半导体三极管β值测量仪设计与制作

1．引言

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。

2．设计要求

(1)基本要求

①被测三极管为NPN型，β值范围为β＜200。

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2s，显示器显示读数清晰，注意避免出现“叠加现象”。

④β值超过测量范围时声光报警。

⑤电源采用5V或±5V供电。

(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。

图9－29 系统框图

(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9－29所示。

3．设计方案

(1)方案一

如图9－30，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，进行分挡比较。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。

图9－30 方案一

图9－31 方案二

(2)方案二

如图9－31所示，T1是被测三极管，其基极电流可由R1、R2限定，运算放大器的输出:

VR2=βIBR2

(3) 各方案分析比较

两个方案的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、分挡。方案一和方案二都是按这个思路设计的，比较和分挡的电路一样。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、分挡，以获得较精确的显示结果，方案一是首选。

图9－32 差分转换电路的原理

4．电路设计与器件选择

(1)β－V转换电路

①差分转换电路原理。差分转换电路的原理如下图9－32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=βIB3 R3，这样实现了β－V转换。

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。

由此可知: 只要确定IC2和R2就能确定IC1，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30～40μA之间为宜。

因为:

a．β值与IC3有关;

b．小功率管的β值在IC3=2～4m A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=30μA

因为参考电流IC1约为1．3m A左右，则，由

为了使差动放大电路起到隔离放大的作用，R4～R7应尽量取大一点，这里取R4=R5=R6=R7=30kΩ。

综合上述: R1=3．3kΩ; R2=3．3kΩ; R3=220; R4=R5=R6=R7=30kΩ。

③差动放大电路。根据三极管电流IC3=βIB3的关系，被测物理量β转换成集电极电流IC3，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下图9－33所示。

图9－33 差动放大电路图

根据理想运放线性工作状态的特性，利用叠加原理可求得

取电路参数: R1=R2=R3=R4

V0=Vi2－Vi1

可见，输出电压值等于两输入电压值相减之差，实现相减功能。

其中运算放大器采用集成电路LM311。

LM311采用单电源供电，其内部只由一个运算放大器构成，其封装及内部结构如图9－34所示。

图9－34 LM311封装及内部结构图

(2)伏频(V/F)转换电路

①LM331简介。LM331是美国NS公司生产的性能价格比较高的集成芯片，可用作精密频率电压转换器、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器及其他相关器件。供电电压为+5V。LM331采用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低到4．0V电源电压下都有极高的精度。LM331的动态范围宽，可达100d B; 线性度好，最大非线性失真小于0．01%，工作频率低到0．1Hz时尚有较好的线性; 变换精度高，数字分辨率可达12位; 外接电路简单，只需接入几个外部元件就可方便构成V/F或F/V等变换电路，并且容易保证转换精度。LM331为双列直插式8脚芯片，其引脚如图9－35所示。

图9－35 LM331的内部框图及引脚图

LM331内部有输入比较电路、定时比较电路、RS触发电路、复零晶体管、输出驱动管、能隙基准电路、精密电流源电路、电流开关、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fo(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。fo(PIN3)为频率输出端，为逻辑低电平，脉冲宽度由RT和CT决定。引脚4(PIN4)为电源地。引脚5(PIN5)为定时比较器正相输入端。引脚6(PIN6)为输入比较器反相输入端。引脚7(PIN7)为输入比较器正相输入端。引脚8(PIN8)为电源正端。

②V/F转换电路。图9－36是由LM331组成的电压频率变换电路，LM331内部由输入比较器、定时比较器、R－S触发器、输出驱动、复零晶体管、能隙基准电路和电流开关等部分组成。输出驱动管采用集电极开路形式，因而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，以适配TTL、DTL和CMOS等不同的逻辑电路。

图9－36 LM331经典外围电路

当输入端Vi输入一正电压时，输入比较器输出高电平，使R－S触发器置位，输出高电平，输出驱动管导通，输出端f0逻辑低电平，同时电源Vcc也通过电阻RT对电容CT充电。当电容CT两端充电电压大于Vcc的2/3时，定时比较器输出一高电平，使R－S触发器复位，输出低电平，输出驱动管截止，输出端fo为逻辑高电平，同时，复零晶体管导通，电容CT通过复零晶体管迅速放电; 电子开关使电容CL对电阻RL放电。当电容CL放电电压等于输入电压Vi时，输入比较器再次输出高电平，使R－S触发器置位，如此反复循环，构成自激振荡。输出脉冲频率fo与输入电压Vi成正比，从而实现了电压－频率变换。其输入电压和输出频率的关系为:

fo=vi×Rs/(2．09×RL×RT×CT)

