简易三极管放大倍数测量计[1]

电子发烧友转载第一部分设计任务设计题目及要求设计制作一个自动测量三极管直流放大系数β值范围的装置。1、对被测NPN型三极管值分三档；2、β值的范围分别为80～120及120～160，160～200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。3、用数码管显示β值的档次；4、电路采用5V或正负5V电源供电。二、设计思路1．将变化的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。上述转换过程可由以下方案实现：根据三极管电流IC=βIB的关系，当IB为固定值时，IC反映了β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。以下给出采用上述方案的参考电路如图（1）、图（2）所示。oU图（1）参考电路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。1oU图（2）参考电路T1是被测三极管，其基极电流可由R1、R2限定，运算放大器的输出oU＝βIBR3。2．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oU，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。对比较器输出的高电平进行二进制编码，再经显示译码器译码，驱动数码管显示出相应的档次代号。3、参考方框图如图（3）：图（3）参考方案方框图转换电路比较电路基准电压译码显示编码2第二部分设计方案一、设计任务分析经过查阅书籍和相关资料，还有设计要求上的提示方案，对设计有如下简单分析：设计电路测量三极管的β值，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IC=βIB的关系，当IB为固定值时，IC反映了β的变化，电阻RC上的电压VRC又反映了IC的变化）。因为题目要求分三档显示三极管的β值（即值的范围分别为50～80、80～120及120～180，对应的分档编号分别是1、2、3），所以对转换后的物理量进行采样,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，相应的一个比较电路输出高电平，其余比较器输出为低电平，实现AD转换。比较后再进行分档显示。要实现分档显示，则必须对比较器输出的高电平进行二进制编码和显示译码器译码，驱动数码管显示出相应的β值档次代号。从而实现该档次代号的显示。得出系统方框图如图（4）：图（4）系统方框图二、各部分电路功能的简单说明1.转换电路：用于把不能直接用仪器测量的NPN型三极管值转换成可以直接被测量的集电极电压，再把电压采样放大，为下一级电压比较电路提供采样电压，其中包括提供恒定电流的微电流源电路和起放大隔离的差动放大电路。转换电路基准电压比较电路编码译码显示32.电压比较电路：由于被测量的物理量要分三档（即值分别为50～80、80～120及120～180，对应的分档编号分别是1、2、3）所以还要考虑到少于50，和大于180的状况，于是比较电路需要把结果分成五个层次。需要四个基准电压，于是有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oU，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。3.编码电路：将电压比较电路的比较结果（高低电平）进行二进制编码。该编码功能主要由集成芯片8位优先编码器CD4532完成。4.译码电路：主要是把编码电路编成的二进制编码译码成十进制数，以便于人机交流（即要显示的数为人类易懂的十进制数1、2、3）。该电路功能主要由芯片CD4511完成。5.显示：该电路功能是用共阴数码管显示被测量的NPN型三极管值的档次。三、各个元件具体参数的计算1.转换电路如图（5）所示图（5）转换电路4依题意有：〈1〉.T1与T2性能匹配，为PNP三极管〈2〉.IB的选择应在30μA～40μA之间为宜,因为：（1）β值与Ic有关；（2）小功率管的β值在Ic＝2～3mA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Io＝30uA〈3〉.因为参考电流RI约为1mA左右,则，由RBECCIVVR11已知VBE1=0.7V得：R1=4.3K，取R1=4.3K再把R1=4.3K代回，得出RI=1.35mA,符合要求。〈4〉.再由：已知：VT=26mV得R3=3.0K〈5〉.R2是基极取样电阻，由于基极电流Io＝30uA，所以为了便于测量，R2应取大一点，这里取R2=20K〈6〉.R4是集电极取样电阻，考虑到VR4〈5-0.7=4.3V，VR4=Io**R4的范围为0—180，即R4〈800，为了便于计算，这里取R4=510（计算时可约为500）〈7〉.为了使差动放大电路起到隔离放大的作用，R5—R8应尽量取大一点，这里取R5=R6=R7=R8=30K。综合上述转换电路的电阻值为：R1=4.3KR2=20KR3=3.0KR4=510R5=R6=R7=R8=30K2.电压比较电路：5由课题设计要求可知，设计要求显示被测三极管β值范围为50～180，而且，分档显示50～80，80～120，120～180，因此，应通过上级电路计算出的元件取值求得各档次的基准比较电压边值。由R4、BI、被测三极管β值即可计算出对应的基准比较电压：当β=80时，Ui=VR4=Io**R4=0.00003*80*500=1.2V当β=120时，Ui=VR4=Io**R4=0.00003*120*500=1.8V当β=160时，Ui=VR4=Io**R4=0.00003*160*500=2.4V当β=200时，Ui=VR4=Io**R4=0.00003*200*500=3.0V可以计算出电压比较电路串联网络中各个分压电阻的阻值，5V电源供电，分压总电阻取R=150k：β=80时，R＝36kβ=120时，R＝54kβ=160时，R＝72kβ=200时，R=90k电压比较电路的电阻为：R9=50kR10=30kR11=20kR12=15kR13=256第三部分电路设计根据设计方案分析后的方框图，分别对方框图中各个模块进行设计。一、转换电路由微电流源（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β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=βIB的关系，当IB为固定值时，IC反映了β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。微电流源电路介绍：当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图（6）所示：图（6）微电流源电路根据电路原理分析得：7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。差动放大电路介绍：根据三极管电流IC=βIB的关系，被测物理量β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图（7）所示：图（7）差动放大电路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LM741。LM741采用单电源供电，其内部只由一个运算放大器构成。综合上述得出转换电路的电路图如图（8）所示：1i1f2i3231fo1vvvRRRRRRR8图（8）转换电路电路说明：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β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。二、电压比较电路基准电压：由于题目要求将值的档次分为50～80、80～120及120～180，对应的分档编号分别是1、2、3，则需要多个不同的基准电压，基准电压是采用一个串联的电阻网络对一个固定的电压进行分压得到的。运放采用LM324,内部有四个运放构成。综合上述得出电压比较电路的电路图如图（9）所示：图（9）电压比较电路9比较电路主要由741构成，转换电路输出的电压U0通过741分别与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N端和前转换电路的转换电压U0相接，而P端则接由两个电阻分压决定的基准电压，这两个电压进行比较，从而在输出端可输出。比较得出的高低电平。当U0大于基准电平，则输出低电平，即输出0；否则输出1。在实验中，4个741由一个LM324代替：其中LM324的结构图如图（10）所示：图（10）LM324结构图2、6、9、13为反相输入，3、5、10、12为同相输入，1、7、8、14为输出，4接＋5V，11接-5V。图（11）LM324内部运算放大器LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图（10）所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，如图（11）所示。除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有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。10两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信端的相同。三、编码电路为了把测试结果显示出来必须对结果进行编码译码，这里我们采用集成芯片8位优先编码器CD4532，其引脚图如图（12）所示：图（12）CD4532引脚图其中：D0～D7为数据输入端，EI为控制端，Q0～Q2为输出端，VDD接电源VSS接地端，Gs、Eo为功能扩展端。CD4532的真值表如图（13）所示：图（13）CD4532真值表11根据CD4532的真值表，要使编码电路正常工作，EI、GS应接高电平，VDD接高电平，VSS接低电平，输入端D4——D1分别接比较电路的四个运放输出端，D0接高电平，D7——D5则接低电平。四、译码电路设计方案中译码电路由芯片CD4511完成。其引脚图如图（14）所示：图（14）CD4511引脚图其中：A、B、C、D为数据输入端，LT、BL、LE为控制端。a～g为输出端，其输出电平可直接驱动共阴数码管进行0～9的显示。根据CD4511的真值表，要使译码电路正常工作，LE接低电平，LT、BL接高电平，D端悬空，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。五、显示电路数码显示管的管脚图如图（16）所示：12图（16）数码显示管管脚图各管脚对应显示的部分如图（17）所示：图（17）各管脚对应显示部分综合编码，译码，显示电路的综合电路图如图（18）所示：13图（18）综合电路图14第四部分整机电路图如图（19）所示图（19）整机电路图15元器件清单电阻：阻值瓦数误差4.3K×10.125W5％20K×10.125W5％3.0K×10.125W5％510×10.125W5％30K×40.125W5％18K×30.125W5％36K×10.125W5％56K×10.125W5％2K×20.125W5％集成芯片：LM741×1,LM324×1,CD4511×1,CD4532×1显示器：共阴数码显示管×1其他：导线、面包板16第五部分安装调试及性能检测一、安装调试以三极管，集成电路为中心并根据输入输出分离的原则，以适当的间距来安排其他元件。根据仿真好的电路图有电路图左到右安装面包板。注意地线，电源线，尽可能归并统一。安装完成后，需详细检查电路图，看是否会漏线，或者接错线。拿到元件的时