113 年 國立成功大學工程科學系碩士班甲組《電子電路》

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第 1 題20 分

  1. (20分) 電路如下圖所示

🖼️【此處有附圖,請對照原卷】

(1) 試證明運算放大器無法達到虛短路 (virtual short)? (7 分)
(2) 繪出 vov_o、v−v_-、viv_i 的時序圖? (9 分)
(3) 算出此振盪電路的振盪週期。 (4 分)

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核心觀念

本題是由:

  • 正回授非反相比較器(Schmitt trigger)
  • 反相端的 RCRC 充放電電路

所組成的自激振盪器。

運算放大器在負回授且工作於線性區時,才可使用虛短路:

v+=v−v_+=v_-

本電路具有正回授,運算放大器主要工作於飽和區,因此不能套用虛短路。

以下以圖中 v+v_+ 為題目所稱的 viv_i,並假設運算放大器輸出飽和值為 ±VS\pm V_S。


(1) 證明無法達到虛短路

非反相端由 R1R_1、R2R_2 組成正回授分壓器,因此

v+=R1R1+R2vov_+=\frac{R_1}{R_1+R_2}v_o

令

β=R1R1+R2\beta=\frac{R_1}{R_1+R_2}

則

v+=βvov_+=\beta v_o

當輸出飽和於正值時:

vo=+VS,v+=+βVSv_o=+V_S,\qquad v_+=+\beta V_S

當輸出飽和於負值時:

vo=−VS,v+=−βVSv_o=-V_S,\qquad v_+=-\beta V_S

反相端電壓 v−v_- 則由輸出經 RR、CC 充放電,其電壓會隨時間變化。當 v−v_- 尚未達到 v+v_+ 時,運算放大器的輸入差值會使輸出維持在某一飽和狀態;當 v−v_- 越過 v+v_+ 時,正回授會使輸出迅速翻轉。

若強行假設虛短路成立:

v−=v+v_-=v_+

代入運算放大器關係式

vo=A(v+−v−)v_o=A(v_+-v_-)

可得

vo=A(0)=0v_o=A(0)=0

但本電路的輸出必須在 +VS+V_S 與 −VS-V_S 之間切換,並非 00。因此,除去理想化的瞬間切換點外,運算放大器不可能維持 v−=v+v_-=v_+。

所以本電路不能使用虛短路,正確的判斷條件是:

vo={+VS,v+>v−−VS,v+<v−v_o= \begin{cases} +V_S,&v_+>v_-\\ -V_S,&v_+<v_- \end{cases}

也就是將運算放大器視為具有正回授的比較器。


(2) vov_o、v−v_-、viv_i 的時序圖

由於

vi=v+=βvov_i=v_+=\beta v_o

因此:

  • vov_o 是對稱方波;
  • viv_i 是幅度較小的同相方波;
  • v−v_- 是電容充放電形成的指數波形。

輸出狀態如下:

輸出狀態vi=v+v_i=v_+v−v_- 的動作翻轉條件
vo=+VSv_o=+V_S+βVS+\beta V_S向 +VS+V_S 充電v−v_- 上升至 +βVS+\beta V_S
vo=−VSv_o=-V_S−βVS-\beta V_S向 −VS-V_S 放電v−v_- 下降至 −βVS-\beta V_S

半週期開始時,輸出由 −VS-V_S 翻轉為 +VS+V_S。此時:

v−(0)=−βVSv_-(0)=-\beta V_S

電容經由 RR 向 +VS+V_S 充電:

v−(t)=VS+(−βVS−VS)e−t/RCv_-(t)=V_S+\left(-\beta V_S-V_S\right)e^{-t/RC}

即

v−(t)=VS−(1+β)VSe−t/RCv_-(t)=V_S-(1+\beta)V_S e^{-t/RC}

當 v−v_- 上升至 +βVS+\beta V_S 時,輸出再次翻轉:

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第 2 題20 分

  1. (20分) 電路如下圖所示

🖼️【此處有附圖,請對照原卷】

(1) 試求 ZZ? (10分)
(2) 利用上述電路設計全通濾波器 (all-pass filter), 並解釋其原理。 (10分)

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核心觀念

圖中是由兩個理想運算放大器構成的廣義阻抗轉換器(GIC)。它可把五個阻抗轉換成輸入端的等效阻抗:

Zi=Z1Z3Z5Z2Z4Z_i=\frac{Z_1Z_3Z_5}{Z_2Z_4}

本題中,Z1=R1Z_1=R_1、Z2=R2Z_2=R_2、Z3=R3Z_3=R_3、Z4=1/(sC4)Z_4=1/(sC_4)、Z5=R5Z_5=R_5。

(1)求輸入阻抗 ZiZ_i

理想運算放大器輸入電流為零,且在負回授下兩輸入端電壓相等。依電路的兩級回授關係,GIC 將各阻抗依上式轉換,因此

Zi=R1R3R5R2(1/(sC4))=sC4R1R3R5R2Z_i =\frac{R_1R_3R_5}{R_2\left(1/(sC_4)\right)} =sC_4\frac{R_1R_3R_5}{R_2}

