毕业设计 半导体三极管β值测量仪设计.doc

报告评分批改老师电子与信息学院 模拟电子线路基础课程设计报告 半导体三极管值测量仪设计 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日目录一、设计任务21.1设计题目及要求21.2 备选方案设计与比较21.2.1 方案一21.2.2 方案二31.2.3 各方案分析比较3二、设计方案42.1 总体设计方案说明42.2 模块结构与方框图4三、电路设计与器件选择63.1 功能模块一（转换电路）63.1.1 模块电路及参数计算63.1.2 工作原理和功能说明73.1.3 器件说明93.2 功能模块二（伏频转换电路）93.2.1 模块电路及参数计算93.2.2 工作原理和功能说明103.2.3 器件说明103.3 功能模块三（控制计时电路）103.3.1 工作原理和功能说明103.3.2 器件说明103.3.3 参数计算103.4 功能模块四（计数电路）113.4.1模块电路及参数计算113.4.2 工作原理和功能说明113.4.3 器件说明113.5 功能模块五（译码与显示电路）123.5.1模块电路及参数计算123.5.2 工作原理和功能说明133.5.3 器件说明14四、元件清单15五、安装调试与性能测量165.1 电路安装165.2 电路调试165.2.1 调试步骤及测量数据165.2.2 故障分析及处理165.3 整机性能指标测量20课程设计总结21一、设计任务1.1设计题目及要求半导体三极管值测量仪（b）设计任务和要求 设计一个可测量NPN型硅三极管的值的显示测量 电路（200）,要求： 1、用三个数码管显示的大小，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。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=IB的关系，当IB为固定值时，IC随着的变化而变化，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，这样便于测量值。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：VR2IB R21.2.3 各方案分析比较 两个方案得原理都是要将变化得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。二、设计方案2.1 总体设计方案说明设计电路测量三极管的值，将三极管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IC=IB的关系，当IB为固定值时，IC反映了的变化，电阻RC上的电压VRC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值。2.2 模块结构与方框图 被测三极管-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。2.3.3 控制计时电路用NE555组成的单稳态电路，当有高电平时，可产生一个持续时间为1S的高电平V2。2.3.4 计数电路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。 2.3.5 最后是译码与显示电路CD4518的输出端直接接在CD4511的四个端口上，注意个位对个位，十位对十位，百位不需要译码，只有两种状态1或0故可以直接接在数码管的b，c端，即可实现译码的功能。最高位只有不显示以及1这个状态，故不需CD4511译码。CD4511的控制信号要接正确，所有的控制信号都应接高电平。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30A40 A之间为宜因为：（1） 值与Ic有关；（2）小功率管的值在Ic 23mA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Io30uA因为参考电流约为1mA左右,则，由 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， R5R8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=30K3.1.2 工作原理和功能说明其中包括 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=IB的关系，当IB为固定值时，IC反映了的变化，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=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：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。3.1.3 器件说明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：LM311封装及内部结构图3.2 功能模块二（伏频转换电路）3.2.1 模块电路及参数计算LM331实现电压与频率的转换。f=K*V1=KIB R4，K=Rs/(2.09RTCTRL)。可以令f=，则计数器恰好在1S内记下所有脉冲数。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。3.2.3 器件说明LM331其封装结构如下所示：( 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，要产生1S的持续高电平。3.3.2 器件说明NE555，其封装图如下：NE555引脚排列图所接正电源为5V。3.3.3 参数计算：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。ag为输出端，其输出电平可直接驱动共阴数码管进行09的显示。CD4511真值表：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ag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ag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；CD4511的14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，ag端可直接与CD4511的QaQg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：图（14）LED显示器示意图在本实验中经过测量，我所用的是共阴极LED显示器，为上图中的下者。图（15）共阴极LED显示器示意图经过测量，八段LED显示管上下五个引脚的功能如上图所示，其中，3脚和7脚为同一脚共阴脚，只要其中一脚接地即可。四、元件清单元器件名称元件标称值或型号电阻2201，3306，3.3K2，4.7K1，10K1， 30k4，90K1，150K1三极管90122,NPN型的三极管各一个集成电路LM3241,LM331，NE555，CD45112,CD4518电容CT=0.01uF，CL=1uF，C1=10uF，C2=0.01uF显示器共阴数码显示管3五、安装调试与性能测量5.1 电路安装 按整机电路图连接电路，按以上介绍的电路模块顺序连接。由于电路元件比较多，故此步要小心谨慎。要细心，更要有耐心，切莫半途而废。5.2 电路调试5.2.1 调试步骤及测量数据转换电路的静态电压测试：按照前面模块设计，在无外信号输入，被测管不工作，取样电阻上无压降的条件下，运放是否保证静态平衡。各级功能调试：按照方框图模块，检测逐个模块是否达到设计的预定效果。（1）转换电路：a.检测基极取样电阻的电流大小是否正确（测R2电压是否正常 VR2=R2*Io=3V，从而确定基极电流大小约在30uA40uA内）;b、检测R4两端的电压和输出电压是否一样。（2）电压比较电路：a.各电压是否正确b. 运放LM324运作正常（3）伏频转换电路测一下电压输入电压以及LM331输出的频率（4）编码、译码、显示电路主要检查接线是否连接正确；以及芯片相关管脚高低电平（高电平为1，低电平为0）是否正确；显示数字是否与万用表测量的吻合。（5）、整机联调当逐级调试完成，各部分正常后，就进行整机联试了。检查该部分是否正常工作主要看被测三极管的档次是否能正确显示。5.2.2 故障分析及处理一开始电路什么都不显示，按老师的方法就先检查电源，测得电源电压正常，但是面包板上接地端的电压不为零，当把面包板上的所有接地的线路与电源的接地端相连时，电路即能正常工作。5.3 整机性能指标测量 结果分析：用设计的电路测出的值为146，用数字万用表测出的值为148，不妨假定用数字万用表测出的值为真实值，则实际值比真实值小2。由于计数的时间不够1S，为了用到标准的电阻，计数时间为tw=1.1R9C1=0.99S，故绝对误差在意料之中，可以认