模電課程設(shè)計(jì)報(bào)告--三極管β值范圍分選電路的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　電子與信息學(xué)院</b></p><p>　　《模擬電子線路基礎(chǔ)》</p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)報(bào)告</b></p><p>　　三極管β值范圍分選電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　題目難度系數(shù)：1.0</p><p>　　專 業(yè) 集成

2、電路設(shè)計(jì)與集成系統(tǒng)</p><p>　　班 級(jí) 集成班</p><p><b>　　學(xué)生姓名 </b></p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)臺(tái)號(hào) 16</b></p><p>　　指導(dǎo)教師 </p><p>　　提交日期 2011年 4月 日

3、小三號(hào)宋體</p><p>　　電話號(hào)碼 </p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第一部分 系統(tǒng)設(shè)計(jì)………………………………………………………………… 3</p><p>　　1.1 設(shè)計(jì)題目及要求 ……………………………………………………………… 3<

4、/p><p>　　1.2 總體設(shè)計(jì)方案 ………………………………………………………………… 3</p><p>　　1.2.1 設(shè)計(jì)思路………………………………………………………………………3</p><p>　　1.2.2 方案論證與比較 …………………………………………………………… 3</p><p>　　1.3 總體設(shè)計(jì)方案模塊結(jié)

5、構(gòu)與框圖 ……………………………………………… 4</p><p>　　第二部分 單元電路設(shè)計(jì) ……………………………………………………………5</p><p>　　2.1 電流源電路 ………………………………………………………………………5</p><p>　　2.1.1電流源電路工作原理……………………………………………………………5</p>

6、<p>　　2.1.2電流源電路參數(shù)選擇……………………………………………………………5</p><p>　　2.2 并聯(lián)比較電路 ……………………………………………………………………6</p><p>　　2.2.1并聯(lián)比較電路工作原理…………………………………………………………6</p><p>　　2.2.2并聯(lián)比較電路參數(shù)選擇…………………………

7、………………………………7</p><p>　　2.3 編碼電路 …………………………………………………………………………8</p><p>　　2.3.1編碼電路工作原理………………………………………………………………8</p><p>　　2.3.2編碼電路參數(shù)選擇………………………………………………………………9</p><p>　　

8、2.4 譯碼顯示電路 ……………………………………………………………………9</p><p>　　2.4.1譯碼顯示電路工作原理…………………………………………………………10</p><p>　　2.4.2譯碼顯示電路參數(shù)選擇…………………………………………………………10</p><p>　　第三部分 整機(jī)電路 …………………………………………………………

9、………11</p><p>　　3.1 整機(jī)電路圖 ………………………………………………………………………11</p><p>　　3.2 元件清單 …………………………………………………………………………11 </p><p>　　第四部分 性能指標(biāo)的測(cè)試

10、 </p><p>　　4.1 電路調(diào)試 …………………………………………………………………………13</p><p>　　4.1.1 測(cè)試儀器與設(shè)備…………………………………………………………………13</p><p>　　4.1.2 各模塊功能指標(biāo)測(cè)試及測(cè)量數(shù)據(jù)………………………………………………13</p><p>　　4

11、.1.3 故障分析及處理…………………………………………………………………14</p><p>　　4.2 電路實(shí)現(xiàn)的功能和系統(tǒng)使用說明…………………………………………………14</p><p>　　第五部分 課程設(shè)計(jì)總結(jié)………………………………………………………………15</p><p><b>　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)</b></p>

12、<p><b>　　設(shè)計(jì)題目及要求</b></p><p><b>　　1.1.1設(shè)計(jì)任務(wù)</b></p><p>　　設(shè)計(jì)制作一個(gè)三極管β值范圍分選電路的裝置。</p><p><b>　　1.1.2要求</b></p><p>　　1、β值的范圍分別為120~16

13、0及160~200對(duì)應(yīng)的分檔編號(hào)分別是1、2；待測(cè)三極管為空或不在上述范圍是時(shí)顯示0。</p><p>　　2、用數(shù)碼管顯示β值的檔次；</p><p>　　3、電路采用5V或±5V電源供電。</p><p>　　4、設(shè)計(jì)本測(cè)試儀所需的直流穩(wěn)壓電源。</p><p><b>　　總體設(shè)計(jì)方案</b></p

14、><p><b>　　1.2.1設(shè)計(jì)思路</b></p><p>　　三極管β值決定了三極管基極電流與集電極電流的倍數(shù)關(guān)系，在一定程度上表征了三極管的放大能力。其測(cè)量方法可采用固定基極電流大小，檢測(cè)集電極電流大小的方法間接測(cè)得。而集電極電流可以通過該支路采樣電阻上的壓降間接測(cè)得。最后該題簡(jiǎn)化為驅(qū)動(dòng)待測(cè)三極管，采集集電極電阻上的壓降進(jìn)行比較、顯示。</p>&

15、lt;p>　　1.2.2方案論證與比較</p><p>　　方案一，電流源驅(qū)動(dòng)待測(cè)三極管。</p><p><b>　　圖（1—1）</b></p><p>　　如圖（1—1）所示，PNP型三極管Q1、Q2，電阻R1、Re1、Re2構(gòu)成比例電流源，Q2集電極通過采樣電阻R_samp輸出恒定的電流Ib驅(qū)動(dòng)待測(cè)三極管Q_Test，電阻Rc兩端

16、的電壓反映了待測(cè)三極管集電極電流Ic的大小，當(dāng)基極電流Ib恒定不變時(shí)，也就反映了待測(cè)三極管β值的大小。</p><p>　　方案二，電流—電壓轉(zhuǎn)換電路。</p><p><b>　　圖（1—2）</b></p><p>　　如圖（1—2）所示，T1是被測(cè)三極管，其基極電流Ib可由R1、R2限定 ，運(yùn)算放大器的輸出：VR2＝β·Ib &

17、#183;R2。</p><p>　　兩方案都是將電流量轉(zhuǎn)化成電壓量進(jìn)行間接測(cè)量的。方案一用比例電流源為待測(cè)三極管提供基極電流，直接在集電極回路進(jìn)行采樣測(cè)量；方案二用電壓并聯(lián)負(fù)反饋，將電流量轉(zhuǎn)化成電壓量進(jìn)行測(cè)量。方案一中的基極電流比較精確穩(wěn)定，但用到電流源電路，電路比較復(fù)雜；方案二電路簡(jiǎn)單，但對(duì)待測(cè)三極管的基極電流的控制不如電流源電路精確。而對(duì)三極管β值的測(cè)量，要求比較精確的基極電流，所以本設(shè)計(jì)采用方案一中的電流

18、源電路來驅(qū)動(dòng)三極管。</p><p>　　總體設(shè)計(jì)方模塊結(jié)構(gòu)與框圖</p><p><b>　　圖（1—1）</b></p><p><b>　　單元電路設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　2.1電流源電路</b></p><p><b>

19、;　　圖（2—1）</b></p><p>　　2.1.1電流源電路工作原理</p><p>　　該電路為標(biāo)準(zhǔn)的比例電流源電路。其電流關(guān)系如下： </p><p>　　化簡(jiǎn)得： 當(dāng)兩只PNP型三極管的β</p><p>　　值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于2時(shí)成立。實(shí)際其β值均大于100。</p>

20、;<p>　　2.1.2電流源電路參數(shù)選擇。</p><p>　　為確定Ic2的大小（即待測(cè)三極管基極電流大?。杩紤]如下問題。一，電源電壓定為5V；二待測(cè)三極管β值跨度寬于120至200范圍；三，Rc上壓降范圍較廣，電壓比較器足以分辨。因此將Ic2（即待測(cè)三極管基極電流）設(shè)為15μA為宜。此時(shí)Rc下端的電壓范圍約為3.2V至2V。當(dāng)待測(cè)三極管β值小于120或不插接待測(cè)三極管時(shí)，Rc下端電壓大于3

