毕业论文

1前言

目前市场上应用广泛的晶体管参数测试仪大多规模不同、功能不一、价格参差不齐。晶体管参数测试仪的功能往往因测量的参数不同而不同，有的测试仪采用模拟电路制作，用于观察、测量晶体管的放大系数、反向击穿电压、反向饱和电流、输入输出特性曲线等多种参数，其性能较好，精度也高，但是制作很复杂，体积较大，价格昂贵，不适合个人使用；有的测试仪采用数字电路制作，虽然价格低廉，体积小型化，但是测量的参数种类较少，测量精度也较低；有的则采用了通用的集成芯片实现，不仅制作相对简单，成本不高，使用方便，测试功能也有所增多。由此可见，在完成指定的参数测试基础上降低制作成本必将成为晶体管参数测试仪今后的发展趋势。

本文在参考借鉴大量晶体管参数测试仪设计文献的基础上，向大家介绍一种以AT89C51单片机最小系统为核心，集二极管、三极管基本参数测量于一体，旨在填补目前市场上多功能晶体管参数测试仪的空白。

2任务分析及方案确定2.1设计要求

基于单片机AT89C51设计一款晶体管参数测试仪，要求测试仪能够测试三极管的交直流放大特性参数、反向饱和电流、集电极-发射极反向击穿电压、输入输出特性曲线，同时也能够测试二极管的相关基本参数。

2.2设计方案

根据设计题目的要求，本系统主要由电压源电路、采样电路、放大电路、数据处理部分及显示输出电路等五大模块组成，以下是各模块电路设计方案的对比论证。2.2.1采样电路方案论证

方案一：直接测量三极管基极和集电极电阻两端的电压值。方案二：在三极管发射极串联一个电阻，测量发射极处的电流Ice。

方案三：用两路数据采集电路分别对基极电压和集电极电阻两端电压进行采样。分析比较三种采样电路的设计方案，发现方案一虽然方法简单，但是电路很复杂，所需较多运算放大器，而且测量精度不高，无法达到设计要求；方案二虽然便于放大检测，但是由于发射极存在电阻，很难确定基极的电位，导致基极电阻的选择比较困难，同时对Uce的确定也会带来一定的困难；方案三中基极电压经过普通运放组成的同向比例放大电路进行放大后送往AD采样。集电极电阻两端的电压也使用324运放进行放大。如果测试的三极管为PNP型，那么经过反向比例电路转换成正电压后在进行采样即可

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。且由于二极管只有一个PN结，根据PN结具有的单方向导电的特点，在测试二极

管时可以利用两个测试三极管所用的管脚插孔。综合考虑，方案三电路简单，测量精度较高，故采样电路的设计采样方案三。

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2.2.2测量电路方案论证2.2.2.1二极管测量电路方案

用恒流源向二极管提供反向电压，当电流表上的数值为二极管规定工作电流时，电压表所示即为二极管的反向电压值；当电压表上的数值为二极管规定工作电压时，电流表所示即为二极管的反向电流值。2.2.2.2三极管测量电路方案

方案一：用恒流源向基极提供10μa的恒定电流，使VCC=10V，基极电阻Rb=1M?。考虑到管压降取基极电阻Rb=910k，以保证基极电流恒定；用稳压管控制VCE=10V,以保证集电极-发射极极间电压恒定。

方案二：用恒流源向基极提供10μa的恒定电流，使VCC=10V，基极电阻Rb=1M?。考虑到管压降取基极电阻Rb=910k，以保证基极电流恒定，由于IB=10μa,β=50～300，故IC=0.5～3mA,取Rc=200?，VCE=9.95～9.7V，即VCE近似为10V，将集电极电压经运放放大，送至模数转换芯片进行采样。

方案三：用恒流源向基极提供10μa的恒定电流，使VCC=10V，基极电阻Rb=1M?。考虑到管压降取基极电阻Rb=910k，以保证基极电流恒定，由于IB=10μa,β=50～300，故IC=0.5～3mA，而Ie=(β+1)IB,则IE≈IC,取Rc=200?，VCE=9.95～9.7V，即VCE近似为10V，将发射极电压经运放放大，送至模数转换芯片进行采样。

分析比较三种测量电路的设计方案，发现方案一无法确定集电极的电流值，不便于采集集电极电流；方案二中集电极电阻值过小，不能起到限流的作用。综合考虑，方案三是最佳选择。

2.2.3结果显示方案论证

方案一：通过液晶显示屏输出测量所得的参数和特性曲线。方案二：通过上位计算机输出测量所得的结果。

分析比较上述两种显示方案，发现方案一简便易行，但遗憾的是显示精度不高；方案二显示精度较高，然而不够方便灵活，且实现需要两个全双工串行接口，实现比较困难。考虑到实际情况，为了能够方便最终结果的输出，所以设计中采用了液晶显示的输出方式。

2.3系统整体框图

整个系统的信息方框图如下图2-1所示：

电压源：为了系统能正常地运行，提供了VCE=10V,IB=10μa的特定测试条件，同时为了能够满足测量三极管反向击穿电压、输入输出特性曲线时的电压条件，设计了倍压电路及DA双极性电压输出电路，利用单片机控制以保证三极管基极和集电极电压采样的准确。

