109 年 國立中山大學電機工程學系碩士班甲組《電子學》
第 1 題40 分
Please note that all calculation answers must include the unit and calculation process.
The NMOS transistor in the CS amplifier shown in Fig. 1 has , , , , , , , , and .
(a) Neglecting the channel length modulation effect, the MOSFET is operating in saturation with and . What must the MOSFET's be? What is the dc voltage at the drain?
(b) Find the input resistance and overall gain ( effect needs to be considered).
(c) If is a sinusoid with a peak amplitude , find the maximum allowable value of for which the transistor remains in saturation. What is the corresponding amplitude of the output voltage?
(d) What is the value of resistance that needs to be inserted in series with capacitor as shown in Fig. 2 in order to allow us to double the input signal peak amplitude ? What output voltage now results?
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核心觀念
本題考查共源極(CS)放大器的:
- MOSFET 偏壓與飽和區條件
- 跨導 、輸出電阻
- 電壓增益與輸入電阻
- 最大不失真輸入/輸出振幅
- 源極旁路電容串聯電阻所造成的源極負回授
題目未附上 Fig. 1、Fig. 2 的電路圖,以下依標準 CS 電路假設: 為源極旁路電容,Fig. 2 中 與 串聯。
解題方法
(a) 求 與汲極直流電壓
忽略通道長度調變時,
因此
代入 、:
汲極直流電壓為
另外,
故
而 ,確實工作於飽和區。
(b) 求 與整體電壓增益
1. 小訊號參數
跨導:
考慮 後的輸出電阻:
汲極端等效電阻:
2. 輸入電阻
MOSFET 閘極沒有直流電流,因此
3. 放大器本身的增益
中頻時 視為短路,源極為交流接地。考慮 :
所以
訊號源至閘極的分壓為
因此整體增益為
(c) 最大輸入訊號與輸出振幅
飽和區條件為
第 2 題20 分
For the follower circuit in Fig. 3, let transistor has and transistor has , , , , and neglect the Early effect. Use constant voltage drop model of . Thermal voltage .
(a) Find the dc emitter current and the dc base voltage of transistor.
(b) If a load resistance is connected to the output terminal, find the voltage gain from the base to the emitter of and the input resistance looking into the base of .
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核心觀念
本題考查雙級射極追隨器的直流偏壓與小訊號分析:
-
射極電流、基極電流關係:
-
射極追隨器電壓增益:
-
小訊號參數:
因題圖未包含 Fig. 3,以下採用標準雙級射極追隨器配置: 的射極直接接至 的基極,、 由 接至各級基極,、 為射極端偏壓電流源。
解題方法
(a) 的直流射極電流與基極電壓
先計算 的基極電流:
在 射極節點套用 KCL。 的射極電流需供應電流源 ,並扣除由 提供給 基極的電流:
其中
又因為 為射極追隨器:
且
因此
所以
代回 KCL:
接著求 基極電壓:
第 3 題15 分
A current-mirror-loaded MOS differential amplifier of the type shown in Fig. 4 is specified as follows: , , , , and .
(a) Calculate the differential gain .
(b) Let the output resistance of current source is . Calculate common-mode gain and CMRR (in dB).
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核心觀念
本題考查電流鏡負載 MOS 差動放大器的:
- MOS 差動對的跨導
- MOS 飽和區輸出電阻
- 差動增益
- 有限尾電流源輸出電阻造成的共模增益
- 共模拒斥比
每支輸入 NMOS 的靜態電流為
NMOS 的導電參數為
因此
由於 PMOS 也有相同的導電參數:
所以電流鏡中的 PMOS 亦可提供相同大小的跨導。
MOS 輸出電阻為
解題方法
(a) 差動增益
對差動輸入而言,電流鏡負載會將左支路的訊號電流鏡射到右側輸出端,使輸出端的訊號電流加倍。因此,電流鏡負載差動對的差動增益可寫成
輸出端等效電阻為
因此
增益正負號取決於題目對輸入差動電壓及輸出電壓的定義;通常本題要求的是增益大小。
(b) 共模增益與 CMRR
理想尾電流源具有無限大的輸出電阻,共模輸入不會造成輸出變化。實際上尾電流源的輸出電阻有限,會使共模訊號產生小幅輸出。
對稱差動對的共模增益近似為
第 4 題25 分
Consider a CC-CE amplifier such as that in Fig. 5 with the following specifications: and identical transistors with , , and . Thermal voltage . Let the amplifier be fed with a source having a resistance , and assume a load resistance . Find the midband voltage gain and estimate the 3-db frequency by the method of open-circuit time constants (please show the value of each time constant).
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核心觀念
本題考查兩級串接的共集極-共射極放大器: 是射極追隨器,負責緩衝; 是共射極級,提供反相電壓增益。中頻時耦合電容視為短路,計算總增益;高頻時用開路時間常數法估算上限頻率:
其中 是將其他電容開路、獨立訊號源歸零後,從該電容兩端看入的等效電阻;計算時須保留電晶體的小訊號受控源。
解題方法
依圖中電路, 射極接到 基極, 射極接地。兩個電流源視為理想,交流小訊號下開路,並忽略 Early 效應。
由 得 的集極電流為 。因此:
基極電流為 ,由 射極供應,故 射極電流為 ,而 集極電流仍為 。
中頻電壓增益
基極看入電阻為 。因此 基極看入電阻為:
訊號源至 基極的分壓比為:
射極追隨器的電壓增益為:
為共射極級,交流負載為 ,故:
合併兩級: