畢業(yè)設計 半導體三極管值測量儀設計

1、<p><b>　　電子與信息學院</b></p><p>　　《模擬電子線路基礎》</p><p><b>　　課程設計報告</b></p><p>　　半導體三極管β值測量儀設計</p><p>　　專 業(yè) 集成電路設計 </p><p&g

2、t;　　班 級 集成電路 </p><p>　　學生姓名 </p><p>　　指導教師 </p><p>　　電話號碼 × ×××××× </p><p&g

3、t;　　提交日期 2009年 3月 10日</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　一、設計任務2</b></p><p>　　1.1設計題目及要求2</p><p>　　1.2 備選方案設計與比較2</p><p>　　1.2.1

4、 方案一2</p><p>　　1.2.2 方案二3</p><p>　　1.2.3 各方案分析比較3</p><p><b>　　二、設計方案4</b></p><p>　　2.1 總體設計方案說明4</p><p>　　2.2 模塊結構與方框圖4</p>&l

5、t;p>　　三、電路設計與器件選擇6</p><p>　　3.1 功能模塊一（轉換電路）6</p><p>　　3.1.1 模塊電路及參數(shù)計算6</p><p>　　3.1.2 工作原理和功能說明7</p><p>　　3.1.3 器件說明9</p><p>　　3.2 功能模塊二（伏頻轉換電路）

6、9</p><p>　　3.2.1 模塊電路及參數(shù)計算9</p><p>　　3.2.2 工作原理和功能說明10</p><p>　　3.2.3 器件說明10</p><p>　　3.3 功能模塊三（控制計時電路）10</p><p>　　3.3.1 工作原理和功能說明10</p><p

7、>　　3.3.2 器件說明10</p><p>　　3.3.3 參數(shù)計算10</p><p>　　3.4 功能模塊四（計數(shù)電路）11</p><p>　　3.4.1模塊電路及參數(shù)計算11</p><p>　　3.4.2 工作原理和功能說明11</p><p>　　3.4.3 器件說明11</p&

8、gt;<p>　　3.5 功能模塊五（譯碼與顯示電路）12</p><p>　　3.5.1模塊電路及參數(shù)計算12</p><p>　　3.5.2 工作原理和功能說明13</p><p>　　3.5.3 器件說明14</p><p><b>　　四、元件清單15</b></p><

9、;p>　　五、安裝調試與性能測量16</p><p>　　5.1 電路安裝16</p><p>　　5.2 電路調試16</p><p>　　5.2.1 調試步驟及測量數(shù)據(jù)16</p><p>　　5.2.2 故障分析及處理16</p><p>　　5.3 整機性能指標測量20</p>

10、<p><b>　　課程設計總結21</b></p><p><b>　　一、設計任務</b></p><p>　　1.1設計題目及要求</p><p>　　半導體三極管β值測量儀（b）</p><p><b>　　設計任務和要求</b></p>

11、<p>　　設計一個可測量NPN型硅三極管的β值的顯示測量</p><p>　　電路（β<200）,要求：</p><p>　　1、用三個數(shù)碼管顯示β的大小，分別顯示個位、十位和百位。顯示范圍為0-199。</p><p>　　2、響應時間不超過2秒,顯示器顯示讀數(shù)清晰，注意避免出現(xiàn)“疊加現(xiàn)象”。</p><p>　　3、電源

12、采用5V或±5V供電。</p><p>　　注：以上為選做提高部分，選做此題的分值系數(shù)為1.2。</p><p><b>　　1.2 設計方案</b></p><p>　　1.2.1 方案一</p><p>　　圖（1）方案一設計電路圖</p><p>　　如圖（1），T1、T2、R

13、1、R3構成微電流源電路，R2是被測管T3的基極電流取樣電阻，R4是集電極電流取樣電阻。由運放構成的差動放大電路，實現(xiàn)電壓取樣及隔離放大作用。根據(jù)三極管電流IC=βIB的關系，當IB為固定值時，IC隨著β的變化而變化，電阻RC上的電壓VRC正好反映了IC的變化，所以，我們對VRC取樣加入后級，進行分檔比較。從而實現(xiàn)目的。該電路用微電流源為基極取樣電阻提供穩(wěn)恒的電流，這樣便于測量β值。</p><p>　　1.2.