采样电路：利用两路数据采集电路分别对基极电压和集电极电阻两端电压进行采集，具有电路简单，电信号采样可靠，测量准确，输出精度高等优点。其中因为二极管

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只具有一个PN结，参数测试时可借用三极管插孔位，所以在系统电路设计时为了方便未另行设计二极管的采样电路。

放大电路：因为题目没有对运算放大器提出精度要求，所以本设计采用了常用的集成运算放大器LM324，其中一路运放用于满足NPN和PNP三极管电压测试需求，进行1:1的反向放大；另一路运放则是用于放大单片机输出电压以得到-10V到+10V连续变化的电压。

模数转换电路：电路中采用了ADC0809模数转换器，准确接收放大电路放大的模拟信号，经过变换，将数字信号通过74LS373传送到51单片机中处理。

AT89C51单片机控制模块：本设计采用了AT89C51单片机作为系统的模块控制芯片，主要用于对采集所得的数据进行处理，即参数计算，输出晶体管参数测试结果及特性曲线到液晶显示屏中；通过DA双极性电压输出电路控制输出电压从0-5V的渐变电压得到从-10V到+10V连续变化的电压，并反馈到电源处，以保证测试三极管输入输出特性曲线时的电压极性相反的要求，同时控制系统其它各部分协调工作。

显示电路：采用了带字库型的OCM12864液晶显示模块。该模块不仅功耗低，整体显示的质量较高，并能提供四组可定义显示，具有汉字、图片、动画、曲线显示等功能。遗憾的是该液晶模块只有一个驱动芯片，只能显示GB2312格式的文字，但由于本设计只需要求显示数字及特性曲线，无其他特殊要求，所以OCM12864显示模块足以完成实验的功能[2]。

图2-1系统总框图Figure2-1Systemblockdiagram

3电路工作原理与参数计算3.1晶体管的基本原理

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3.1.1二极管的基本原理

晶体二极管为一个由P型半导体和N型半导体组成的P-N结，在其界面两侧形成空间电荷层，形成自建电场。在电子电路中，二极管的正极接在低电位端，负极接在高电位端，此时二极管中几乎没有电流流过，二极管处于截止状态，这种连接方式称为反向偏置。当二极管处于反向偏置时，管内仍然会有微弱的反向电流流过，即反向阻断漏电流，此时二极管两端的电压称为反向阻断电压；当二极管两端的反向电压增大到某一数值时，P-N结空间电荷层中的电场强度达到临界值导致载流子的倍增，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象[3]。3.1.1.1反向阻断漏电流IR反向阻断漏电流IR是决定二极管关断状态损耗的重要参数。反向阻断电流是指二极管在规定的温度和最高反向电压作用下，管子末击穿时流过二极管的反向电流。反向电流越小，管子的单方向导电性能就越好。一般来说，反向阻断漏电流应当是很小的，但在反向过渡的过程中，反向电流的峰值对关断损耗的作用却是不可忽视的，而且反向漏电流随着结温的上升呈指数规律增加，所以在使用二极管时要注意温度对其的影响。3.1.1.2反向阻断电压VR二极管的反向阻断电压不仅是元器件本身的基本参数，还是其他半导体器件击穿电压设计的基础。众所周知，二极管的反向阻断电压与正向压降是矛盾对立的，即反向阻断电压增大会导致正向压降增大。因此，在利用二极管设计电路时，反向阻断电压值的大小是不容忽视的。3.1.2三极管的基本原理

三极管是电流放大器件，含有集电极C，基极B，发射极E三个极。三极管的内部由P型半导体和N型半导体组成了三层结构，根据分层的次序可分为NPN型和PNP型两大类，并且两者除了电源极性不同外，其工作原理都是相同的。

由于基区很薄，其多数载流子（空穴）浓度很低，从发射极扩散过来的电子只有很少部分可以和基区空穴复合，形成比较小的基极电流，而剩下的绝大部分电子都能扩散到集电结边缘。又由于集电结反向偏置，可将从发射区扩散到基区并到达集电区边缘的电子拉入集电区，从而形成较大的集电极电流[4]。因此集电极C处的电流变化量是基极B处的电流变化量的β倍，即电流值被放大了β倍，所以我们把β叫做三极管的放大系数（β一般远大于1）。当三极管的集电极-发射极电压Vce为常数时，基极电流IB与基极-发射极电压Vbe之间存在关系曲线，即输入特性；当三极管的基极电流IB一定时，集电极电流Ic与集电极-发射极电压Vce之间存在关系曲线，即输出特性。3.1.2.1直流放大特性参数β直流放大系数β的表达式为：β=(IC?ICEO)/IB≈IC/IBβ值在放大区内基本不变，在共发射极输出特性曲线上通过垂直于X轴的直线来求取IC/IB；在IC较小和IC较大时，都会有所减小，具体如下图3-1所示。根据

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