晶体管β值测量电路设计.docx

摘要
三极管放大倍数β值测量电路的功能是利用三极管的电流分配特性，将放大倍数β值的测量转化为对三极管电流的测量，同时实现用发光二极管显示出被测三极管的放大倍数β值。电源电路的功能是为上述所有电路提供直流电源。
本晶体管β值测量电路主要由电源电路、I/V转换电路、电压比较电路、放大电路和显示电路（LED）6部分构成。经ORCAD仿真和实际操作，初步实现了简单的晶体管的β值测量。

关键字：β值；三极管；ORCAD；放大电路

Abstract
is basically attained ; ORCAD;

1 ORCAD简介
ORCAD是由ORCAD公司于八十年代末推出的EDA软件，它是世界上使用最广的EDA软件，每天都有上百万的电子工程师在使用它，相对于其它EDA软件而言，它的功能也是最强大的，由于ORCAD软件使用了软件狗防盗版，因此在国内它并不普及，知名度也比不上PROTEL，只有少数的电子设计者使用它，它进入国内是在电脑刚开始普及的94年。早在工作于DOS环境的ORCAD4.0，它就集成了电原理图绘制、印制电路板设计、数字电路仿真、可编程逻辑器件设计等功能，而且它的介面友好且直观，它的元器件库也是所有EDA软件中最丰富的，在世界上它一直是EAD软件中的首选。
ORCAD公司在今年七月与CADENCE公司合并后，更成为世界上最强大的开发EDA软件的公司，它的产品ORCAD世纪集成版工作于WINDOWS95与WINDOWSNT环境下，集成了电原理图绘制，印制电路板设计、模拟与数字电路混合仿真等功能，它的电路仿真的元器件库更达到了8500个，收入了几乎所有的通用型电子元器件模块，功能非常强大。
通过对ORCAD软件的学习，有利于我们进步一理解所学的知识，提高自己的操作能力和动手能力[1]。

2电路设计思路
2.1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：
设计电路测量晶体管的β值，将晶体管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，根据晶体管电流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）。因为我们要求分五档显示晶体管的β值（即值的范围分别为0～80、80～120， 120～160，160～200以及>200对应的分档编号分别是1、2、3、4、5），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。比较后再通过发光二极管进行分档显示。

2.2各部分电路功能的简单说明：
2.2.1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）。
将变化的晶体管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：
根据晶体管电流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（如晶体管基极电流比较小），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1所示：

图2.1 微电流源电路
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。

差动放大电路介绍：
根据晶体管电流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晶体管集电极上的电压进行采样，。差动放大电路原理如图2所示：
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。 图2.3 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晶体管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。
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～40 μA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)因为参考电流约为1mA左右，则，由

已知 VBE1=0.7V 得： R1=4.3K，取R1=4.3K
再把 R1=4.3K代回，得出=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，
得的范围为0—200，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。
2.2.2电压比较电路：
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，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加载到发光二极管，通过发光二极管灯亮的盏数来判断被测三极管的β值范围[2]。
由于题目要求将值的档次分为0～80、80～120，120～160，160～200，>200对应的分档编号分别是1、2、3、4、5，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。

图2.4 电压比较器电路
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、、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=10k：
β=80时，R＝2.4k，
β=120时，R＝3.6k ，
β=160时，R＝4.8k ，
β=200时，R=6k
电压比较电路的电阻为：
R9=2.4k R10=1.2k R11=1.2k R12=1.2k R13=4.0k

2.2.3.参考方框图如图：

比较电路
显示
转换电路

基准电压

图2.5 参考方案方框图

3 电路图
本次设计的晶体管β值测量的电路原理图如下：

图3.1 电路原理图
其中R1=4.3K，R2=20K，R3=3.0K，R4=510，R5=R6=R7=R8=30K，R9=2.4 K，R10=R11= R12=1.2 K，R13=4.0 K，R14=R15=R16= R17=200，电路由T1、T2、R1，R2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。通过电压比较器来控制不同β值情况下所亮二极管灯的盏数。
灯亮盏数（个）
β值范围
0
小于80
1
80～120
2
120～160
3
160～200
4
大于200

4 元件清单表

表4.1 元件清单表

5 PCB电路板设计
构造电路图：
单击File/New出现如下窗口，输入文件名并选择存储路径：

图5.1 创建ddb文件

点击OK后单击File/New出现如下窗口:

图5.2 创建sch文件

选择Schematic Document点击OK确定创建。
双击打开新建电路原理图设计文件Sheet1.ddb；
从元件库中选择所需元件；
按电路图摆放元件；按电路图连线：

图5.3 构造电路图

连线接好后修改元件属性，包括封装号、序号和数值，完成后即得本次设计的单运放差分电路原理图
点击tool/ERC检查电路连接情况；
生产网络表：选取设计菜单下的creat netlist选项 ，
点击确定就可生成网络表，检查元件无误就可制作PCB板了

点击OK后单击File/New出现如下窗口:

图5.4 创建PCB文件
选择PCB Document点击OK确定创建。双击打开文件pcb1.PCB，在设计工作区的板层标签选择keepOutlayer，然后画边框，在加载网络表，检查元件是否有封装错误，如有则返回原理图修改元件属性，再重新创建网络表，点击Execute，将元件加载到工作区域上，摆放元件，在布线，如下图：

图5.5 PCB电路板图

6 仿真
6.1用ORCAD构造仿真电路图
6.1.1测量静态工作点

打开工程，进行仿真，先测量静态工作点[3]：

图6.1 测量静态工作点

点击后单击确定。
仿真成功完成，如图7.3：

图6.2 仿真成功完成

得如图6.3：

图6.3 静态工作点的仿真结果

同时可以得到各线路电流大小，如图6.4：

图6.4 各线路电流大

6.2仿真
单击simulate/run选择所要的仿真波形[4]：

图6.5 仿真波形图

7 心得体会
通过本次课程设计是我了解到orcad的一些功能，我们借助与它可以对比较复杂的电路进行分析用它可以避免一些比较复杂的计算[5]。虽然只有短暂的学习orcad软件的时间，有些功能还没能掌握，但它的实用性是不能忽视的。我总结了我们对orcad的学习。
同时还必须学好理论知识，从而通过理论分析和仿真情况的对比来更好的掌握电路知识。在实际设计中我也遇到了一些问题。例如不能找到正确画图窗口，不能找到有效文件，不能得出运行结果。通过同学的帮助和有效的资料查询，终于得出了理想的电路图和仿真波形。
本次课程设计考察了我们对orcad软件的掌握和平时理论知识的掌握情况，还有就是对实际操作的能力的考察。通过理论和仿真情况的对比可以看出两者相差不大，所以说利用orcad可以更好的分析问题，解决问题，直观的掌握模电知识。

8 参考文献
[1] 贾新章等著 ORCAD／Pspice9实用教程 西安电子科技大学出版社 2007年6月
[2] 高文焕等著 模拟电路的计算机设计与分析 清华大学出版社 2008年
[3] 杨素行主编 模拟电子技术基础简明教程 高等教育出版社 1998年
[4] 江思敏，陈明编著 Protel电路设计教程（第2版） 清华大学出版社2006年12月
[5] 谭阳红，蒋文科著 基于ORCAD16.0的电子电路分析与设计 国防工业出版社 2008年3月

附录 整体电路图：

本科生课程设计成绩评定表
姓 名
张露
性 别
男
专业、班级
电子科学与技术0601班
课程设计题目：晶体管β值测量电路设计
课程设计答辩或质疑记录：

成绩评定依据：

最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字：

年 月 日