14、2 方案二</p><p>　　圖（2）方案二設計電路圖</p><p>　　如圖（2），T1是被測三極管，其基極電流可由R1、RW限定 ，運算放大器的輸出：</p><p>　　VR2＝βIB R2</p><p>　　1.2.3 各方案分析比較</p><p>　　兩個方案得原理都是要將變化得β值轉化為與之成正比

15、變化的電壓或電流量，再取樣進行比較、分檔。方案一和方案二都是按這個思路設計的，比較和分檔的電路一樣。兩個方案的區(qū)別在于，方案一用電流源電路為被測三極管提供Ib，這樣能比較精確地把Ib控制在想要的值附近，其缺點是電路較方案二復雜；方案二是利用電阻分壓把Vbe控制在想要的值附近，從而獲得一個較穩(wěn)定的Ib值，電路較簡單，但Ib的控制不如方案一精確。</p><p>　　為了能取到比較精確的比較電壓，進行下一步的比較、分

16、檔，以獲得較精確的顯示結果，方案一是首選。二、設計方案</p><p>　　·2.1 總體設計方案說明</p><p>　　設計電路測量三極管的β值，將三極管β值轉換為其他可用儀器測量的物理量來進行測量，如電壓，根據(jù)三極管電流IC=βIB的關系，當IB為固定值時，IC反映了β的變化，電阻RC上的電壓VRC又反映了IC的變化，對VRC進行伏頻轉換，轉換后的頻率f就反映了β值的大小

17、，然后再用計數(shù)器對f的信號進行一定時間的計數(shù)，最后通過計數(shù)器的保持輸出經(jīng)譯碼電路就可以顯示β值。</p><p>　　·2.2 模塊結構與方框圖</p><p>　　圖（3）模塊結構與方塊圖</p><p>　　·2.3基本工作原理</p><p>　　2.3.1 差分轉換電路</p><p>　

18、　通過一恒流源，加在被測三極管的基極，再在基極和集電極上分別加一采樣電阻，在集電極電阻上加一差動放大電路求出該采樣電阻兩端的電壓，輸出為V1，這樣使三極管的放大倍數(shù)轉化為電壓V1，關系為V1=IB R4，這樣實現(xiàn)了-V轉換。</p><p>　　2.3.2 伏頻轉化電路</p><p>　　V1通過壓控振蕩器LM331，使電壓信號轉變?yōu)轭l率信號，記輸出信號為V0。選擇適當?shù)膮?shù)可以使使該頻

19、率與三極管放大倍數(shù)與發(fā)出的頻率f相等。該頻率為f=K*V1=KIB R4,令=f，則可以算出KIB R4=1。其中，K與Rs、RL、CT、RT有關。設置適當?shù)臉朔Q值就可以實現(xiàn)要求。接下來是控制計數(shù)電路。</p><p>　　2.3.3 控制計時電路</p><p>　　用NE555組成的單穩(wěn)態(tài)電路，當有高電平時，可產(chǎn)生一個持續(xù)時間為1S的高電平V2。</p><p>

20、;　　2.3.4 計數(shù)電路</p><p>　　V2加在第一片計數(shù)器CD4518的CP1A ’ 端上， V0加在CP0A上，故當1S的高電平V2來臨時，實現(xiàn)的是計數(shù)器在BCD模式下十進制計數(shù)，當1S的低電平V2變?yōu)楦唠娖綍r，此時為保持模式，用于顯示。由于CD4518是雙的BCD碼假發(fā)計數(shù)器，故可將其中一個計數(shù)器的最高位不妨假定為1Q4接在另一個計數(shù)器的脈沖輸入端CP0B端，CP1B ’接CP1A ’這樣一片CD4

