109 年 國立成功大學電機工程學系碩士班乙組《電子學》
第 1 題20 分
Consider the folded-cascode amplifier of Fig. 1 for the following case: , , and , To operate and at equal bias currents , and . While current source is implemented using the simple circuit and current source is realized using a cascoded circuit. The transistor ratios are selected so that each operates at an overdrive voltage of . (20%)
(a) What must the relationship of to be? (4%)
(b) What is the minimum dc voltage required across current source for proper operation? If a peak-to-peak signal swing is to be allowed at the drain of , what is the highest dc bias voltage that can be used at that node? (4%)
(c) What is the value of of , and hence what is the largest value to which can be set? (4%)
(d) What is the minimum dc voltage required across current-source for proper operation? (4%)
(e) Given the results of (c) and (d), what is the allowable range of signal swing at the output? (4%)
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核心觀念
本題考查 MOS 飽和區的過驅電壓、電流源的順從電壓,以及折疊疊接放大器的輸出擺幅。NMOS 與 PMOS 在飽和區的條件分別為:
MOS 飽和區電流大小為:
題目指定各管的過驅電壓皆為 ,且 。
解題方法
(a) 與 的偏壓電流相同,均為 ,而兩者的過驅電壓相同。由飽和區電流式可知:
因為 ,所以:
(b) 是由簡單 PMOS 電流源實現;為維持飽和,至少須滿足 ,因此 的最小順從電壓為 。
汲極電壓的峰對峰擺幅為 ,相對直流偏壓會向上擺動 。為使最高瞬間電壓仍不超過 ,其最高直流偏壓為:
(c) 為 PMOS,且工作於飽和區,因此:
第 2 題14 分
Consider the integrated-circuit CS amplifier in Fig. 2 for the case , and are matched, and . For : , , . For : . Neglecting the effect of the capacitance inevitably present at the output node.
(a) Find the low-frequency gain (5%)
(b) Find the 3-dB frequency (5%)
(c) Find the frequency of the zero (4%)
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核心觀念
本題考查:
- MOSFET 的跨導 與輸出電阻
- 電流鏡負載的共源級放大器
- 低頻電壓增益
- 的 Miller effect
- 高頻主極點與 feedforward zero
由於 、 匹配,且 ,故直流工作點可取
(a) 低頻增益
1. 計算 的跨導
因此
2. 計算輸出電阻
對 :
對 :
輸出端等效電阻為
低頻時電容視為開路,且 MOSFET 閘極沒有電流,因此
故低頻增益為
負號表示共源級反相。
(b) 3-dB 頻率
1. Miller 等效輸入電容
的
由於低頻增益約為
所以 在輸入端的 Miller 等效電容為
輸入端總等效電容:
第 3 題16 分
Fig. 3 shows the feedback circuit with the case , , , , and . For simplicity, neglect of each of and .
(a) Find the loop gain (4%)
(b) Find the voltage gain (4%)
(c) Find the input resistance (4%)
(d) Find the output resistance (4%)
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核心觀念
本題考查法拉第電磁感應定律與運動導體的感應電動勢:
其中磁通量為
由圖可知:
- 兩導軌間距:
- 左、右導電棒速度分別為 與
- 導電棒初始重合
- 磁場:
- 導軌單位長度電阻:
- 導電棒電阻忽略不計
解題方法
右棒相對左棒的速度為
因此經過時間 後,兩棒間距為
迴路面積為
所以磁通量為
感應電動勢:
導軌總長度為兩段導軌,故
第 4 題15 分
For the Class AB output stage shown in Fig. 4, we know that and are the major power BJTs which deliver current to load resistance . Please give your answer and brief explanation for the following questions: (15%)
(a) In addition to provide two voltage drop for biasing the and like the conventional diode-connected biasing circuit does, what is the major advantage of the input stage which consists of and ? (5%)
(b) What is the major purpose of the last stage which consists of and ? (5%)
(c) What is the major purpose of the resistors and ? (5%)
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核心觀念
本題考查 Class AB 互補式推挽輸出級的三項功能:
- 偏壓電路如何產生約 ,消除交越失真。
- 驅動級如何提供足夠的電流增益以驅動功率電晶體。
- 發射極電阻如何改善熱穩定性、限制電流並均分輸出電流。
題目未附上 Fig. 4 的完整電路圖;以下依題目所述之標準 Class AB 互補推挽架構作答,假設 為互補功率輸出電晶體, 分別接在其發射極與負載之間。
(a) 輸入級的主要優點
解題方法
傳統二極體連接偏壓電路只能提供約兩個 的偏壓電壓,使 與 在無輸入時略微導通,以降低交越失真。
由 組成的主動式偏壓/驅動級,除了提供約 的偏壓之外,還具有晶體管的電流增益,因此可提供較大的驅動電流。
主要優點
此級可作為前級與功率輸出級之間的緩衝與驅動級,具有:
- 較高的輸入阻抗,減少前級負載效應;
- 較低的輸出阻抗,能有效驅動 的基極;
- 提供額外電流增益,使前級不必直接供應功率晶體管所需的基極電流;
- 可使兩個輸出晶體管的導通轉換較平順,進一步降低交越失真。
因此,與單純二極體連接偏壓相比,其核心優勢是「兼具 偏壓與主動式電流驅動能力」。
(b) 最後級的主要目的
解題方法
是輸出功率晶體管,負載電流較大。若前級直接驅動它們,會受到功率晶體管基極電流與電流增益變動的影響。
與 所形成的最後驅動級,可在功率輸出晶體管之前提供額外的電流增益與緩衝作用。
主要目的
其主要功能是:
- 提供足夠的基極驅動電流給 ;
- 降低前級所需供應的電流;
- 降低功率晶體管基極電流變化對前級的負載效應;
- 改善輸出級的驅動能力與線性度;
- 使 的推挽導通轉換更加平順,降低交越失真。
第 5 題20 分
Fig. 5 shows a three-stage feedback amplifier: (20%)
has an differential input resistance, a open-circuit differential voltage gain, and a output resistance.
has a input resistance, a short-circuit transconductance, and a output resistance.
has an input resistance, unity open-circuit voltage gain, and a output resistance.
The feedback amplifier feeds a load resistance and is fed by a signal source with a resistance.
(a) If , find the value of that results in a closed-loop gain that is ideally . (4%)
(b) Find the feedback amplifier's input resistance . (4%)
(c) Find the feedback amplifier's output resistance . (4%)
(d) If the high-frequency response if the open-loop gain is dominated by a pole at , what is the upper frequency of the closed-loop gain? (4%)
(e) If for some reason, drops to half its nominal value, what is the percentage change in the closed-loop gain ? (4%)
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核心觀念
本題考查三級負回授放大器的:
- 開迴路增益
- 回授因子
- 迴路增益
- 負回授對輸入電阻、輸出電阻及頻寬的影響
- 增益對放大器參數變動的敏感度
依標準電壓串聯負回授架構,、 形成輸出電壓分壓器,因此
題目附圖與所述 Fig. 5 不一致,以下依標準負回授分壓架構作答。
解題方法
1. 計算各級實際增益
第一級 的輸入電阻為 ,但其輸出受到第二級輸入電阻 負載:
第二級為跨導放大器,其輸出負載為第三級輸入電阻 與自身輸出電阻 的並聯:
因此
第三級電壓增益為 ,但輸出受到 負載影響:
故含負載的開迴路增益為
(a) 求
理想閉迴路電壓增益為
要求
因此
此時
(b) 求回授放大器輸入電阻
電壓串聯負回授會使輸入電阻增加:
其中
且未回授輸入電阻為第一級差動輸入電阻:
因此
由於此輸入電阻遠大於信號源電阻 ,信號源造成的輸入衰減非常小。
(c) 求回授放大器輸出電阻
電壓負回授會使輸出電阻降低:
移除負載後,第三級輸出電阻 會與回授網路的等效電阻
第 6 題15 分
Please analysis and design an oscillator which uses a bistable circuit. (15%)
(a) Fig. 6. shows a square waveform generator. The positive and negative saturation levels of the op-amp used in the bistable circuit are and , respectively. The trigger levels are and . If , derive a relationship between the oscillator period and the time-constant . (5%)
(b) Follow 6(a), how to modify the circuit of Fig. 6 to generate a triangular waveform. You are allowed to use one more op amp. (5%)
(c) Based on the conditions of 6(a), please derive a relationship between the oscillator period and the RC for the circuit you design in 6(b). (5%)
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核心觀念
第 6 題考運算放大器雙穩態電路與 RC 弛張振盪器。雙穩態電路的輸出在 、 間切換;電容電壓則朝當下的輸出飽和值指數變化。加入積分器後,積分器把方波轉成三角波,三角波在雙穩態電路的兩個觸發準位間往返。
(a) 圖 6 的方波振盪週期
圖 6 中,電容透過 充放電,時間常數為 。輸出為 時,電容電壓由 上升到 ;輸出為 時,電容電壓由 下降到 。
輸出為 的半週期,由電容充電式
並令 ,得
輸出為 的半週期同理為
因此,一般情況下的週期為
代入 、,可寫成
若正、負飽和電壓大小相同,令 、,則兩個半週期相等:
故