由式知电阻RT、RL、RS、和CT直接影响转换结果fo，因此对元件的精度要有一定的要求，可根据转换精度适当选择。电阻R1和电容C1组成低通滤波器，可减少输入电压中的干扰脉冲，有利于提高转换精度。

由于Vi=βIBR3，可以令fo=β，则计数器恰好在1s内记下所有脉冲数。通过计算、拼凑可以得出: Rs=4．7kΩ，RT=10kΩ，RL=150kΩ，CT=0．01μF，CL=1μF。

图9－37是由NE555定时器和基于TL071的Miller积分器结合，组成的简单电压－频率转换器。应用中输入电压为0～10V，产生0～1000Hz的输出频率范围。C1的电流为输入电压的函数: IC=－VIN/(P1+R1)。

图9－37 NE555构成的V/F转换电路

C1的电压达到VCC的2/3时，定时器的内部放电晶体管打开，C1的电压回到VCC的1/3，比较器的低阈值。到电压的1/3处，放电晶体管关闭，C1再次开始充电。C1充电时，NE555的输出为高，而C1放电时，NE555的输出为低。输入电压和C1充电时间的乘积为常数。因为放电时间小于充电时间，下面的公式计算了输出频率

f OUT≈VIN/(P1+R1) ×C1×1/3VCC

P1校准了输出频率和输入电压的关系。因为放电时间约为30μs，电压频率转换的精度随频率的增加而降低。如果设定100Hz为－1V，1000Hz为－10V，转换范围的误差为0．3%～3%。如果使用P1校准输入电压范围中点－5V的输出频率，那么整个范围内的转换误差小于1．3%。为改进性能，C1应该具有低耗散的特点。如果R1具有低温度系数，P1为多匝金属陶瓷电位计的话，可以减少温度影响。

(3)时基控制电路

①NE555简介。555电路的内部电路方框图如图9－38所示。它含有两个电压比较器，一个基本R－S触发器，一个放电开关管T，比较器的参考电压由3只5kΩ的电阻器构成的分压器提供。它们分别使高电平比较器A1的同相输入端和低电平比较器A2的反相输入端的参考电平为2/3VCC和1/3VCC。A1与A2的输出端控制R－S触发器状态和放电管开关状态。当输入信号自6脚，即高电平触发输入并超过参考电平2/3VCC时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电开关管导通; 当输入信号自2脚输入并低于1/3VCC时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电开关管截止。

RD是复位端(4脚)，当RD=0，555输出低电平。平时RD端开路或接VCC。

图9－38 555定时器内部框图及引脚排列

②时基控制电路与参数计算。时基控制电路见图9－39(a)所示。由555定时器和外接定时元件R、C构成的单稳态触发器组成。其工作原理是由C1、R1、D构成触发电路，其中D为钳位二极管，稳态时555电路输入端处于电源电平，内部放电开关管T导通，输出端F输出低电平，当有一个外部负脉冲触发信号经C1加到2端。并使2端电位瞬时低于1/3VCC，低电平比较器动作，单稳态电路即开始一个暂态过程，电容C开始充电，VC按指数规律增长。当VC充电到2/3VCC时，高电平比较器动作，比较器A1翻转，输出V0从高电平返回低电平，放电开关管T重新导通，电容C上的电荷很快经放电开关管放电，暂态结束，恢复稳态，为下个触发脉冲的来到做好准备。波形图如图9－39(b)所示。

暂稳态的持续时间tw(即为延时时间)决定于外接元件R、C值的大小。Tw=1．1RC通过改变R、C的大小，可使延时时间在几个微秒到几十分钟之间变化。本系统要求控制时间为1s，故可求得R=91K，C=10μF。

(4)计数电路

①CD4518器件说明。CD4518是二、十进制(8421编码)同步加计数器，内含两个单元的加计数器，其功能表如真值表所示。每单个单元有两个时钟输入端CLK和EN，可用时钟脉冲的上升沿或下降沿触发。由表可知，若用ENABLE信号下降沿触发，触发信号由EN端输入，CLK端置“0”; 若用CLOCK信号上升沿触发，触发信号由CLOCK端输入，ENABLE端置“1”。RESET端是清零端，RESET端置“1”时，计数器各端输出端Q1～Q4均为“0”，只有RESET端置“0”时，CD4518才开始计数。