21、518就可以實現(xiàn)一個BCD碼的百位計數(shù)器！2Q4可以接在另一片CD4518上，實現(xiàn)百位計數(shù)?？刂贫伺c第一片相同。 </p><p>　　2.3.5 最后是譯碼與顯示電路</p><p>　　CD4518的輸出端直接接在CD4511的四個端口上，注意個位對個位，十位對十位，百位不需要譯碼，只有兩種狀態(tài)‘1’或‘0’故可以直接接在數(shù)碼管的b，c端，即可實現(xiàn)譯碼的功能。最高位只有

22、不顯示以及1這個狀態(tài)，故不需CD4511譯碼。CD4511的控制信號要接正確，所有的控制信號都應接高電平。</p><p>　　三、電路設計與器件選擇</p><p>　　3.1 功能模塊一（轉換電路）</p><p>　　3.1.1 模塊電路及參數(shù)計算</p><p>　　以上電路包含了一個微電流源與一個差分放大電路。</p>

23、<p><b>　?。ㄎ㈦娏髟矗?lt;/b></p><p><b>　　依題意有：</b></p><p>　　T1與T2性能匹配，為PNP三極管</p><p>　　IB的選擇應在30μA～40 μA之間為宜</p><p><b>　　因為：</b></p

24、><p>　?。?）β 值與Ic有關；</p><p>　　（2）小功率管的β值在Ic ＝2～3mA時較大，而在截止與飽和區(qū)較小，測量不準確。</p><p>　　因此，取輸出電流Io＝30uA</p><p>　　因為參考電流約為1mA左右,則，由</p><p>　　已知 VBE1=0.7V 得： R1=4.3K，取R

25、1=3.3K</p><p>　　為了使差動放大電路起到隔離放大的作用， R5—R8應盡量取大一點，這里取R5=R6=R7=R8=30K。</p><p><b>　　綜合上述</b></p><p>　　R1=3.3K R2=20K R3=3.3K R4=220 </p><p>　　R5=R6=R7=R8

26、=30K</p><p>　　3.1.2 工作原理和功能說明</p><p>　　其中包括 微電流源（提供恒定電流）和 差動放大電路（電壓取樣及隔離放大作用）。將變化的三極管β值轉化為與之成正比變化的電壓量，再取樣進行比較、分檔。上述轉換過程可由以下方案實現(xiàn)：</p><p>　　根據(jù)三極管電流IC=βIB的關系，當IB為固定值時，IC反映了β的變化，電阻RC上的電

27、壓VRC又反映了IC的變化，對VRC取樣加入后級進行分檔比較。為了取得固定IB，采用微電流源電路提供恒定電流</p><p><b>　　微電流源電路：</b></p><p>　　有些情況下，要求得到極其微小的輸出電流（如三極管基極電流比較?。@時可令比例電流源中的Re1=0，便成了微電流源電路</p><p><b>　　其電路

28、圖如下：</b></p><p>　　圖（5）微電流源電路圖</p><p>　　根據(jù)電路原理分析得：</p><p>　　由此可知：只要確定IO和Re2就能確定IR，由此可以確定電阻R的值。</p><p><b>　　差動放大電路：</b></p><p>　　根據(jù)三極管電流IC=

29、βIB的關系，被測物理量β轉換成集電極電流IC 而集電極電阻不變，利用差動放大電路對被測三極管集電極上的電壓進行采樣，。差動放大電路原理如下：</p><p>　　圖（6）差動放大電路圖</p><p>　　根據(jù)理想運放線性工作狀態(tài)的特性，利用疊加原理可求得</p><p>　　取電路參數(shù)：R1=R2=R3=Rf,</p><p>　　vo

