1、北京邮电大学信通院级模电综合实验晶体管放大倍数检测电路的设计与实现实验报告 晶体管放大倍数检测电路的设计与实现实验报告【摘要】晶体管是工程上常见的一种元器件，放大倍数为其基本参数。为了检测出不同晶体管的放大倍数的粗略值，本实验利用集成运放和发光二极管，将晶体管的放大倍数分成若干个档位进行测量。利用本实验的电路，可以成功实现对晶体管类型的判断，对晶体管放大倍数的档位测量，并在250时实现报警。放大倍数的检测对于晶体管的工程应用具有重要意义，对于任意一个晶体管，在工程应用前，都应检测出它的类型及放大倍数。【关键词】 电子电路设计 测量 晶体管 放大倍数 【实验目的】1、 加深对晶体管值意义的理解；
2、2、了解并掌握电压比较器电路和发光二极管的使用；3、提高独立设计电路和验证实验的能力。【设计任务和要求】【基本要求】1、 设计一个简易晶体管放大倍数检测电路，该电路能够实现对三极管值大小的初步判断。系统电源DC12V2、 电路能够检测出NPN、PNP三极管的类型；3、 电路能够将NPN型三极管放大倍数分为大于250、200250、150200和小于150四个档位进行判断；4、 用发光二极管来指示被测三极管的放大倍数值属于哪一个档位，当超出250时二极管能够闪烁报警；5、 在电路中可以手动调节四个档位值的具体大小；【提高要求】1、 电路能够将PNP型三极管放大倍数分为大于250、200250、1
3、50200和小于150四个档位进行判断，并且能手动调节四个档位值的具体大小。2、 NPN、PNP三极管档位的判断可以通过手动切换。【设计思路】简易双极型三极管放大倍数检测电路的设计总体框图如下所示：电路由五部份组成：三极管类型判别电路、三极管放大倍数档位判断电路、显示电路、报警电路和电源电路。三极管类型判别电路的功能是利用NPN型和PNP型三极管的射极、基极、集电极电流流向均相反的特性而实现的。对于一个NPN型的三极管，若要工作在放大区，则其基极与射极之间电压应为正向电压，且集电极的电位要比基极电位高。而对于PNP型的三极管则相反。三极管放大倍数档位判断电路的功能是利用三极管的分配特性，将值的
4、测量转化为对三极管电流或电压的测量，同时能够对档位进行手动调节。再通过电压比较器，实现档位的判断。我们知道对于一个电压比较器，若其正输入端输入的电压高于其负输入端的电压值，则其输出为高电平，反之为低电平。利用这个特性可以实现对前一级电路的输出电压进行判断并处理。显示电路主要由四个发光二极管与四个限流电阻串联组成，接在三极管放大倍数档位判断电路下一级，不同的运放输出电压的不同，将导致被点亮的二极管不同。报警电路主要由一个555计时器和一个发光二极管实现。通过555计时器输出端高低高电平的变换而实现二极管亮和灭的轮换。电源电路的功能是为各模块电路提供直流电源。【所用仪器及元器件】1、 万用表2、
5、直流稳压电源3、 集成运算放大器 2个4、 555定时器 1个5、 发光二极管 6个6、 电位器 1个7、 实测双极型晶体管 若干个8、 电阻电容 若干个【电路设计及功能实现】一.三极管类型判断电路NPN型管判断电路如下图1(左)所示，PNP型管判断电路如下图1(右)所示，由于NPN型和PNP型三极管的电流流向相反，当两种不同类型的三极管按下图的其中一种连接方式接入电路时，如按图左将晶体管接入电路，将集电极接上端，发射极接下端，那么NPN型三极管能够正常导通，发光二极管亮，而PNP型三极管无法导通，从而发光二极管不亮。因此，由二极管的亮和灭就能够判断出三极管的类型是NPN还是PNP。 Vc V
6、e 图1（左） 图1（右）对于这个电路图有几点说明，电路中加了一个电位器Rp，其主要作用是改变三极管一端连接的电阻的阻值，从而达到对于同一个三极管，可以改变Vc点的电位，从而实现在电路中手动调节四个档位值具体的大小，与后面的电路相连从而实现电路的检测功能。发光二极管串联了一个稳压管，标定的稳压值为3.3V，其作用是限制发光二极管两端的电压，防止发光二极管两端电压过大而烧坏。二、三极管放大倍数档位测量电路和显示电路首先，先介绍一下LM358的结构及主要参数。LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工
7、作条件下，电源电流与电源电压无关。LM358的电路结构如图2所示。由图2可以看出，一个LM358芯片有8个端口，编号分别为18。其中端口8为电源输入端，在单电源条件下其可取电压值为330V；端口4是接地端；端口2是其中一个运算放大器的反相输入端，端口3则为该运算放大器的同相输入端。端口6为另一个运算放大器的反相输入端，端口5则为该运算放大器的同相输入端，端口1和7分别为两个电压比较器的输出端。 图2运算放大器在本电路中所起的作用为电压比较器的作用。一个最基本的电压比较器有两个输入端和一个输出端，两个输入端包括同相输入端和反相输入端，分别记为Vi+和Vi- 。当同相输入端的输入电压高于反相输入端
8、（即Vi+ Vi-）时，输出端输出为高电平；否则输出为低电平。三极管放大倍数档位测量电路和显示电路如图3所示 Vc/Ve 图3 当之前接入的三极管类型判断电路为NPN型管判断电路时，若电路接入NPN型三极管，电路中电流电压表达式为： 由上式可知，由于R1为给定电阻，则为定值。通过三极管电流分配关系将转换为，则电压Vc将随减小而增大，这就把转换为电压量，便于进行档位的测量。当之前接入的三极管类型判断电路为PNP型管判断电路时，若电路接入PNP型三极管，电路中电流电压表达式为：可见，电压Ve将随值的变化而变化，也可以通过调节R2的阻值大小调节所测值档位的大小。由上面的公式可设计出该部分的电路如图3
9、所示，其中的电压比较器都用独立的元件画出。可见其核心部分是由三个运算放大器构成的三个电压比较器。所有的运算放大器的反相输入端都与前一部分电路的三极管的集电极（或发射极）相连，作为该部分电路的输入端口。而三个运算放大器的同相输入端分别接入由串联的四个电阻分压而得到的三个不同的电平值，将这个电平值与各自的反相输入端输入的电平值进行比较，从而判断当前的Vc所对应的所在档位。显示电路由四个发光二极管组成，每个发光二极管与一个1k的限流电阻串联后接到一个电压比较器的输出端，限流电阻起保护发光二极管的作用。下面详细说明一下显示电路的工作原理。设三个电压比较器（运算放大器）的三个同相输入端的输入电平分别为V
10、1、V2 、V3，假设此时之前的三极管类型判别电路的输出电压值Vc介于V1和V2之间，由于VcV2，第二个电压比较器的同相输入端的电平低于其反相输入端，帮输出为低电平。第三个电压比较器的同相输入端的输入电平也低于Vc，其输出也为低电平。由此分析知，只有接在第一个电压比较器和第二个电压比较器间的发光二极管两端才有足够大的电压使发光二极管发亮，其余的二极管都处于两个高电平或两个低电平之间，没有足够的电压来发亮。故此时对应的值处于第二个档位。其它的档位也可以用同样的方法来分析。三、三极管放大倍数档位测量电路和显示电路报警电路主要由一个NE555定时器和一个发光二极管组成。通过NE555定时器输出端输
