三极管放大倍数

简易数字三极管 值显示仪 班级:光电 光通信 071 姓名：张华容（2007031039） 张磊（2007031051） 指导老师：赵建 杨笔锋 使用仪器及编号：直流稳压电源（20051851） 万用表（100202502 ） 课程设计时间：2010 年 6 月 9 日 1 目录 一、系统设计要求 2 1.1 设计任务 2 1.2 基本要求 2 二、方案的比较论证和选择 3 2.1 电源部分 3 2.2 主体控制、数据处理部分 3 2.3 前端采集部分 4 2.4 显示部分 4 2.5 总体设计框图 4 三、单元模块的设计 5 3.1 各单元模块功能介绍及电路设计 5 3.1.1 电源模块 5 3.1.2 三极管 参数测试模块 .5 3.1.3 选择电路 6 3.1.4 信号处理模块 6 3.1.5 显示模块 7 3.2 电路参数计算及特殊元器件介绍 8 3.2.1 电路参数计算 8 3.2.2 特殊元器件介绍 8 四、系统电路图和 PCB 图 9 4.1 系统电路图及工作原理 9 4.2 PCB 图 .10 五、系统调试及测试结果 10 5.1 系统调试 10 5.1.1 调试所用仪器 10 5.1.2 调试过程 10 5.2 系统测试及结果 11 5.3 系统测试中的问题 12 六、设计总结 12 七、参考资料 12 摘要： 该系统以三位半 LED 显示 A/D 转换芯片 ICL7107 作为数据处理芯片，将前 端采集到的电压进行处理，利用数码管来实时显示被测三极管放大倍数 ，实现 了三级管放大倍数的测量及其显示。能够对 NPN 和 PNP 三极管进行 值测量； 被测三极管 值在 50300 之间；测试误差控制在 10%以内。 关键词：ICL7107 三极管 测试 放大倍数 Abstract This system with three and a half LED display A/D conversion chip ICL7107 as data processing chip, will be collected in front of voltage, using digital tube to real-time display measured by triode magnification, triple tubes beta and magnification of the measurement. NPN transistor and beta PNP be measurement, Beta tested is between 50 and 300, Test control error in less than 10%. Key words：ICL7107 transistor measurement magnification 一、 系统设计要求： 1.1 设计任务：设计并制作一台三级管放大倍数测试、显示仪，能够对 三极管放大倍数进行测量。示意图如下所示： 被测三 极管 数据处 理电路 显示部分 参数 测试电路 1.2 基本要求： （1）能够对 NPN 和 PNP 三极管进行 值测量； （2）被测三极管 值范围： 50300； （3）测试误差10%； 3 （4） 值至少用三位数码管显示。 二、方案的比较论证和选择： 2.1 电源部分： 方案一：使用 220V 市电，经过降压整流、滤波、稳压得到 5V 电压。框 图如下所示： 方案二：直接使用实验室提供的多路直流稳压电源提供 6V 左右的电压， 由于每一次测试时加的电压会有所差异，因此再用一个 5.1V 的稳压二极管得到 稳定的电压输出。框图如下： 直流稳压电源 稳压二极管 5.1V 电压输出 方案比较与选择：方案一需要一个变压器，变压器体积较大，并且使 作品体积大大增加，影响成品美观，而且成本较高。方案二成本低又能很好的 满足系统要求，电路也比方案一简单。因此选择方案二，简单经济，稳定性好。 2.2 主体控制、数据处理部分： 方案一：使用一个 STC89C51 单片机作为控制和数据处理芯片，前端采 集到的电压经运放放大后，经过模数转换芯片 ADC0804 转换为数字信号输送给 单片机，单片机处理后进行显示。 方案二：使用一个三位半 LED 显示 A/D 转换芯片 ICL7107 来进行数据处 理，然后再进行显示。 方案比较与选择：方案一需要两片芯片及运放若干，而且还需要编程， 电路较为复杂，成本较高，而方案二只需一片 ICL7107 和少量的外围电路就可 实现系统设计的要求。因此选择方案二，简单经济。 2.3 前端采集部分： 方案一：使用专用的恒流源给三极管的基极提供稳定的电流，通过检测 与三极管发射极（集电极）相连的电阻上的电压来采集前端信号。 方案二：NPN 测试电路使用一对性能完全相同的 PNP 型三极管和两个电 阻组成一个恒流源， PNP 测试电路使用一对性能完全相同的 NPN 型三极管和两 个电阻组成一个恒流源，产生几十微安恒定的电流作为 PNP 三极管的基极电流。 用一个开关来进行选择其中的一个通路。 方案比较与选择：方案一使用现成的恒流源，不需要自己搭建，精度 比较高，而且输出电流稳定，但是花费太高；方案二使用较少的分立元件搭建 恒流源电路，电路比较简单，花费很少，精度不够高。因为题目要求三极管测 试的允许误差较大（小于 10%） ，因此选择方案二，能够很好的达到题目的要求。 2.4 显示部分： 方案一：使用 LCD 来进行显示。 方案二：使用数码管进行显示。 方案比较与选择：因为该系统需要显示的只是一些简单的数字，而且 ICL7107 外接的数码管是共阳的，所以选择三个共阳数码管来进行显示完全满 足系统的要求。而且操作简单，经济。 2.5 总体设计框图： 根据题目要求和设计方案本系统主要由 PNP/NPN 电压采集电路（恒流源电 路，三级管放大电路） ，衰减电路，ICL7107 数据处理、显示电路组成，系统框 图如下所示： PNP 电压采集 电路 NPN 电压采集 电路 二选一 ICL7107 处理电路 三位数码 管显示 三、 单元模块的设计： 5 3.1 各单元模块功能介绍及电路设计： 3.1.1 电源模块：电源模块为系统各模块供电，根据各模块电压需求，电 源模块只需提供+5V 电压即可。电源电路设计中，有直流稳压电源为系统提供 6V 左右的电压，再通过稳压二极管，便可得到+5V 稳定的电压输出。如下图 所示，电阻 R7 和稳压二极管 D2 构成了一个基本稳压电路，电阻 R7 在这里起 到一个分压和限流的作用，发光二极管 D1 为电源指示灯，R20 为分压电阻， 电容 C6,C7 为系统电源滤波电容，J1 为正、负电源和 GND 的输入接口，VCC 即为输入的 6V 左右的电源。 3.1.2 三极管 参数测试模块： NPN 测试部分：用一对性能完全相同的 PNP 三极管 Q2、Q3 和电阻 R8、R12 构成一个微电流源，调节 R8 的值三极管 Q1 的基极可以得到几十微安比较稳定 的电流。Q1 发射极的电流值随着 参数的不同而作线性变换，电位器 R10 上 的电压值也唯一的随着 参数二进行变化。电路图如下所示。 PNP 测试部分：和 NPN 测试部分原理完全相同，只不过恒流源用两只型号完 全相同的 NPN 三极管和电阻 R16、R17 构成，最终检测三极管 Q4 集电极的电压 值的变化。与 NPN 检测电路不同的地方是：NPN 电路检测的是三极管发射极的 电压值，即电位器 R10 上的电压；而 PNP 检测电路上检测的是三极管集电极上 的电压值，即电位器 R14 上的电压，调试时将它们调到一个比较合适的值，可 以最大程度的减小系统误差，电路如下图所示： 恒流源工作原理：以 PNP 测试电路为例说明：将三极管 Q6 的集电极和基极 连在一起，把它当做一个二极管来使用，此时 Q6 的基极和发射极构成一个 PN 结，由于 Q6 发射极接地，则 Q6 基极电压保持为恒定的 0.7V 左右，相应的 Q5 基极电压也为 0.7V。当三极管 Q5 工作时，由于基极和发射极的压降在 0.5V 左 右，则发射极电压为 0.7-0.5=0.2V 左右，电阻 R17 一端接地，因此 R17 上的压 降为 0.2V 左右，电流为 I=0.2/R17，即 Q5 发射极电流 Ie 为 0.2/R17。又由于 Q5 的 IeIc，因此 Ic=0.2/R17。在实际应用中，由于三极管 Q5 和 Q6 性能完全 相同，因此可保证 Q5 发射极电压基本保持为一个稳定的电压，则集电极电流也 相应的保持为一个稳定的电流输出，实现了横流输出的功能。 3.1.3 选择电路： 该部分使用 一个二选一开关作为 NPN 检测电路 和 PNP 检测电路的电压选择。如下 图所示：当开关拨到上面时，采集 NPN 电路上的电压；拨到下面时，采 集 PNP 电路上的电压，采集到的电 压通过电阻 R5 耦合到芯片的信号输 入端（31 脚） 。 3.1.4 信号处理模块：该模块使用三位半 LED 显示 A/D 转换芯片 ICL7107 及其 若干外围电路构成主处理电路，电路如下：电位器 R19 滑动端和电阻 R18 采集 7 到的电压值分别输入到 ICL7107 的 IN+端和 IN-端，ICL7107 对其进行处理。其 中：R1 和 C1 接到 7107 的 38、39、40 管脚，构成了一个多谐振荡器，为芯片 提供定时脉冲；电位器 R3 和 R4 接到芯片的 36 管脚，为芯片提供一个基准电压； 电容 C2 接到芯片的 33、34 管脚，不能使用瓷片电容；C4、C5、R6 接到芯片的 27、28、29 管脚，是芯片工作的积分网络，不能使用磁片电容；26 管脚接-5V 的电压；30、32、35 管脚接地；31 脚为信号输入端 IN+，30 脚为信号接地端 IN-，中间接一个电容 C3 退偶；1 脚接+5V 电压，加电容 C8 退偶。电阻 R2 和 按钮开关 S1 构成测试电路连接到 7107 的 37 号管脚（TEST） 。正常情况下，当 键按下，数码管全亮。若有数码管没亮，则说明电路连接有问题或是数码管有 坏的。其他管脚接数码管。 3.1.5 显示模块：该模块使用三个共阳数码管来显示三极管的放大倍数，如下 图所示：三位数码管分别显示放大倍数 参数的个位、十位、和百位，这里的 电阻 R21 为保护电阻，起到降压的作用，减小加在数码管上的电压。数码管的 驱动由 ICL7107 完成。 3.2 电路参数计算及特殊元器件介绍： 3.2.1 电路参数计算: 电源部分：电阻 R17 起到分压的作用，取 10k；R12 为 LED 保护电阻，取 1k；电容 C6 滤波，取 100uF；电容 C7、C8 退偶，取 100nF（104）的瓷片电容。 恒流源部分：在测量 NPN 三极管放大倍数时，由于我们需要一个非常小的基 极电流值，大概 20uA，因此电阻 R8 的值取 10k；R12 的值取 1k，R11 取 220，R9 取 220，由于需要测试 50300 之间的 值，因此 R10 取 100 的电 位器 ；测 PNP 放大倍数时，R16 取 1k，R17 取 10k，R15 取 220，R13 取 220，电位器 R14 取 100。三极管 Q2、Q3 、Q5、Q6 取的放大倍数应该尽量 大，因此我们选用放大倍数为 400 的三极管。 信号处理部分：根据系统要求，经查阅相关芯片资料，得知 R1 须大于 50k， 因此选择 100k，C1 须大于 50pF，因此选择 100pF（101）的瓷片电容。电阻 R2 选择 10k；因为 36 脚需要 100mV 的基准电压，则电位器 R3 选择 1k，R4 选择 27k；C2 的值要求比较准确，因此选择 0.1uF（104）的钽电容；R5 选择 1M 的电阻；C3 选择一个较小的瓷片电容，值为 22nF（224） ；C4 选择 0.47uF（474）的钽电容，C5 选择 0.22uF（224）的钽电容，R6 选择 47k 的电 阻。 