30、=vi2-vi1</p><p>　　可見，輸出電壓值等于兩輸入電壓值相減之差，實現(xiàn)相減功能。</p><p>　　其中運算放大器采用集成電路LM311。</p><p>　　綜合上述得出轉換電路的電路圖如下：</p><p>　　電路說明：T1、T2、R1、R3構成微電流源電路提供恒定電流，R2是被測管T3的基極電流取樣電阻，用于檢測基極電

31、流的大小，R4是集電極電流取樣電阻，用于檢測集電極電流的大小同時檢測出被測三極管β值的大小，由運放構成的差動放大電路，實現(xiàn)電壓取樣及隔離放大作用，為電壓比較電路提供采樣電壓。</p><p>　　3.1.3 器件說明</p><p>　　LM311采用單電源供電，其內部只由一個運算放大器構成，其封裝及內部結構如下所示：</p><p>　　LM311封裝及內部結構圖

32、</p><p>　　3.2 功能模塊二（伏頻轉換電路）</p><p>　　3.2.1 模塊電路及參數(shù)計算</p><p>　　LM331實現(xiàn)電壓與頻率的轉換。f=K*V1=KIB R4，K=Rs/(2.09RTCTRL)。可以令f=，則計數(shù)器恰好在1S內記下所有脈沖數(shù)。通過計算拼湊可以得出：Rs=4.7K，RT=Rv=10K， RL=150K，CT=0.01u

33、F，CL=1uF， C2=0.01uF。</p><p>　　3.2.2 工作原理和功能說明</p><p>　　采用LM331芯片實現(xiàn)電壓與頻率的轉換，使電壓轉換為可以用計數(shù)器計數(shù)的脈沖信號。</p><p>　　3.2.3 器件說明</p><p>　　LM331其封裝結構如下所示：</p><p><b&g

34、t;　　( LM 331)</b></p><p>　　輸入電壓信號，輸出有脈沖，可以以一定的關系實現(xiàn)電壓與頻率的轉換。供電電壓為+5V。</p><p>　　3.3 功能模塊三（控制計時電路）</p><p>　　3.3.1 工作原理和功能說明</p><p>　　把NE555接成單穩(wěn)態(tài)電路，利用觸發(fā)后產(chǎn)生的持續(xù)高電平來控制計

35、數(shù)器計時，根據(jù)設計的思路，要產(chǎn)生1S的持續(xù)高電平。</p><p>　　3.3.2 器件說明</p><p>　　NE555，其封裝圖如下：</p><p>　　NE555引腳排列圖</p><p><b>　　所接正電源為5V。</b></p><p>　　·3.3.3 參數(shù)計算：&l

36、t;/p><p>　　要實現(xiàn)計數(shù)1S即tw=1.1R9C1=1S,故可湊得R9=90K，C1=10uF。</p><p>　　3.4 功能模塊四（計數(shù)模塊）</p><p>　　3.4.1模塊電路及參數(shù)計算</p><p>　　說明：每個時鐘周期計數(shù)器，計數(shù)一次。由于是計數(shù)一秒，故根據(jù)前面的關系，計數(shù)器最終的數(shù)值就是所要測的β值。</p&g

37、t;<p>　　3.4.2 工作原理和功能說明</p><p>　　V2加在第一片計數(shù)器CD4518的CP1A ’ 端上， V0加在CP0A上，故當1S的高電平V2來臨時，實現(xiàn)的是計數(shù)器在BCD模式下十進制計數(shù)，當1S的低電平V2變?yōu)楦唠娖綍r，此時為保持模式，用于顯示。由于CD4518是雙的BCD碼假發(fā)計數(shù)器，故可將其中一個計數(shù)器的最高位不妨假定為1Q4接在另一個計數(shù)器的脈沖輸入端CP0B端，CP1

38、B ’接CP1A ’這樣一片CD4518就可以實現(xiàn)一個BCD碼的百位計數(shù)器！2Q4可以接在另一片CD4518上，實現(xiàn)百位計數(shù)?？刂贫伺c第一片相同</p><p>　　3.4.3 器件說明</p><p>　　CD4518功能表與封裝圖如下：</p><p>　?。üδ鼙恚?</p><p><b>　?。ǚ庋b圖）<

39、;/b></p><p>　　3.5 功能模塊五（譯碼與顯示電路）</p><p>　　CD4511封裝圖如下：</p><p>　　圖（12）CD4511封裝圖</p><p>　　其中：A、B、C、D為數(shù)據(jù)輸入端，、、LE為控制端。a～g為輸出端，其輸出電平可直接驅動共陰數(shù)碼管進行0～9的顯示。</p><p&g

40、t;　　CD4511真值表：</p><p>　　3.5.1 工作原理和功能說明</p><p><b>　　顯示用共陰數(shù)碼管</b></p><p>　　由于LED顯示器有共陽極和共陰極兩種結構，故所對應的顯示譯碼器也不同，使用共陽數(shù)碼管時，公共陽極接電源電壓，七個陰極a~g由相應的BCD-七段譯碼器的輸出來驅動。對共陰極數(shù)碼管來說，則為共陰

41、極接地，相應的BCD-七段譯碼器的輸出驅動a~g各陽極。若數(shù)碼管為共陰，則選用輸出為高電平有效的顯示譯碼器。若數(shù)碼管為共陽，則選用輸出為低電平有效的顯示譯碼器。</p><p>　　因此，八段LED顯示管與BCD—八段LED數(shù)碼顯示管的連接方式如下：</p><p>　　CD4511的13腳（A）接數(shù)碼顯示管的7腳；</p><p>　　CD4511的12腳（B）接

42、數(shù)碼顯示管的6腳；</p><p>　　CD4511的11腳（C）接數(shù)碼顯示管的4腳；</p><p>　　CD4511的10腳（D）接數(shù)碼顯示管的2腳；</p><p>　　CD4511的 9 腳（E）接數(shù)碼顯示管的1腳；</p><p>　　CD4511的15腳（F）接數(shù)碼顯示管的9腳；</p><p>　　CD4

43、511的14腳（G）接數(shù)碼顯示管的10腳。</p><p>　　3.5.2 器件說明</p><p>　　共陰數(shù)碼管的管腳圖如下所示，a～g端可直接與CD4511的Qa～Qg端相連。</p><p>　　圖（13）共陰數(shù)碼管管腳圖</p><p>　　LED數(shù)碼顯示管有兩種形式：</p><p>　　第一種是8個發(fā)光二

44、極管的陽極連在一起的，為共陽極LED顯示器，另一種是8個發(fā)光二極管的陰極連在一起的，為共陰極LED顯示器，</p><p><b>　　其示意圖如下：</b></p><p>　　圖（14）LED顯示器示意圖</p><p>　　在本實驗中經(jīng)過測量，我所用的是共陰極LED顯示器，為上圖中的下者。</p><p>　　圖（

45、15）共陰極LED顯示器示意圖</p><p>　　經(jīng)過測量，八段LED顯示管上下五個引腳的功能如上圖所示，其中，3腳和7腳為同一腳——共陰腳，只要其中一腳接地即可。</p><p><b>　　四、元件清單</b></p><p>　　五、安裝調試與性能測量</p><p><b>　　5.1 電路安裝&l

46、t;/b></p><p>　　按整機電路圖連接電路，按以上介紹的電路模塊順序連接。由于電路元件比較多，故此步要小心謹慎。</p><p>　　要細心，更要有耐心，切莫半途而廢。</p><p><b>　　5.2 電路調試</b></p><p>　　5.2.1 調試步驟及測量數(shù)據(jù)</p><

47、;p>　　轉換電路的靜態(tài)電壓測試：</p><p>　　按照前面模塊設計，在無外信號輸入，被測管不工作，取樣電阻上無壓降的條件下，運放是否保證靜態(tài)平衡。</p><p><b>　　各級功能調試：</b></p><p>　　按照方框圖模塊，檢測逐個模塊是否達到設計的預定效果。</p><p><b>　

48、　（1）轉換電路：</b></p><p>　　a.檢測基極取樣電阻的電流大小是否正確（測R2電壓是否正常 VR2=R2*Io=3V，從而確定基極電流大小約在30uA～40uA內）;</p><p>　　b、檢測R4兩端的電壓和輸出電壓是否一樣。</p><p>　?。?）電壓比較電路：</p><p><b>　　a.