21、.2V，當(dāng)待測(cè)三極管β值大于200時(shí)，Rc下端電壓小于2V。因此，為得到15μA的輸出電流，選擇Re2 為Re1 的120倍，Re1 支路電流為(Vcc-0.6V)/(R1+Re1)，為Re2支路的120倍，即15μA的120倍，選擇Re2為36kΩ，于是根據(jù)以上關(guān)系得：Re1為300Ω，R1為2.5kΩ。R_samp和Rc均為采樣電阻，為便于計(jì)算，取值以整數(shù)為宜。 R_samp和待測(cè)三極管的B-E結(jié)電阻串聯(lián)作電流源的負(fù)載，所以R_sa

22、mp取值應(yīng)比較小，取100Ω。Rc對(duì)待測(cè)三極管電流放大情況進(jìn)行采樣，其阻值取1kΩ。</p><p><b>　　2.2并聯(lián)比較電路</b></p><p><b>　　圖（2—2）</b></p><p>　　2.2.1并聯(lián)比較電路原理</p><p>　　Rc下端電壓反映了待測(cè)三極管的電流放大能

23、力，即β值。對(duì)Rc下端電壓與基準(zhǔn)電壓比較分級(jí)，得到待測(cè)三極管β值的檔位，分別為：大于3.2V——待測(cè)三極管β值小于120或不插接待測(cè)三極管；大于2.6V而小于3.2V——待測(cè)三極管β值大于120而小于160；大于2V而小于2.6V——待測(cè)三極管β值大于160而小于200；小于2V——待測(cè)三極管β值大于200。用4只電阻Rd1~Rd4對(duì)電源電壓進(jìn)行分壓，得到三個(gè)基準(zhǔn)電壓。用運(yùn)算放大器LM324進(jìn)行電壓比較，將Rc下端電壓引至三個(gè)運(yùn)放的反相

24、輸入端，比較結(jié)果如表（2-1）</p><p><b>　　表（2-1）</b></p><p>　　2.2.2并聯(lián)比較電路參數(shù)選擇</p><p>　　分壓電阻Rd1~Rd4的阻值在千歐級(jí)比較穩(wěn)定，且這個(gè)數(shù)量級(jí)的電阻比較容易獲得。三個(gè)基準(zhǔn)電壓值分別為3.2V、2.6V、2V，電源電壓Vcc為5V，所以每個(gè)電阻的分壓值分別為：1.8V、0.6V

25、、0.6V、2V。由于純電阻電路電阻兩端電壓正比于電阻阻值，所以就選Rd1為18kΩ；Rd2為6kΩ；Rd3為6kΩ；Rd4為20kΩ</p><p>　　電壓比較器的選擇有兩種方案。一為四電壓比較器LM339，一為四運(yùn)放LM324。運(yùn)放開環(huán)接入電路時(shí)，即為電壓比較器，由于沒有特殊要求，而實(shí)驗(yàn)室提供LM324，因此選擇LM324作為電壓比較芯片。由于要求在面包板上搭建電路，因此選擇雙列直插式封裝。</p&g

26、t;<p><b>　　2.3編碼電路</b></p><p><b>　　圖（2—3）</b></p><p>　　2.3.1編碼電路原理</p><p>　　以電壓比較器U1A和U1B的輸出端作為編碼器的輸入端D1、D2，D0接高電平（Vcc）D3~D7接低電平（地）EI端作為“輸出‘0’信號(hào)”的控制端。

27、Q1、Q2為編碼信號(hào)輸出端。GS端接高電平（電源），其他輸出端懸空。編碼真值表如表（2-2）：</p><p><b>　　表（2-2）</b></p><p>　　情況1為：待測(cè)三極管β值大于200，Rc下端電壓小于2V，此時(shí)U1C輸出高電平，Qkey導(dǎo)通，Rp下端電壓被拉為低電平，即EI端為低電平，控制編碼芯片輸出二進(jìn)制“0”信號(hào)。</p><