電感的阻抗為 ZL=sLZ_L=sL,故此電路在輸入端等效為電感:

Leq=C4R1R3R5R2\boxed{L_{\mathrm{eq}}=C_4\frac{R_1R_3R_5}{R_2}}

(2)利用此電路設計全通濾波器

把上述 GIC 當成等效電感 LeqL_{\mathrm{eq}},代入二階主動全通濾波器的電感位置。全通濾波器的標準傳遞函數可寫為

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第 3 題20 分

  1. (20分) 電路如下圖所示

🖼️【此處有附圖,請對照原卷】

其中, −k-k 為放大器之增益。
(1) 求使上述電路振盪的 kk 值? (15分)
(2) 求振盪時的振盪頻率? (5分)

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核心觀念

本題考查三段等值 RCRC 相移網路與巴克豪生振盪條件:

A(jω)β(jω)=1A(j\omega)\beta(j\omega)=1

其中放大器增益為 A=−kA=-k,因此 RCRC 網路必須提供額外 180∘180^\circ 相位,且迴路總增益大小須為 11。

依題意採用理想放大器假設:輸入阻抗無限大,不對 RCRC 網路造成負載。

解題方法:求出 RCRC 網路轉移函數

令放大器輸出端為 v0v_0,三個電阻與電容交界節點依序為 v1,v2,v3v_1,v_2,v_3,其中 v3v_3 為放大器輸入端。令

x=sRCx=sRC

對三個節點列寫 KCL:

(1+2x)v1−xv2=xv0(1+2x)v_1-xv_2=xv_0 −xv1+(1+2x)v2−xv3=0-xv_1+(1+2x)v_2-xv_3=0 −xv2+(1+x)v3=0-xv_2+(1+x)v_3=0

由第三式得

v2=1+xxv3v_2=\frac{1+x}{x}v_3

代入第二式:

v1=1+3x+x2x2v3v_1=\frac{1+3x+x^2}{x^2}v_3

再代入第一式,可得三段 RCRC 網路的轉移函數:

β(s)=v3v0=x31+5x+6x2+x3\beta(s)=\frac{v_3}{v_0} =\frac{x^3}{1+5x+6x^2+x^3}

令 s=jωs=j\omega,並設

u=ωRCu=\omega RC

則

β(jω)=(ju)31+5ju+6(ju)2+(ju)3\beta(j\omega) = \frac{(ju)^3}{1+5ju+6(ju)^2+(ju)^3}

整理為

β(jω)=−ju3(1−6u2)+j(5u−u3)\beta(j\omega) = \frac{-ju^3}{(1-6u^2)+j(5u-u^3)}

為使 β(jω)\beta(j\omega) 成為負實數,其虛部必須為零,因此

1−6u2=01-6u^2=0

所以

u=16u=\frac{1}{\sqrt{6}}

即

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第 4 題20 分

  1. (20分) 差動放大器電路如下圖所示,其中二個電晶體為匹配電晶體(matched-transistors)且 β=100\beta=100,溫度為室溫。

🖼️【此處有附圖,請對照原卷】

(1) 求 π\pi-model 的小信號參數 gmg_m 與 rπr_\pi (忽略 ror_o)? (6分)
(2) 求輸入差動阻抗 RidR_{id}? (6分)
(3) 求 vovi\frac{v_o}{v_i}? (8分)

🖼️ 本題含圖表,以下為原卷對應頁面:
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核心觀念

本題考查 BJT 差動放大器的:

  • 靜態工作點與 π\pi-model 小信號參數
  • 發射極退化電阻對輸入阻抗的影響
  • 差動輸入下的虛擬接地
  • 差動輸出電壓增益

室溫取 VT≈25 mVV_T \approx 25\text{ mV},忽略 ror_o。


(1) 求 gmg_m 與 rπr_\pi

兩個電晶體匹配,且尾電流為 1 mA1\text{ mA},因此每支電晶體約分得:

IE≈1 mA2=0.5 mAI_E \approx \frac{1\text{ mA}}{2}=0.5\text{ mA}

較精確地考慮 β=100\beta=100 與 200 kΩ200\text{ k}\Omega 電阻,所得 ICI_C 約為 0.495 mA0.495\text{ mA}。採用一般考試近似 IC≈0.5 mAI_C\approx 0.5\text{ mA}:

gm=ICVT=0.5 mA25 mV=20 mSg_m=\frac{I_C}{V_T} =\frac{0.5\text{ mA}}{25\text{ mV}} =20\text{ mS}

又

rπ=βgm=10020 mS=5 kΩr_\pi=\frac{\beta}{g_m} =\frac{100}{20\text{ mS}} =5\text{ k}\Omega

因此:

gm≈20 mS\boxed{g_m\approx 20\text{ mS}} rπ≈5 kΩ\boxed{r_\pi\approx 5\text{ k}\Omega}

(2) 求輸入差動阻抗 RidR_{id}

在差動操作下,兩側發射極電流變化大小相等、方向相反,因此共同發射極節點為交流虛擬接地。

單側輸入阻抗為:

Rin,single=rπ+(β+1)RER_{in,\text{single}} =r_\pi+(\beta+1)R_E

其中 RE=150ΩR_E=150\Omega,所以:

Rin,single=5 kΩ+101(150Ω)R_{in,\text{single}} =5\text{ k}\Omega+101(150\Omega) Rin,single=5 kΩ+15.15 kΩ=20.15 kΩR_{in,\text{single}} =5\text{ k}\Omega+15.15\text{ k}\Omega =20.15\text{ k}\Omega

差動輸入阻抗為兩側串聯:

Rid=2Rin,singleR_{id}=2R_{in,\text{single}}
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第 5 題20 分

  1. (20分) 假設下列電路中的二極體皆為理想。

(1) 分析此電路並繪出 Vi−VoV_i - V_o 之特性曲線。(10分)
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】

(2) 分析此電路並繪出 Vi−VoV_i - V_o 之特性曲線。(10分)
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】

🖼️ 本題含圖表,以下為原卷對應頁面:
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核心觀念

本題考查:

  • 理想二極體的導通/截止狀態判斷。
  • 導通時視為短路,截止時視為開路。
  • 運算放大器的虛短與虛斷:
    • V+=V−V_+=V_-
    • 輸入端電流為零。
  • 分段線性電路分析:先假設二極體狀態,再以電路方程式驗證。

(1)二極體電阻電路

令左、右二極體之間的節點電壓為 vv。輸出端電壓為 VoV_o。

圖中 2.5 V2.5\text{ V} 與 10 V10\text{ V} 電源的上端皆為正端。

區段一:左二極體截止、右二極體導通

右二極體導通後,輸出端與節點 vv 等電位。左二極體截止時,15 kΩ15\text{ k}\Omega 中沒有電流,因此輸入端電壓尚未影響輸出。

由節點電壓分配:

v−2.510 kΩ+v−105 kΩ=0\frac{v-2.5}{10\text{ k}\Omega} + \frac{v-10}{5\text{ k}\Omega}=0

整理得:

5(v−2.5)+10(v−10)=05(v-2.5)+10(v-10)=0 15v=112.515v=112.5 v=Vo=7.5 Vv=V_o=7.5\text{ V}

左二極體截止的條件為:

Vi≤7.5 VV_i\leq 7.5\text{ V}

因此:

Vo=7.5 V,Vi≤7.5 VV_o=7.5\text{ V},\qquad V_i\leq 7.5\text{ V}

區段二:左右二極體皆導通

兩個理想二極體皆導通,因此各節點電壓相同,均為 VoV_o。

對該節點套用 KCL:

Vo−Vi15 kΩ+Vo−2.510 kΩ+Vo−105 kΩ=0\frac{V_o-V_i}{15\text{ k}\Omega} + \frac{V_o-2.5}{10\text{ k}\Omega} + \frac{V_o-10}{5\text{ k}\Omega}=0

乘以 30 kΩ30\text{ k}\Omega:

2(Vo−Vi)+3(Vo−2.5)+6(Vo−10)=02(V_o-V_i)+3(V_o-2.5)+6(V_o-10)=0 11Vo=2Vi+67.511V_o=2V_i+67.5

因此:

Vo=211Vi+13522V_o=\frac{2}{11}V_i+\frac{135}{22}

此區段由 Vo=7.5 VV_o=7.5\text{ V} 開始。右二極體電流降為零時,輸出電壓達到 10 V10\text{ V}:

10=211Vi+1352210=\frac{2}{11}V_i+\frac{135}{22}

解得:

Vi=21.25 VV_i=21.25\text{ V}

所以此區段為:

7.5≤Vi≤21.25 V7.5\leq V_i\leq21.25\text{ V}

區段三:左二極體導通、右二極體截止

當 VoV_o 上升至 10 V10\text{ V} 後,右二極體截止,輸出端沒有負載電流,因此由 5 kΩ5\text{ k}\Omega 電阻接至 10 V10\text{ V}:

Vo=10 VV_o=10\text{ V}

右二極體截止的條件為:

Vi≥21.25 VV_i\geq21.25\text{ V}

Vi−VoV_i-V_o 特性

Vo={7.5,Vi≤7.5 V211Vi+13522,7.5 V≤Vi≤21.25 V10,Vi≥21.25 V\boxed{ V_o= \begin{cases} 7.5, & V_i\leq 7.5\text{ V}\\[4pt] \dfrac{2}{11}V_i+\dfrac{135}{22}, & 7.5\text{ V}\leq V_i\leq21.25\text{ V}\\[8pt] 10, & V_i\geq21.25\text{ V} \end{cases}}

特性曲線的重要轉折點為:

(Vi,Vo)=(7.5,7.5),(21.25,10)(V_i,V_o)=(7.5,7.5),\qquad(21.25,10)

曲線先為 7.5 V7.5\text{ V} 的水平線,再以斜率 2/112/11 上升,最後固定在 10 V10\text{ V}。


(2)理想運算放大器與二極體電路

令:

🔒

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