49、各電壓是否正確</b></p><p>　　b. 運放LM324運作正常</p><p><b>　?。?）伏頻轉換電路</b></p><p>　　測一下電壓輸入電壓以及LM331輸出的頻率</p><p>　　（4）編碼、譯碼、顯示電路</p><p>　　主要檢查接線是否連接正確

50、；以及芯片相關管腳高低電平（高電平為1，低電平為0）是否正確；顯示數(shù)字是否與萬用表測量的吻合。</p><p><b>　　（5）、整機聯(lián)調</b></p><p>　　當逐級調試完成，各部分正常后，就進行整機聯(lián)試了。檢查該部分是否正常工作主要看——被測三極管的檔次是否能正確顯示。</p><p>　　5.2.2 故障分析及處理</p&g

51、t;<p>　　一開始電路什么都不顯示，按老師的方法就先檢查電源，測得電源電壓正常，但是面包板上接地端的電壓不為零，當把面包板上的所有接地的線路與電源的接地端相連時，電路即能正常工作。</p><p>　　5.3 整機性能指標測量</p><p><b>　　結果分析：</b></p><p>　　用設計的電路測出的β值為146，

52、用數(shù)字萬用表測出的β值為148，</p><p>　　不妨假定用數(shù)字萬用表測出的值為真實值，則實際值比真實值小2。由于計數(shù)的時間不夠1S，為了用到標準的電阻，計數(shù)時間為tw=1.1R9C1=0.99S，故絕對誤差在意料之中，可以認為數(shù)值是準確的！</p><p><b>　　課程設計總結</b></p><p>　　測量三極管值這個題目看上去非

53、常困難，根本無從著手，但是經(jīng)過老師講解后，就覺得憑自己的模電和數(shù)電知識完全能完成設計。大致的思路老師已經(jīng)有了提示，再根據(jù)實驗室所提供的器件，幾經(jīng)周折，順藤摸瓜的找到了設計思路。接下來我們要做的就是把它細化，具體化，畫出整個電路圖，計算各個元件的參數(shù)值。</p><p>　　由于本方案用的是分立元件來達到要求的指標，所以元件比較多，線路也比較復雜，加上布板要美觀，在板上連接元件時就要小心謹慎，以免出錯，特別應注意電

54、路一定要有層次，自己怎樣連接的心里要有數(shù)，因為實驗不可能一次就能成功，否則,如果出錯，檢查起來要費很大的功夫。</p><p>　　而最后調試過程中，最大的障礙是無論怎么測三極管，數(shù)碼管都是不顯示，然后按老師的方法就先檢查電源，測得電源電壓正常，但是面包板上接地端的電壓不為零，當把面包板上的所有接地的線路與電源的接地端相連時，電路即能正常工作。</p><p>　　這次的模電課程設計是在我

55、們學完模電一年后進行的，通過這次的模電課程設計，重拾模電知識，發(fā)現(xiàn)自己對模電知識已經(jīng)忘了不少，只能再拿出課本來翻，不過也因此學到不少知識，讓自己學到的東西聯(lián)系實際，提高理論應用能力，鍛煉了動手能力。</p><p>　　更重要的是通過這次設計，了解到了其實做項目，做工程設計并不是困難，要大膽的嘗試，不要縮手縮腳，任何一個項目都可以劃分成若干個模塊，然后再通過控制電路把這些電路連接起來，反復的調時就能成功。也許你對