109 年 國立成功大學電機資訊學院碩士班─微電、奈米聯招《電子學》
第 1 題20 分
Consider the folded-cascode amplifier of Fig. 1 for the following case: V, , and V. To operate and at equal bias currents , where and . While current source is implemented using the simple circuit and current source is realized using a cascoded circuit. The transistor W/L ratios are selected so that each operates at an overdrive voltage of V. (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 -V 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
本題用到 MOSFET 飽和區的平方律電流、PMOS 與 NMOS 的過驅電壓關係,以及電流源的順從電壓。最大輸出範圍由上下兩端的元件何時剛好離開飽和區決定。
解題方法
依原卷圖, 是源極接地的 NMOS,汲極接在節點 ; 是由 向 供電的簡單 PMOS 電流源。 是源極接 、閘極接 、汲極接輸出的 PMOS; 則是由輸出端向地汲取電流的疊接電流源。原卷給定 、,且各電晶體的過驅電壓為 ;、 的偏壓電流各為 ,因此 、。
(a) 求 與 的關係
兩管偏壓電流相等,且過驅電壓相同。以飽和區平方律比較:
因此
(b) 求 的最低電壓與 的最高直流偏壓
簡單 PMOS 電流源要維持飽和,須滿足 ,故 兩端的最低電壓為
因此 的最高瞬時電壓為 。 峰對峰訊號以直流偏壓為中心,峰值振幅為 ,所以
(c) 求 的 與 最大值
PMOS 的過驅電壓為 ,因此
第 2 題14 分
Consider the integrated-circuit CS amplifier in Fig. 2 for the case µA, and are matched, and kΩ. For : µA/V, V, µm/1.0 µm, pF, pF. For : V. Neglecting the effect of the capacitance inevitably present at the output node. (14%)
(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 NMOS 共源放大器搭配 PMOS 電流鏡負載的中高頻特性:
- 由 MOSFET 飽和區電流公式求 。
- 由 Early 電壓求 。
- 以 求低頻增益。
- 以 Miller effect 處理 ,求輸入主導極點。
- 由 的前饋路徑判斷右半平面零點。
由於 、 匹配且 ,靜態時
(a) 低頻增益
1. 求 的跨導
飽和區 MOSFET 的跨導為
因此
2. 求輸出電阻
對 :
對 :
輸出端等效電阻為
3. 低頻電壓增益
低頻時電容視為開路,且 MOSFET 閘極沒有輸入電流,因此 。故
(b) -dB 頻率
1. Miller 等效輸入電容
共源級的電壓增益為 ,因此 會被 Miller effect 放大:
代入數值:
第 3 題16 分
Fig. 3 shows the feedback circuit with the case mA/V, kΩ, kΩ, kΩ, and kΩ. For simplicity, neglect of each of and . (16%)
(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
本題考查負回授放大器的:
- 迴路增益
- 負回授電壓增益
- 輸入電阻
- 輸出電阻
一般負回授公式為
但各電阻的變化必須依回授拓撲判定:
- 串聯混合: 增加
- 並聯混合: 降低
- 電壓取樣: 降低
- 電流取樣: 增加
題圖資訊不足
目前附上的掃描圖是另一題「半波整流器與 PMMC 儀表」的電路,圖中沒有本題所述的 、、、 回授電路 Fig. 3。因此無法確定:
- 、 的串接方式
- 回授訊號取自電壓或電流
- 、 的實際連接位置
- 、 的定義與量測節點
- 回授係數 的方向與極性
在缺少 Fig. 3 的情況下,、、 與 都沒有唯一答案;僅由元件數值無法推導出確定結果。
解題方法
取得 Fig. 3 後,應依下列步驟計算:
- 將 、 以小訊號模型取代,並令 。
- 由電路求出前向增益 。
- 令輸入源歸零,從輸出端求回授網路的 。
- 計算
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 82-kΩ differential input resistance, a 20-V/V open-circuit differential voltage gain, and a 3.2-kΩ output resistance.
has a 5-kΩ input resistance, a 20-mA/V short-circuit transconductance, and a 20-kΩ output resistance.
has an 20-kΩ input resistance, unity open-circuit voltage gain, and a 1-kΩ output resistance.
The feedback amplifier feeds a 1-kΩ load resistance and is fed by a signal source with a 9-kΩ resistance.
(a) If kΩ, find the value of that results in a closed-loop gain that is ideally 5V/V. (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 100Hz, what is the upper 3-dB 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
本題是典型的「電壓串聯負回授放大器」:
- 輸入端以串聯方式比較 與回授電壓。
- 輸出端取樣電壓。
- 、 形成回授分壓器。
- 負回授基本公式為
其中 為開迴路增益, 為回授因子, 為迴路增益。
解題方法
(a) 求
理想情況下,第一級輸入差動電壓趨近於零,因此回授分壓電壓等於輸入電壓:
要求理想閉迴路增益為 :
因此
(b) 求閉迴路輸入電阻
先求三個放大級的開迴路增益。
第一級
的輸出電阻為 ,而 的輸入電阻為 ,故第一級實際增益為
第二級
的輸出電阻為 ,且被 的輸入電阻 負載:
因此
第三級
的輸出電阻為 ,負載也是 :
因此,考慮負載後的前向增益為
由於輸入源電阻 ,輸入差動電阻為 ,實際迴路增益約為
故輸入電阻因串聯負回授而提高:
更精確計算回授網路負載後:
所以
(c) 求閉迴路輸出電阻
電壓串聯負回授會使輸出電阻降低: