1、课 程 设 计 题 目 半导体三极管 值测量仪 学生姓名 赵渊庚 学号 1410064040 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 张政才 _ _ _完成地点 博远楼实验室 _ 2016 年 10 月半导体三极管 值测量仪赵渊庚（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：张政才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=I B的关系，当 IB为固定值时， IC反映了 的变化
2、，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
3、 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 cu
4、rrent 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
5、 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; encodi
6、ng; 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 .
7、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第 1页 共 15页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
8、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 = ，所以，当 为一个固定值时， 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 上的电压 又反映了 的变化，这样 就可以得到了取样电压 ；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；0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 的关系，当 为一个固定值时， 反映了 的变化，将变0=13 0化的 值转化为与之成正比变化
9、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 = ，所以，当 为一个固定值时， 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 由 和 R1所决定，运算放大器的输出 。将变化的 值转化为与之成正比变化的电流量；集电2 0=3极电阻 上的电压 又反映了 的变化，这样就可
10、以得到了取样电压 ；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0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 的关系，当 为一个固定值时， 反映了 的变化，将变化0=13 0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 、 构成微电流源电路， 是被1 3 2测管 T3的基极电流取样电阻， 是被测管 T
11、3的集电极电流取样电阻。由运放构成的差动放大电路，4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 不稳定，故 不仅随着 变 0化而变化，也与 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。陕西理工大学课程设计第 2页 共 15页因此，本次课程
12、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 的关系，当 IB为一个固定值时， 反映了 的变化，这0=3 0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； 即为取样电压；将取样电压量同0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
13、块组成。总体系统框图如图 3.1所示.比较电路编码电路译码电路显示电路基准电压电流源陕西理工大学课程设计第 3页 共 15页图 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 受 影响，而 对 影响很小，因此，只要 值固定， 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
14、。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 之间为宜，可固定其输入电流恒定3040为 ，即微电流源的输出为 。设电流源的参考电流为 ，根据公式：30 30 1=1采样电路陕西理工大学课程设计第 4页 共 15页可得： 1=1已知 =0.7V， =5V 1 得： =4.3K1又因为： 0=122 =20其中已知： =26mV， =30uA， =1mA 0 可解得： =3K，即电路中的 =3K。 24.1.2采样电路参数计算：基极取样电阻，由于基极
15、电流 30uA，所以为了便于测量， 尽量取大一点，这时可以取3 0 3=20K。 为集电极取样电阻，则取样电压可根据公式：3 4 4=4=4又因为 值的范围为 80到 200，同时为使 的选择应不小于 1V，三极管工作在合适的状态，c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 最小， 为使 ，即 617，为方便计算及选择电阻，取 的值为 510。=-0.7-41 4 4根据三极管电流 的关系，被测物理量 转换成集电极电流 ,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
16、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 0=(1+1) 32+3211当 = = = , = -123 021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 = = = =30k 。差分放大电路的输出电压为： = 。5678 0144.2 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 2
17、00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陕西理工大学课程设计第 5页 共 15页电压，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-”
18、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 的信号与该输入0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 通过 LM324分别与基准电压 ， ， ， 进行比较，并输出相应的0 1 2 3 4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
19、平，进而将模拟量转化成数字量。电路图如图 4.5所示。因为 ， , =0=4 =304500所以当 80 时， =1.2当 120 时， =1.8当 160 时， =2.4当 200 时， =3根据串联电路的计算可得：陕西理工大学课程设计第 6页 共 15页: : : : =1.2:0.6:0.6:0.6:2;131211109=6:3:3:3:10故取 6K =R11= =3K 10K13 12 10 9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。
