109 年 國立中山大學電機工程學系碩士班甲組《電子學》

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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 Vt=0.7 VV_t = 0.7\text{ V}, VA=50 VV_A = 50\text{ V}, Rsig=120 kΩR_{\text{sig}} = 120\text{ k}\Omega, RG1=300 kΩR_{G1} = 300\text{ k}\Omega, RG2=200 kΩR_{G2} = 200\text{ k}\Omega, RD=5 kΩR_D = 5\text{ k}\Omega, RS=2 kΩR_S = 2\text{ k}\Omega, RL=5 kΩR_L = 5\text{ k}\Omega, and VDD=5 VV_{DD} = 5\text{ V}.

(a) Neglecting the channel length modulation effect, the MOSFET is operating in saturation with ID=0.5 mAI_D = 0.5\text{ mA} and VOV=0.3 VV_{OV} = 0.3\text{ V}. What must the MOSFET's μnCox(W/L)\mu_n C_{ox} (W/L) be? What is the dc voltage at the drain?

(b) Find the input resistance RinR_{\text{in}} and overall gain vo/vsigv_o / v_{\text{sig}} (VAV_A effect needs to be considered).

(c) If vsigv_{\text{sig}} is a sinusoid with a peak amplitude vsv_s, find the maximum allowable value of vsv_s for which the transistor remains in saturation. What is the corresponding amplitude of the output voltage?

(d) What is the value of resistance R3R_3 that needs to be inserted in series with capacitor CC3C_{C3} as shown in Fig. 2 in order to allow us to double the input signal peak amplitude vsv_s? 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 gmg_m、輸出電阻 ror_o
  • 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:CC3C_{C3} 為源極旁路電容,Fig. 2 中 R3R_3 與 CC3C_{C3} 串聯。


解題方法

(a) 求 μnCox(W/L)\mu_n C_{ox}(W/L) 與汲極直流電壓

忽略通道長度調變時,

ID=12μnCox(WL)VOV2I_D=\frac{1}{2}\mu_n C_{ox}\left(\frac WL\right)V_{OV}^2

因此

μnCox(WL)=2IDVOV2\mu_n C_{ox}\left(\frac WL\right) =\frac{2I_D}{V_{OV}^2}

代入 ID=0.5 mAI_D=0.5\text{ mA}、VOV=0.3 VV_{OV}=0.3\text{ V}:

μnCox(WL)=2(0.5 mA)(0.3 V)2\mu_n C_{ox}\left(\frac WL\right) =\frac{2(0.5\text{ mA})}{(0.3\text{ V})^2} μnCox(W/L)=11.1 mA/V2\boxed{\mu_n C_{ox}(W/L)=11.1\text{ mA/V}^2}

汲極直流電壓為

VD=VDD−IDRDV_D=V_{DD}-I_D R_D VD=5 V−(0.5 mA)(5 kΩ)V_D=5\text{ V}-(0.5\text{ mA})(5\text{ k}\Omega) VD=2.5 V\boxed{V_D=2.5\text{ V}}

另外,

VS=IDRS=(0.5 mA)(2 kΩ)=1 VV_S=I_D R_S=(0.5\text{ mA})(2\text{ k}\Omega)=1\text{ V}

故

VDS=VD−VS=2.5−1=1.5 VV_{DS}=V_D-V_S=2.5-1=1.5\text{ V}

而 VDS>VOV=0.3 VV_{DS}>V_{OV}=0.3\text{ V},確實工作於飽和區。


(b) 求 RinR_{\mathrm{in}} 與整體電壓增益

1. 小訊號參數

跨導:

gm=2IDVOV=2(0.5 mA)0.3 V=3.33 mSg_m=\frac{2I_D}{V_{OV}} =\frac{2(0.5\text{ mA})}{0.3\text{ V}} =3.33\text{ mS}

考慮 VAV_A 後的輸出電阻:

ro=VAID=50 V0.5 mA=100 kΩr_o=\frac{V_A}{I_D} =\frac{50\text{ V}}{0.5\text{ mA}} =100\text{ k}\Omega

汲極端等效電阻:

RD′=RD∥RL=5 kΩ∥5 kΩ=2.5 kΩR_D'=R_D\parallel R_L =5\text{ k}\Omega\parallel5\text{ k}\Omega =2.5\text{ k}\Omega

2. 輸入電阻

MOSFET 閘極沒有直流電流,因此

Rin=RG1∥RG2R_{\mathrm{in}}=R_{G1}\parallel R_{G2} Rin=300 kΩ∥200 kΩR_{\mathrm{in}} =300\text{ k}\Omega\parallel200\text{ k}\Omega Rin=120 kΩ\boxed{R_{\mathrm{in}}=120\text{ k}\Omega}

3. 放大器本身的增益

中頻時 CC3C_{C3} 視為短路,源極為交流接地。考慮 ror_o:

Av=vovg=−gm(RD∥RL∥ro)A_v=\frac{v_o}{v_g} =-g_m(R_D\parallel R_L\parallel r_o) RD∥RL∥ro=5 kΩ∥5 kΩ∥100 kΩ=2.439 kΩR_D\parallel R_L\parallel r_o =5\text{ k}\Omega\parallel5\text{ k}\Omega\parallel100\text{ k}\Omega =2.439\text{ k}\Omega

所以

Av=−(3.33 mS)(2.439 kΩ)A_v=-(3.33\text{ mS})(2.439\text{ k}\Omega) Av=−8.13A_v=-8.13

訊號源至閘極的分壓為

vgvsig=RinRsig+Rin\frac{v_g}{v_{\mathrm{sig}}} =\frac{R_{\mathrm{in}}}{R_{\mathrm{sig}}+R_{\mathrm{in}}} vgvsig=120 kΩ120 kΩ+120 kΩ=0.5\frac{v_g}{v_{\mathrm{sig}}} =\frac{120\text{ k}\Omega}{120\text{ k}\Omega+120\text{ k}\Omega} =0.5

因此整體增益為

vovsig=Avvgvsig=(−8.13)(0.5)\frac{v_o}{v_{\mathrm{sig}}} =A_v\frac{v_g}{v_{\mathrm{sig}}} =(-8.13)(0.5) vovsig=−4.07\boxed{\frac{v_o}{v_{\mathrm{sig}}}=-4.07}

(c) 最大輸入訊號與輸出振幅

飽和區條件為

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第 2 題20 分

For the follower circuit in Fig. 3, let transistor Q1Q_1 has β=50\beta = 50 and transistor Q2Q_2 has β=100\beta = 100, VCC=5 VV_{CC} = 5\text{ V}, RB1=RB2=1 MΩR_{B1} = R_{B2} = 1\text{ M}\Omega, I1=50 μAI_1 = 50\text{ }\mu\text{A}, I2=5 mAI_2 = 5\text{ mA} and neglect the Early effect. Use constant voltage drop model of VBE=0.7 VV_{BE} = 0.7\text{ V}. Thermal voltage VT=25 mVV_T = 25\text{ mV}.

(a) Find the dc emitter current and the dc base voltage of Q1Q_1 transistor.

(b) If a load resistance RL=1 kΩR_L = 1\text{ k}\Omega is connected to the output terminal, find the voltage gain from the base to the emitter of Q2Q_2 and the input resistance Rib2R_{\text{ib2}} looking into the base of Q2Q_2.

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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:

    IB=IEβ+1I_B=\frac{I_E}{\beta+1}

  • 射極追隨器電壓增益:

Av=vevb=(β+1)RLrπ+(β+1)RLA_v=\frac{v_e}{v_b} =\frac{(\beta+1)R_L}{r_\pi+(\beta+1)R_L}
  • 小訊號參數:

    gm=ICVT,rπ=βgmg_m=\frac{I_C}{V_T},\qquad r_\pi=\frac{\beta}{g_m}

因題圖未包含 Fig. 3,以下採用標準雙級射極追隨器配置:Q1Q_1 的射極直接接至 Q2Q_2 的基極,RB1R_{B1}、RB2R_{B2} 由 VCCV_{CC} 接至各級基極,I1I_1、I2I_2 為射極端偏壓電流源。

解題方法

(a) Q1Q_1 的直流射極電流與基極電壓

先計算 Q2Q_2 的基極電流:

IB2=I2β2+1=5 mA101=49.505 μAI_{B2}=\frac{I_2}{\beta_2+1} =\frac{5\text{ mA}}{101} =49.505\ \mu\text{A}

在 Q1Q_1 射極節點套用 KCL。Q1Q_1 的射極電流需供應電流源 I1I_1,並扣除由 RB2R_{B2} 提供給 Q2Q_2 基極的電流:

IE1=I1+IB2−IRB2I_{E1}=I_1+I_{B2}-I_{RB2}

其中

IRB2=VCC−VB2RB2I_{RB2}=\frac{V_{CC}-V_{B2}}{R_{B2}}

又因為 Q1Q_1 為射極追隨器:

VB2=VE1=VB1−0.7V_{B2}=V_{E1}=V_{B1}-0.7

且

VB1=VCC−IB1RB1V_{B1}=V_{CC}-I_{B1}R_{B1} IB1=IE1β1+1=IE151I_{B1}=\frac{I_{E1}}{\beta_1+1} =\frac{I_{E1}}{51}

因此

VE1=5−IE151(1 MΩ)−0.7=4.3−IE151(1 MΩ)V_{E1} =5-\frac{I_{E1}}{51}(1\text{ M}\Omega)-0.7 =4.3-\frac{I_{E1}}{51}(1\text{ M}\Omega)

所以

IRB2=5−VE11 MΩ=0.7 μA+IE151I_{RB2} =\frac{5-V_{E1}}{1\text{ M}\Omega} =0.7\ \mu\text{A}+\frac{I_{E1}}{51}

代回 KCL:

IE1=50+49.505−0.7−IE151(μA)I_{E1} =50+49.505-0.7-\frac{I_{E1}}{51} \quad(\mu\text{A}) IE1=96.9 μAI_{E1}=96.9\ \mu\text{A}

接著求 Q1Q_1 基極電壓:

IB1=96.9 μA51=1.90 μAI_{B1}=\frac{96.9\ \mu\text{A}}{51} =1.90\ \mu\text{A}
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第 3 題15 分

A current-mirror-loaded MOS differential amplifier of the type shown in Fig. 4 is specified as follows: (W/L)n=100(W/L)_n = 100, (W/L)p=200(W/L)_p = 200, μnCox=2μpCox=0.2 mA/V2\mu_n C_{ox} = 2\mu_p C_{ox} = 0.2\text{ mA/V}^2, VAn=∣VAp∣=20 VV_{An} = |V_{Ap}| = 20\text{ V}, and I=0.8 mAI = 0.8\text{ mA}.

(a) Calculate the differential gain AdA_d.

(b) Let the output resistance of current source is 25 kΩ25\text{ k}\Omega. Calculate common-mode gain ∣Acm∣|A_{\text{cm}}| 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 gmg_m
  • MOS 飽和區輸出電阻 ror_o
  • 差動增益 AdA_d
  • 有限尾電流源輸出電阻造成的共模增益 AcmA_{\mathrm{cm}}
  • 共模拒斥比

每支輸入 NMOS 的靜態電流為

ID=I2=0.8 mA2=0.4 mAI_D=\frac{I}{2} =\frac{0.8\ \mathrm{mA}}{2} =0.4\ \mathrm{mA}

NMOS 的導電參數為

μnCox(WL)n=0.2×100=20 mA/V2\mu_n C_{ox}\left(\frac WL\right)_n =0.2\times100 =20\ \mathrm{mA/V^2}

因此

gm=2μnCox(WL)nIDg_m=\sqrt{2\mu_n C_{ox}\left(\frac WL\right)_n I_D} gm=2(20)(0.4)=4 mSg_m=\sqrt{2(20)(0.4)} =4\ \mathrm{mS}

由於 PMOS 也有相同的導電參數:

μpCox(WL)p=0.1×200=20 mA/V2\mu_p C_{ox}\left(\frac WL\right)_p =0.1\times200 =20\ \mathrm{mA/V^2}

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

ron=VAnID=200.4 mA=50 kΩr_{on}=\frac{V_{An}}{I_D} =\frac{20}{0.4\ \mathrm{mA}} =50\ \mathrm{k}\Omega rop=∣VAp∣ID=200.4 mA=50 kΩr_{op}=\frac{|V_{Ap}|}{I_D} =\frac{20}{0.4\ \mathrm{mA}} =50\ \mathrm{k}\Omega

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

Ad=gm(ron∥rop)A_d=g_m(r_{on}\parallel r_{op})

輸出端等效電阻為

ron∥rop=50 kΩ∥50 kΩ=25 kΩr_{on}\parallel r_{op} =50\ \mathrm{k}\Omega\parallel50\ \mathrm{k}\Omega =25\ \mathrm{k}\Omega

因此

Ad=(4 mS)(25 kΩ)A_d=(4\ \mathrm{mS})(25\ \mathrm{k}\Omega) Ad=100 V/V\boxed{A_d=100\ \mathrm{V/V}}

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

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第 4 題25 分

Consider a CC-CE amplifier such as that in Fig. 5 with the following specifications: I1=I2=1 mAI_1 = I_2 = 1\text{ mA} and identical transistors with β=100\beta = 100, fT=400 MHzf_T = 400\text{ MHz}, and Cπ=2 pFC_\pi = 2\text{ pF}. Thermal voltage VT=25 mVV_T = 25\text{ mV}. Let the amplifier be fed with a source vsigv_{\text{sig}} having a resistance Rsig=4 kΩR_{\text{sig}} = 4\text{ k}\Omega, and assume a load resistance RL=4 kΩR_L = 4\text{ k}\Omega. Find the midband voltage gain vo/vsigv_o / v_{\text{sig}} and estimate the 3-db frequency fHf_H 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:Q1Q_1 是射極追隨器,負責緩衝;Q2Q_2 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:

fH≈12π∑iτi,τi=RiCif_H \approx \frac{1}{2\pi\sum_i \tau_i}, \qquad \tau_i=R_iC_i

其中 RiR_i 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,Q1Q_1 射極接到 Q2Q_2 基極,Q2Q_2 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 I2=1 mAI_2=1\,\text{mA} 得 Q2Q_2 的集極電流為 1 mA1\,\text{mA}。因此:

gm1=gm2=ICVT=1 mA25 mV=40 mSg_{m1}=g_{m2}=\frac{I_C}{V_T} =\frac{1\,\text{mA}}{25\,\text{mV}} =40\,\text{mS} rπ1=rπ2=βgm=1000.04=2.5 kΩr_{\pi1}=r_{\pi2}=\frac{\beta}{g_m} =\frac{100}{0.04} =2.5\,\text{k}\Omega

Q2Q_2 基極電流為 10 μA10\,\mu\text{A},由 Q1Q_1 射極供應,故 Q1Q_1 射極電流為 1.01 mA1.01\,\text{mA},而 Q1Q_1 集極電流仍為 1 mA1\,\text{mA}。

中頻電壓增益

Q2Q_2 基極看入電阻為 rπ2=2.5 kΩr_{\pi2}=2.5\,\text{k}\Omega。因此 Q1Q_1 基極看入電阻為:

Rin,1=rπ1+(β+1)rπ2=2.5 kΩ+101(2.5 kΩ)=255 kΩR_{\text{in,1}} =r_{\pi1}+(\beta+1)r_{\pi2} =2.5\,\text{k}\Omega+101(2.5\,\text{k}\Omega) =255\,\text{k}\Omega

訊號源至 Q1Q_1 基極的分壓比為:

vb1vsig=255255+4=0.9846\frac{v_{b1}}{v_{\text{sig}}} =\frac{255}{255+4} =0.9846

Q1Q_1 射極追隨器的電壓增益為:

ve1vb1=(β+1)rπ2rπ1+(β+1)rπ2=252.5255=0.9902\frac{v_{e1}}{v_{b1}} =\frac{(\beta+1)r_{\pi2}} {r_{\pi1}+(\beta+1)r_{\pi2}} =\frac{252.5}{255} =0.9902

Q2Q_2 為共射極級,交流負載為 RL=4 kΩR_L=4\,\text{k}\Omega,故:

vovb2=−gm2RL=−(0.04)(4000)=−160\frac{v_o}{v_{b2}}=-g_{m2}R_L =-(0.04)(4000)=-160

合併兩級:

vovsig=vb1vsigve1vb1vovb2=(0.9846)(0.9902)(−160)≈−155.9\frac{v_o}{v_{\text{sig}}} =\frac{v_{b1}}{v_{\text{sig}}} \frac{v_{e1}}{v_{b1}} \frac{v_o}{v_{b2}} =(0.9846)(0.9902)(-160) \approx -155.9
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