显示部分：电阻 R21 为数码管保护电阻，取 220 的普通电阻即可。 3.2.2 特殊元器件介绍： 9 本系统采用的核心控制/信号处理元器件为三位半 LCD/LED 显示 A/D 转换芯 片 ICL7107。该芯片是高性能、低功耗的三位半 A/D 转换器电路。它包含有七 段译码器、参考源、时钟系统和显示驱动器，可直接驱动数码管。 ICL7107 将高精度、通用性和真正的低成本很好的结合在一起，它具有低于 10uV 的自动校零功能，零漂小于 1uV/oC，低于 10pA 的输入电流，极性转换误 差小于一个字。在用于测量负载单元、压力规管和其他桥式传感器时会有更突 出的优点。可很好的用于制作数显电流表、数显电压表、数显温度计等实用性 产品。它有两种封装：DIP-40（双列直插式封装） ，PQFP-44（塑料方块平面封 装） 。我们采用的是 DIP-40（40 管脚）这种封装形式的 7107。 其所具有的主要特点为： 保证零电平输入时，个量程的读值均为零。 1pA 典型输入电流。 很低的噪声（小于 15uVpp） 。 片上时钟。 低功耗（典型值小于 10mW） 。 不需外接有源电路。 真正的差动输入和差动参考源，直接驱动 LED 显示驱动 四、系统电路图和 PCB 图： 4.1 系统电路图及工作原理： 工作原理简述：给被测三极管基极加一个由恒流源产生的恒定的电流，检 测此时三极管发射极/集电极上的电压信号，这个信号只随着三极管放大倍数 变化，调整好这个电压信号的强度后将其加到 ICL7107 的信号输入端，经 7107 进行数据处理之后利用三位半数码管进行显示。 4.2 PCB 图： 该 PCB 为手动布局 ，线宽设置为 40mil， 焊盘为 80mil，过孔 40mil。最终成品 PCB 板 的尺寸大小为 8cm9cm。 11 五、系统调试及测试结果： 5.1 系统调试： 5.1.1 调试所用仪器： 1、直流稳压电源（资产编号：20051851） 2、万用表（资产编号： 100202502） 5.1.2 调试过程： 先根据原理计算出各参数值后，搭建一个恒流源电路，调节参数值，使输 出电流的值约为 20uA。此时再连上放大倍数已知的被测三极管，将电位器的值 调到最小，然后再连接到搭建好了的 ICL7107 电路上，调节电位器 R13 的值， 使 7107 基准参考电压保持为 100mV 大小，调好之后就固定不再动。此时调节连 接被测三极管的电位器 R10（R14） ，当数码管显示的值和被测三极管的实际值 基本相等时，该电位器就固定不再动。然后再多用几个放大倍数已知的三极管 进行调试，将 R10（R14）微调到一个比较合适的水平后就固定不再动。做好板 子、焊好元件后先检查电路焊接有没有虚焊或是短线，一切都没问题时加电源 进行调试。 5.2 系统测试及结果： 各选择十几个放大倍数在 50300 之间的 NPN 和 PNP 型三极管进行测试。 取一个三极管用万用表测出它们的实际放大倍数并记录后，再将它们接入测试 电路测量三极管的放大值并记录，测完后再换其它的三极管测试，每种型号的 测 10 组数据。如下表：表中，实际值为万用表测的值，测量值为该设计测的值。 NPN 管测试数据： 实际值 111 198 207 219 252 256 257 258 262 265 测量值 101 199 203 223 258 260 266 268 273 273 由上表中的数据可以看出，各三极管放大倍数的测试误差都是小于 10%的。实 际值总的平均值为： ；1+982071+5267+5826= 8.50x 测量值的平均值为： ；238372.41 因此系统总的误差为： 。因此 NPN 检测电路可以很好的满21|0%1.x 足题目的要求。 PNP 管测试数据： 实际值 207 217 218 219 221 225 228 230 266 277 测量值 211 219 227 221 220 230 226 237 274 281 由上表中的数据可以看出，各