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半导体三极管β值范围测量仪设计

一、 设计题目与主要技术指标
1、设计题目 半导体三极管β值范围测量仪
2、主要技术指标
（1）对被测NPN型三极管β值分五档；
（2）β值的范围分别为小于50、50~80、80~120、120~180、180以上，对对应分档编号分别是0、1、2、3、4；
（3）用数码管显示β值档位;
二、系统组成框图
设计制作一个测量三极管直流放大系数β值范围的测量仪装置。β值的测量分档电路可以由β-V转换电路、编码电路、三极管译码电路、显示电路组成。
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）。因为题目要求分五档显示三极管的β值（即值的范围分别为小于50、50～80、80～120及120～180、大于180，对应的分档编号分别是0、1、2、3、4），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。系统框图如下图（1）所示：
被测三极管
转换电路
显示电路
译码电路
编码电路
比较电路

基准电压

三、单元电路设计与分析
1、转换电路：
用于把不能直接用仪器测量的NPN型三极管β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。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。
当RB固定时，IB=(VEE-VBE)/RB 为固定值，
则IC=βIB=β(VEE-VBE)/RB
VO=ICR=β(VEE-VBE)R/RB
当VEE、RB、R选定时，VO∝β,这样实现β-V转换电路。注意，在设置电阻阻值时应使晶体管和运算放大器均工作于线性区

如右图（2）β-V转换电路

2、比较电路
β-V转换电路在β值为50.80.12.180时的输出电压值，将这些值作为电压比较器的基准电压VREF1,VREF2,VREF3,VREF4,四个基准电压可以用直流电源电阻分压构成。当被测三极管的在不同档次范围时，电压比较电路的输出代码见下表：
电压比较电路输出代码表

V4
V3
V2
V1
<50
0
0
0
0
50<<80
0
0
0
1
80<<120
0
0
1
1
120<<180
0
1
1
1
>180
1
1
1
1
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，引脚如(3)下：

（2）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：

采用集成电路LM741。LM741采用单电源供电，其内部只由4个运算放大器构成。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（5）所示：

图（5）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（6）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（5）所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，如图（6）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。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。
由于被测量的物理量要分五档（即值分别为小于50、50～80、80～120及120～180、大于180，对应的分档编号分别是0、1、2、3、4）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，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。

电压比较电路总图
基准电压： VREF1=5*4.2/（4.2+47）=0.577V
VREF2=5*12/（12+47）=1.017V
VREF3=5*20/（20+47）=1.493V
VREF4=5*33/（33+47）=2.062V
所以，当V0 < 0.577V时， 数码管显示“0”
当0.577V < V0 < 1.017V时,数码管显示“1”

当1.017 < V0 < 1.493V 时，数码管显示“2”
当1.493 < V0 < 2.062V时，数码管显示“3”
当V0 > 2.062V时， 数码管显示“4”
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线-3线优先编码器CD74LS148完成。它允许多个输入信号同时有效，但只对一个优先级最高的输入信号进行编码。优先级低的信号则不起作用
其管脚图和内部引脚图如下图所示：

74LS148的真值表如下图所示：

4、译码电路
该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74LS47完成。74LS47其引脚图和内部管脚图如下图所示:

74LS47的功能真值表：

5、显示电路
该电路功能是用共阳数码管显示被测量的NPN型三极管值的档次。LED 数码管是将电信号转换为光信号的固体显示器件，它由七个条形发光二极管构成七段字形，七段分别为 a、b c 、d 、e 、f 、g ，显示哪个字形，则相应段的发光二极管就发光
数码显示管的管脚图如图（16）所示：

四、总体电路图

五、调试过程及测试结果
第一次调试时数码管只显示4，插上三极管后没有任何现象，还是显示4.检查电路后发现LM324的正负接错，后再接上电源后还是只显示4.
第二次调试电路还是一样的现象，后用电压表测量个电压比较器反向端电压时发现并没有实现分压，可是只给提供基准电压电路通电时发现电路是可以实现分压功能的。后检查发现LM324芯片坏了，换了芯片后电路可以实现分压，可是数码管还是不能正常显示。
第三次调试由于三极管无法知道其β值，给电压比较器同向端提供的电压不稳定，所以我们采取给电压比较器LM324同向端直接提供0.4V、0.8V、1.2V、2.0V、3.0V的电压后，发现数码管分别显示0、1、2、3、4。由此得出我们这个半导体三极管β值范围测量仪能够完全实现它的功能。
六、元件清单

七、总结：
通过这次对半导体三极管值测量的例如LM324是四运放集成电路，它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，

除电源共用外，四组运放相互独立。利用这四组运放同一个串联电阻网络产生四个不同的基准电压，组成的比较电路,从而对值的范围进行分档。另外8--3线优先编码器它允许多个输入信号同时有效，但只对一个优先级最高的输入信号进行编码。经过74LS48驱动七段共阴LED数码管，就能得到整体电路的显示结果。而对各单元电路的分析与设计，又使我们对它们的工作原理有了一定的掌握，

八、参考文献
书名
出版社
主编

康华光

康华光