28、p>　　情況2為：待測(cè)三極管β值大于160而小于200，Rc下端電壓大于2V而小于2.6V，此時(shí)U1C輸出低電平，Qkey截止，Rp下端電壓為高電平，即EI端為高電平，芯片正常編碼。同時(shí)U1B輸出高電平，編碼芯片輸出二進(jìn)制“10”信號(hào)。</p><p>　　情況3為：待測(cè)三極管β值大于120而小于160，Rc下端電壓大于2.6V而小于3.2V，此時(shí)U1C輸出低電平，Qkey截止，Rp下端電壓為高電平，即EI

29、端為高電平，芯片正常編碼。同時(shí)U1B輸出低電平，U1A輸出高電平，編碼芯片輸出二進(jìn)制“1”信號(hào)。</p><p>　　情況4為：待測(cè)三極管β值小于120或不插接待測(cè)三極管，Rc下端電壓大于3.2V，此時(shí)U1C輸出低電平，Qkey截止，Rp下端電壓為高電平，即EI端為高電平，芯片正常編碼。同時(shí)U1B和U1A都輸出低電平，編碼芯片輸出二進(jìn)制“0”信號(hào)。</p><p>　　2.3.2編碼電路中

30、元器件參數(shù)的選擇</p><p>　　電路需要實(shí)現(xiàn)對(duì)三線信號(hào)編碼成兩位二進(jìn)制信號(hào)，可以用4線—2線編碼器，也可用8線—3線編碼器。由于8線—3線編碼器比較常見，因此選用8線—3線編碼器，實(shí)驗(yàn)室提供的8線—3線編碼器為CD4532。</p><p>　　三極管Qkey和電阻Rp的選擇。三極管Qkey和電阻Rp實(shí)現(xiàn)的是對(duì)U1C輸出信號(hào)的反轉(zhuǎn)，即U1C輸出高電平時(shí)，通過三極管Qkey和電阻Rp翻

31、轉(zhuǎn)成低電平；U1C輸出低電平時(shí)，通過三極管Qkey和電阻Rp翻轉(zhuǎn)成高電平。簡(jiǎn)單的NPN三極管共射極放大電路又反相輸出特性，三極管選用常見的NPN三極管9013，電阻Rp為上拉電阻，當(dāng)三極管截止時(shí)，將EI電位拉為高電平。因此Rp取值取幾十千歐為宜，這里取10kΩ。</p><p>　　2.4 譯碼顯示電路</p><p><b>　　圖（2—4）</b></p&

32、gt;<p>　　2.4.1譯碼顯示電路原理</p><p>　　譯碼電路由譯碼器和七段數(shù)碼管組成。將前面編碼器輸出的Q1、Q2信號(hào)送至譯碼器的輸入端IN A、IN B，其他輸入端接低電平（GND），LE/(STB)’信號(hào)、(BLK)’信號(hào)、(LT)’信號(hào)接地，輸出端SEG A~G分別接到七段數(shù)碼管對(duì)應(yīng)的字段，數(shù)碼管的“小數(shù)點(diǎn)”dp端與公共地一起接至GND。若數(shù)碼管工作電流較大，應(yīng)在公共地與GND之

33、間接入阻值約為500Ω的限流電阻。譯碼器將二進(jìn)制碼譯為數(shù)碼管顯示信號(hào)，驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示出數(shù)字“0”、“1”、“2”。</p><p>　　2.4.2譯碼顯示電路的參數(shù)選擇</p><p>　　七段數(shù)碼管譯碼芯片可以選擇7447/7448/CD4511。實(shí)驗(yàn)室提供了CD4511和與之對(duì)應(yīng)的共陰數(shù)碼管，所以就選用這兩個(gè)器件來搭建電路。</p><p><b>　

34、　整機(jī)電路</b></p><p>　　3.1 整機(jī)電路圖</p><p><b>　　圖（3—1）</b></p><p><b>　　3.2 元件清單</b></p><p><b>　　電阻</b></p><p><b>

35、;　　Re1為300Ω</b></p><p><b>　　Re2為36kΩ</b></p><p><b>　　R1為2.5kΩ</b></p><p>　　R_samp為100Ω</p><p><b>　　Rc為1kΩ</b></p><p

36、><b>　　Rd1為18kΩ</b></p><p><b>　　Rd2為6kΩ</b></p><p><b>　　Rd3為6kΩ</b></p><p><b>　　Rd4為20kΩ</b></p><p><b>　　Rp為10kΩ

37、</b></p><p><b>　　三極管</b></p><p>　　Q1和Q2為9012</p><p>　　Q_Test為待測(cè)三極管，為NPN型</p><p><b>　　Qkey為9013</b></p><p><b>　　IC芯片<

38、/b></p><p><b>　　U1為L(zhǎng)M324</b></p><p><b>　　U2為CD4532</b></p><p><b>　　U3為CD4511</b></p><p><b>　　顯示設(shè)備 </b></p><

39、;p><b>　　共陰七段數(shù)碼管一只</b></p><p><b>　　性能指標(biāo)的測(cè)試</b></p><p><b>　　4.1 電路調(diào)試</b></p><p>　　按照整機(jī)電路圖在面包板上搭建電路，注意接線正確，并美觀整齊。如圖（4—1）。</p><p>&l

40、t;b>　　圖（4—1）</b></p><p>　　4.1.1 測(cè)試儀器與設(shè)備</p><p>　　電路整體工作在直流狀態(tài)，測(cè)量只需要萬用表。</p><p>　　4.1.2 各模塊性能指標(biāo)測(cè)試及測(cè)量數(shù)據(jù)</p><p>　?。?）電流源模塊。電流源理論輸出值為15μA，在R_samp上的壓降為1.5mV。實(shí)際測(cè)量值為1.

41、56mV。誤差4%。</p><p>　?。?）Rc采樣電阻下端電壓。Rc下端電壓為Vcc-βIb·Rc。接入β值為100的標(biāo)準(zhǔn)三極管時(shí)Rc下端電壓應(yīng)為3.5V，實(shí)際測(cè)量電壓為3.47V。誤差0.8%</p><p>　?。?）Rd1~Rd4的分壓值。各點(diǎn)分壓值與實(shí)際測(cè)量值如表（4—1）</p><p><b>　　表（4—1）</b>

42、;</p><p>　　4.1.3 誤差分析、故障分析及處理</p><p>　?。?）電流源輸出電流的誤差。其輸出電流采用間接測(cè)量，因此引起誤差的因素可能是兩只9012三極管參數(shù)不對(duì)稱。另外，采樣電阻R_samp阻值本身有一定誤差。該電阻標(biāo)稱誤差為2%。假設(shè)電阻誤差忽略不計(jì)，則可通過將電流源電路中R1換為可調(diào)電阻，改變其的阻值來調(diào)整電流源輸出電流，以減小誤差。</p>&l

43、t;p>　　（2）Rc下端電壓的誤差主要是標(biāo)準(zhǔn)三極管的β值本身誤差引起的，由于誤差較小，可以忽略。</p><p>　?。?）Rd1~Rd4的分壓值誤差，三個(gè)點(diǎn)的誤差都不超過3%，但是其測(cè)量值的偏差方向都為偏小，因此可以通過將Rd4換為可變電阻，調(diào)節(jié)阻值來使測(cè)量值更接近理論值。</p><p>　?。?）數(shù)碼管顯示故障，剛接完電路，接通電源后數(shù)碼管沒有顯示，測(cè)量SEG A~G管腳，其

44、輸出值正常。更換數(shù)碼管后正常顯示。分析其原因，原數(shù)碼管損壞的可能性較大。</p><p>　　4.2 電路實(shí)現(xiàn)的功能和系統(tǒng)使用說明</p><p>　　整個(gè)電路實(shí)現(xiàn)了三極管β檔位分選的功能。β值的范圍分別為120～160及160～200對(duì)應(yīng)的分檔編號(hào)分別是1、2；待測(cè)三極管為空或不在上述范圍是時(shí)顯示0。其使用方法簡(jiǎn)單，接通電源不接待測(cè)三極管時(shí)，數(shù)碼管顯示0。將待測(cè)三極管管腳按照從左到右依次