接高电平，其余输入端D7D5则接低电平，输出端Q0Q3分别接译码器CD4511的输入端口。如图4.8所示。图4.8 编码电路图由真值表结合电路图可知：A1 A2 A3 A4=0000电平时，代表 0A1A2A3A4=1000电平时，代表 1A1A2A3A4=1100电平时，代表 2A1A2A3A4=1110电平时，代表3A1A2A3A4=1111 电平时，代表4这样就可以将电压比较电路的比较结果（高低电平）进行二进制编码了。4.4 译码电路及显示电路由方案二知，要将编码电路里面的二进制数进行译码，然后通过驱动数码管将译码电路产生的代码转换为档次代号，并显示出来，在此采用74LS47译码器进行译码，74LS47引脚图如图4.9所示，真值表如表4.2所示。图4.9 74LS47引脚图其中：1、2、6、7号管脚为数据输入端，3、4、5号管脚为控制端。915号管脚为输出端，其输出电平可直接驱动共阳数码管进行09的显示，16号管脚为高电平，8号管脚接地。表4.2 74LS47真值表LTRBIBI/RBOD C B Aa b c d e f g说明0X1X X X X0000000试灯XX0X X X X1111111熄灭1000 0 0 01111111灭零1110 0 0 0000000101X10 0 0 1100111111X10 0 1 0001001021X10 0 1 1000011031X10 1 0 0100110041X10 1 0 1010010051X10 1 1 0110000061X10 1 1 1000111171X11 0 0 0000000081X11 0 0 100011009译码器的逻辑功能是将每个输入的二进制代码译成对应的输出的高、低电平信号。常用的译码器电路有二进制译码器、二-十进制译码器和显示译码器。译码为编码的逆过程。它将编码时赋予代码的含义“翻译”过来。实现译码的逻辑电路成为译码器。译码器输出与输入代码有唯一的对应关系。74LS47是输出低电平有效的七段字形译码器，它在这里与数码管配合使用，图4.10列出了74LS47的真值表，表示出了它与数码管之间的关系。本方案显示器采用的是共阳极七段数码管，共阳极数码管是指八段数码管的八段发光二极管的阳极(正极)都连在一起，而阴极对应的各段可分别控制，数码管引脚图如图4.11所示。 图4.11 数码管引脚图4.4.1 电路图及参数计算根据74LS47的真值表，要使译码电路正常工作，LT，BI,RBI接高电平，D端接低电平，C、B、A、分别接编码器的三个输出端Q2、Q1、Q0。而八个输出端则接共阴数码管的输入端。电路图如4.12所示。图4.12 显示电路5.系统电路图及元器件清单5.1系统电路图如图5.1所示。图5.1整机电路图5.2 元器件清单元器件清单如表5.1所示。表5.1 元器件清单元器件 型号 数量三极管 NPN2个电阻 4.3K 1个 3 K 4个 20 K 1个 30 K 4个 10 K 1个 6 K 1个510 1个运放 LM741H 1个 LM324 1个编码器 4532BP 1个译码器 74LS47 1个 数码管 共阳 1个6.仿真分析 6.1 仿真电路图本方案这次在Multisim中进行仿真，仿真电路图如图6.1所示。图6.1 仿真电路图6.2 不同放大倍数仿真分析（1） 80时当放大倍数小于80时，数码管应该显示0，此时用万用表测得三极管MJD47的放大倍数为30，仿真如图6.2所示。图6.2 80时（2） 80120时当放大倍数大于80小于120时，数码管应该显示1，此时用万用表测得三极管2N6121的放大倍数为100，仿真如图6.3所示。图6.3 80120时（3） 120160时当放大倍数大于120小于160时，数码管应该显示2，此时用万用表测得三极管2N2222的放大倍数为128，仿真如图6.4所示。图6.4 120160时（4） 160200时当放大倍数大于160小于200时，数码管应该显示3，此时用万用表测得三极管FCX649的放大倍数为194，仿真如图6.5所示。图6.5 160200时当放大倍数大于200时，数码管应该显示4，此时用万用表测得三极管2SC2001的放大倍数为258，仿真如图6.6所示。以上仿真基本上满足要求。图6.6 200时7.电路调试电路调试是按照单元模块进行调试的，把总电路按照框图上的功能分成几个单元电路分别进行安装和调试，完成各个单元模块电路的调试后，再进一步整合各单元模块电路，进行综合调试，最后完成整体电路的调试。1.接通电源前的检查 电路连接完成后，首先对照电路图检查电路各部分接线是否正确，检查电源、地线、元器件引脚之间是否有无短路，器件是否有无接错。 2.运行过程中的检查 接通电源后，观察电路中各部分器件有无异常现象。如果出现异常现象，则应立即关断电源，待排除故障后方可重新通电。 3.单元电路调试 在调试单元电路时应明确本部分的调试要求，按调试要求测试性能指标，调试顺序按信号的流向进行，这样就可以把前面调试过的输出信号作为后一级的输入了，也为最后的整机联调创造条件。 4.精确数值调试 首先按照前面理论计算的值准确连接电路，待连接完成通电后，使用万用表表测量各关键位置的电压、电流，然后与理论值进行比较，根据比较结果，适当调节各元器件参数值，使测量结果等于或接近理论值。 5.出现问题后按连接顺序调试 若接通电源后出现问题，首先对照电路图再仔细检查一遍电路，若检查无误，则按照连接顺序从起始端按照信号的流向依次测试关键引脚的电压、电流等参数，与理论值进行比较，调整器件参数，直至问题解决。 6.最后整合全部电路 待各个单元模块电路调试完成后，然后将各个模块整合在一起，接通电源，观察结果，若误差较大，首先应测试各模块电路整合前后的输出结果是否一样，根据各模块电路之间的逻辑关系，推测问题的原因，然后调整电路，最后分析测量的数据是否符合设计要求。8.心得体会通过两周的课程设计，我觉得以前所学知识更加清晰明了，对