11、出电平高和低的转换（构成施密特触发器）实现发光二极管的亮和灭的交替从而实现闪烁状态。在这之前先简单介绍一下555定时器，NE555计时器的内部结构如图4： 图4NE555定时器内部结构如上图所示，它由分压比较器、基本RS触发器、晶体管及缓冲器组成。它有8个管脚，1脚是接地端GND，2脚是低电平触发端，3脚是输出端，4脚是复位端，5脚是电压控制端，6脚是高电平触发端，7脚是放电端，8脚是电源端。其功能表如表1： 表1当4脚RD复位端输入为低电平时，不管其它输入端的状态如何，输出端输出的电压必为低电平；只有当RD输入为高电平时，输出的状态将由2脚低电平触发端和高电平触发端电压的大小来决定。因些，在
12、正常工作时，应将4脚接高电平。当高电压触发端电压，低电压触发端电压时，放电晶体管VT截止，输出端为高电平。当，时，放电晶体管VT导通，输出端输出高电平。当，时，电路亦保持原状态不变。如果在电压控制端（5脚）施加一个外加电压（其值在0之间）,比较器的参考电压将发生变化，电路相应的阈值、触发电平也将随之变化，进而影响电路的工作状态。555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。实验中使用之所以使用555定时器，也是利用它来构成一个施密特触发器来产
13、生一个矩形的脉冲，从而实现报警灯的闪烁来实现报警功能。其连接的电路图如图5： 图5在这里我们也可以分析一下该矩形脉冲的产生原理。当第三个电压比较器输出不为高电平时，则555定时器的电源输入端输入为低电平，且其复位端输入的也是同一个低电平信号，故输出为低电平，其所接的发光二极管不亮。当第三个电压比较器输出为高电平时，复位端输入的也是一个稳定的高电平信号，此时555定时器能够正常工作。刚开始时放电晶体管处于导通状态，由于导通后与地线相连，故其电平值为0，因此，电阻R12两端的电压值都是处于低电平。当两电平触发端的输入电平都为低电平时，输出端输出高电平，而放电晶体管处于截止状态而位于高电平，此时二极
14、管亮；又由于此时的放电晶体管的输出端处于高电平，由电路的连接可知，两电平触发端输入的电平都是高电平，由上面的功能表可知，此时输出端输出的是低电平，放电晶体管再次导通，且二极管灭。如此一直循环下去，直到控制信号的电平值为低电平才停止工作。从而实现的二极管的闪烁。四、总体电路设计四部分的电路加起来如图6所示： 图6图6是NPN管类型判断与放大倍数检测电路。总的电路实现的功能有：判断三极管的类型是NPN还是PNP，而且能对三极管放大倍数分为大于250、200250、150200、小于150共四个档位进行判断，并在值大于250的时候能够进行闪烁报警。电路中用发光二极管来指示被测三极管的值属于哪一个档位
15、。电路中可以手动调节四个档位值的具体大小。 图7图7是PNP管类型判断与放大倍数检测电路。总的电路实现的功能有：判断三极管的类型是NPN还是PNP，而且能对三极管放大倍数分为大于250、200250、150200、小于150共四个档位进行判断，并在值大于250的时候能够进行闪烁报警。电路中用发光二极管来指示被测三极管的值属于哪一个档位。电路中可以手动调节四个档位值的具体大小，而且NPN、PNP三极管档位的判断可以通过手动或自动切换。【PCB板】该电路的PCB板如图8所示 图8【故障及问题分析】1、首先，在根据电路图生成PCB板的时候，编译频繁报错，报告说没找到元件的电气属性，后来才发现是由于某
16、些器件是通过直接搜索得到的，没有将它所在的库添加进来，编译程序也就得不到它的电气属性，也就没法生成PCB板。将所有元件所在的库添加进来后，就能生成PCB板了。2、将元件全部插好，第一次调试的时候，不论怎么调节电位器，都只有第一个档位的发光二极管亮，而且，检测电路的灯不亮。仔细检查电路之后发现，稳压管的引脚没插紧导致集电极电位始终为高于10V。3、确认所有元件引脚插好后，再次接通电路，调节电位器，发现要么第一个档位的发光二极管亮，要么第三和第四个档位还有报警电路的发光二极管亮。逐点检查检测电路和分压电路的各点电位，发现那个阻值为2K的电阻两端对地电压很接近，取下来用万用表欧姆档测量其阻值，发现电
17、阻短路了，换了一个2K的电阻后，第一个、第二个档位的发光二极管可以随着电位器的调节而被轮流点亮，但是第三、第四档位的发光二级管总是要么一起亮，要么一起不亮。用电压表检测第三个芯片的输出电压，发现它的高电平和低电平都在4V左右，而其他两个芯片的高电平在11V左右，低电平在0.6V左右，故当集电极电位合适，本该让第三个档位的发光二极管单独发亮时，却由于输出低电平过高，将第四个档位的发光二极管点亮了，更换了芯片后，问题得到了解决。4、刚开始连电路时，接通电源后发现即使第四个档位的发光二极管亮了，报警电路的发光二极管也不亮。检查后发现报警电路中那个0.01F的电容接到了NE555的3管脚和地之间，将它
18、改接到5管脚和地之间后，报警电路就能正常工作了。5、一开始，我按照教材上的参数，三极管基极接了一个51K的电阻，集电极接了一个1K的电阻。但是经过计算后我发现，如果这两个电阻取这组值，可以测量的三极管放大倍数的上限值没能达到250。经过实验验证，我发现，通过增大基极电阻，减小集电极电阻可以提高三极管放大倍数测量的上限值，于是我最终在三极管的基极接了一个200K的电阻，在三极管的集电极接了一个220的电阻，经过计算后发现，通过调节电位器，可以判断出值位于150250之间的三极管，完成了实验要求的目标。6、关于提高要求部分的实验，我一开始以为只要将晶体管集电极和发射极的管脚接入位置互换就可以了，但
19、是我发现互换之后发光二极管还是不亮。一开始没想明白，后来仔细一想，才发现还有一个地方需要调整，需要将原本接在电源与基极之间的电阻改接到基极与地之间，做了这样的调整之后，PNP三极管放大倍数检测电路也就能正常工作了。【个人总结】这次电路实验，自己收获颇丰。一开始插电路板的时候，就因为没有合理地考虑布局，反反复复地插了若干次，弄得整个人非常烦躁，以至于越插越乱。等到自己真正静下心来，一会儿就插好了，可见，不论做什么事，都需要静心与耐心。在第二次课上，将电路板插好后第一次调试，不论怎样改变电位器的电阻值，都只有第一个灯亮。由于没有认真思考过怎样调试电路，后半节课就在那里傻愣着，面对着电路板毫无头绪，
20、不知道怎么调试。下课后回到宿舍时，认真思考了一下，就摸索出电路的调试方法了：用模拟万用表的电压档逐点测量可能出问题的电路中各点的电位，看看有无异常。第二天立刻跑到实验室中去测试这种方法，结果马上找到了那个短路的电阻。由此可见，面对困难时，傻愣着是没有用的。冷静下来，思考检测的方法才是最重要的，利用合适的调试方法，能很快地找到问题的所在。正是一次次对电路的调试与计算，我从一开始连这个实验应该出现的正确结果都不太懂到最后对整个电路了若指掌，对每一个关键点的电位和每一个元件的作用都做到了非常熟悉的地步，我渐渐懂得了要做好一个模拟电路板，最关键的还是要反反复复地去实验室做实验，实践出真知，有什么想法，有什么不明白的地方，在实验室做一做就明白了，做实验的次数越多，对这个电路也就越了解，我前前后后总共去了5次实验室，也算是次数比较多的了。正是这一次次实验，让我更加了解手中的电路，更加了解了书本上的知识。通过本次实验，我更加深刻的理解了三极管的工作原理，对NPN型和PNP型三极管的区别有了更深刻的认识。并且加深了对晶体管值意义的理解；了解掌握了电压比较器电路的实际使用；对NE555集成电路也有所了解。【参考文献】电子电路综合设计实验教程 北京邮电大学电路中心电子电路基础 北京邮电大学 电信工程学院电路与系统中心
