半导体三极管β值测量仪设计

2/2半导体三极管β值测量仪设计半导体三极管β值测量仪设计与制作摘要：在电子产品设计、制作与维修中，经常需要测量三极管的放大系数β，而万用表自带的简易β测试装置准确性很差，为此本项目设计一个高精度β值测量仪。关键词：1．引言2．设计要求2.1基本要求（1）被测三极管为NPN型，β值范围为β<300。（2）用三个数码管显示β的大小，分别显示个位、十位和百位。显示范围为0-199。（3）响应时间不超过2秒，显示器显示读数清晰，注意避免出现“叠加现象”。（4）β值超过测量范围时声光报警。（5）电源采用5V或±5V供电。2.2扩充要求（1）可以测量任意极性（NPN、PNP）的三极管。（2）三极管内部断路或短路时能发出警报声，要与β值超过测量范围时的报警声区别开来。2.3设计提示将三极管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，对VRC进行伏频转换，转换后的频率f就反映了β值的大小，然后再用计数器对f的信号进行一定时间的计数，最后通过计数器的保持输出经译码电路就可以显示β值。系统方框如下图2-1所示。图2-13．电路设计与器件选择3.1方案比较3.1.1方案一如下图3-1所示。图3-1方案一如图3-1，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。根据三极管电流IC=βIB的关系，当IB为固定值时，IC随着β的变化而变化，电阻RC上的电压VRC正好反映了IC的变化，所以，我们对VRC取样加入后级，进行分档比较。从而实现目的。该电路用微电流源为基极取样电阻提供稳恒的电流，这样便于测量β值。3.1.2方案二电路如下图3-2所示.图3-2方案二如图3-2所示，T1是被测三极管，其基极电流可由R1、RW限定，运算放大器的输出：VR2＝βIBR23.1.3各方案分析比较两个方案得原理都是要将变化得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。方案一和方案二都是按这个思路设计的，比较和分档的电路一样。两个方案的区别在于，方案一用电流源电路为被测三极管提供Ib，这样能比较精确地把Ib控制在想要的值附近，其缺点是电路较方案二复杂；方案二是利用电阻分压把Vbe控制在想要的值附近，从而获得一个较稳定的Ib值，电路较简单，但Ib的控制不如方案一精确。为了能取到比较精确的比较电压，进行下一步的比较、分档，以获得较精确的显示结果，方案一是首选。3.2β-V转换电路3.2.1差分转换电路原理差分转换电路的原理如下图3-3所示。包括微电流源（提供恒定电流）和差动放大电路（电压取样及隔离放大作用）。恒流源加在被测三极管的基极，再在基极和集电极上分别加一采样电阻。根据三极管电流IC3=βIB3的关系，当IB3为固定值时，IC3反映了β的变化，电阻R3上的电压VR3又反映了IC3的变化，在集电极电阻上加一差动放大电路求出该采样电阻两端的电压，输出为V1，这样使三极管的放大倍数β转化为电压V1，关系为V1=βIB3R3，这样实现了β-V转换。图3-3差分转换电路的原理3.2.2电路参数计算由于被测三极管基极电流比较小，为了取得固定IB3，通常采用微电流源电路提供恒定电流，其电路上图所示。根据电路原理分析得：IR1?IC2?VCC?VBE1R1?VTR2lnIRIC2VBE1?VBE2R2由此可知：只要确定IC2和R2就能确定IR，由此可以确定电阻R1的值。依题意有：T1与T2性能匹配，为PNP三极管。被测晶体管IB3的选择应在30μA～40μA之间为宜。因为：（1）β值与Ic3有关；（2）小功率管的β值在Ic3＝2～4mA时，工作在放大区，测量较准确。Ic3较大时工作在饱和区，Ic3较小时工作在截止区，结果是测量不准确。因此，取输出电流IC2＝30uA取参考电流IR约为1.3mAR1R2??VCC?VBE1IC1?左右，则，由IR1?5?0.71.3?3.3K?VCC?VBE1R1VTIC2lnIRIC2=870×3.7612=3272Ω,取村称值为3.3K为了使差动放大电路起到隔离放大的作用，R3-R7应尽量取大一点，这里取R4=R5=R6=R7=30K。综合上述：R1=3.3K、R2=3.3K、R3=220、R4=R5=R6=R7=30K，运放采用LF351单运放。3.3伏频（V-F）转换电路3.3.1电压-频率变换器LM331简介LM331是美国NS公司生产的性能价格比较高的集成芯片。LM331可用作精密的频率电压（F/V）转换器、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器以及其他相关的器件。LM331为双列直插式8脚芯片，其引脚如图3-4所示。图3-4LM331内部有（1）输入比较电路、（2）定时比较电路、（3）R-S触发电路、（4）复零晶体管、（5）输出驱动管、（6）能隙基准电路、（7）精密电流源电路、（8）电流开关、（9）输出保护点路等部分。输出管采用集电极开路形式，因此可以通过选择逻辑电流和外接电阻，灵活改变输出脉冲的逻辑电平，从而适应TTL、DTL和CMOS等不同的逻辑电路。此外，LM331可采用单/双电源供电，电压范围为4～40V，输出也高达40V。IＲ（PIN1）为电流源输出端，在f０（PIN3）输出逻辑低电平时，电流源ＩＲ输出对电容ＣＬ充电。引脚2（PIN2）为增益调整，改变ＲＳ的值可调节电路转换增益的大小。f０（P