图9－39 时基控制电路

CD4518采用并行进位方式，只要输入一个时钟脉冲，计数单元Q1翻转一次; 当Q1为1，Q4为0时，每输入一个时钟脉冲，计数单元Q2翻转一次; 当Q1=Q2=1时，每输入一个时钟脉冲Q3翻转一次; 当Q1=Q2=Q3=1或Q1=Q4=1时，每输入一个时钟脉冲Q4翻转一次。这样从初始状态(“0”态)开始计数，每输入10个时钟脉冲，计数单元便自动恢复到“0”态。若将第一个加计数器的输出端Q4A作为第二个加计数器的输入端ENB的时钟脉冲信号，便可组成两位8421编码计数器，依次下去可以进行多位串行计数。

CD4518真值表与封装如图9－40(a)、(b)所示。其内部逻辑与时序见图9－41、图9－42所示。

图9－40

(a)真值表; (b)封装图

图9－41 内部逻辑

图9－42 时序图

②计数电路的组成。本计数电路由一片CD4518十进制(8421编码)同步加计数器和一片74LS107JK触发器组成，见图9－43所示。其中CD4518分别构成个位计数和十位计数，最大计数值为99，由74LS107JK触发器构成百位计数，因此总计数为199，符合设计要求。CD4518的计数原理前已论述，当第99个脉冲来时，Q1A=1、Q2A=0、Q3A=0、Q4A=1、Q1B=1、Q2B=0、Q3B=0、Q4B=1，即计数器输出为1001、1001，计数值为99(BCD码)，当第100脉冲来时，Q4B从高电平跃变为低电平，加到74LS107的1CP端，使1Q输出高电平。CD4518的其他各位(Q端)也为0，此时计数值为100，再来一个脉冲计数值为101，…这样一直到计数值为199。当脉冲个数≥200时，2Q输出高电平，指示溢出。

说明: 每个时钟周期计数器计数一次。由于是计数时间是1s，故根据前面的关系，计数器最终的数值就是所要测的β值。

(5)译码显示电路

①CD4511的功能与基本电路。CD4511是一片CMOSBCD—锁存/7段译码/驱动器，特点: 具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。可直接驱动LED显示器。引脚排列如图9－44所示。其中ABCD为BCD码输入，A为最低位。LT为灯测试端，加高电平时，显示器正常显示，加低电平时，显示器一直显示数码“8”，各笔段都被点亮，以检查显示器是否有故障。BI为消隐功能端，低电平时使所有笔段均消隐，正常显示时，B1端应加高电平。另外CD4511有拒绝伪码的特点，当输入数据越过十进制数9(1001)时，显示字形也自行消隐。LE是锁存控制端，高电平时锁存，低电平时传输数据。a～g是7段输出，可驱动共阴LED数码管。另外，CD4511显示数“6”时，a段消隐; 显示数“9”时，d段消隐，所以显示6、9这两个数时，字形不太美观。

图9－43 计数电路

图9－45是CD4511和CD4518配合而成一位计数显示电路，若要多位计数，只需将计数器级联，每级输出接一只CD4511和LED数码管即可。所谓共阴LED数码管是指7段LED的阴极是连在一起的，在应用中应接地。限流电阻要根据电源电压来选取，电源电压5V时可使用300Ω的限流电阻。

图9－44 CD4511引脚排列

图9－45 一位计数显示电路

②计数电路、译码电路与显示电路的连接。CD4518的输出端Q1、Q2、Q3、Q4直接接在CD4511的四个输入端口ABCD上，见图9－45所示。注意个位对个位，十位对十位，百位不需要译码，只有两种状态“1”或“0”故可以直接接在数码管的b，c端，即可实现译码的功能。CD4511的控制信号要接正确，所有的控制信号都应接高电平。

LED数码显示管有两种形式:

第1种是8个发光二极管的阳极连在一起的，为共阳极LED显示器，另2种是8个发光二极管的阴极连在一起的，为共阴极LED显示器，其示意图如下图9－46所示。

图9－46 LED显示器示意图

由于LED显示器有共阳极和共阴极两种结构，故所对应的显示译码器连接也不同，使用共阳数码管时，公共阳极接电源电压，7个阴极a～g由相应的BCD－七段译码器的输出来驱动。对共阴极数码管来说，则为共阴极接地，相应的BCD－七段译码器的输出驱动a～g各阳极。若数码管为共阴，则选用输出为高电平有效的显示译码器。若数码管为共阳，则选用输出为低电平有效的显示译码器。