108 年 國立中正大學光機電整合工程研究所《電子學》
第 1 題10 分
Assuming the op-amp is ideal, calculate the input impedance of the circuit shown in Fig. P1.
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Fig. P1 所示電路中,op-amp 反相輸入端串接電阻 ,回授電阻為 ;同相輸入端串接電阻 ,訊號由 端輸入。
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核心觀念
理想運算放大器在負回授且工作在線性區時,兩輸入端電壓相等,且輸入端電流為零:
輸入阻抗定義為輸入端電壓除以流入電路的輸入電流:
解題方法
反相端由輸出端經 與接地端經 組成分壓器,因此
理想運算放大器的虛短條件給出 。同相端沒有輸入電流,故輸入端電壓就是 :
第 2-(a) 題12 分
Fig. P2 shows an amplifier with the midband gain and the three left-half-plane poles of , , and . The capacitor is for the Miller's compensation.
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
Draw the Bode diagram (both magnitude and phase) of this amplifier without .
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核心觀念
不接補償電容 時,放大器由直流增益與三個左半平面極點決定。每遇到一個極點,波德幅度圖的斜率就再下降 ;相位則由 逐步降至 。
令 為頻率,增益可寫成
其中 。
解題方法:幅度圖
每個極點頻率處斜率增加 。依序標出三個轉折頻率,並由初始增益 算出各段漸近線:
| 頻率範圍 | 漸近線斜率 | 漸近線增益 |
|---|---|---|
| 在 降至 | ||
| 在 約為 | ||
| 由約 繼續下降 |
第三個轉折點的漸近線增益為
第 2-(b) 題10 分
Referring to the amplifier described in Problem 2 (midband gain , poles at , , and ):
Find the unity-gain frequency of the open-loop gain without compensation .
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核心觀念
本題旨在評量多極點放大器(Multi-pole Amplifier)在未補償(Uncompensated)狀態下的開迴路頻率響應與單位增益頻率(Unity-Gain Frequency, 或 )。
- 開迴路傳遞函數:
三極點放大器的開迴路增益函數表示為: 其大小響應(Magnitude Response)為: - 單位增益頻率定義:
使開迴路增益大小下降至 (即 )的頻率 ,滿足: - 波德漸近線(Bode Asymptote)規律:
- 每通過一個極點,幅頻響應斜率遞減 。
- 增益落差公式:。
解題方法
題目給定參數:
- 中頻增益
- 極點頻率:、、
方法一:波德圖漸近線近似法(考場首選標準解法)
先逐段追蹤漸近線在各極點頻率處的增益值:
- :
增益維持平坦,為 。 - 至 (跨越 1 個 decade):
- 斜率為 。
- 在 處的增益:
- 至 :
- 斜率變為 。
- 頻率比值為 。
- 在 處的增益:
- :
- 由於在 處增益仍有約 ,可知單位增益頻率 必定落在第三個極點 之後。
- 超過 後,斜率進一步變為 。
- 令增益自 下降至 :
第 2-(c) 題10 分
Referring to the amplifier described in Problem 2 and the circuit of Fig. P2:
If compensation capacitor is applied as shown in Fig. P2 so that the phase margin is when the transfer ratio of the feedback network , the second pole after compensation is shifted to whereas the pole at remains unchanged.
Find the required dominant-pole location after compensation.
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核心觀念
相位裕度定義為增益交越頻率處距離 的相位差。三個左半平面極點的開迴路相位為
相位裕度為 時,增益交越頻率處的總極點相位角為 ;同一頻率也必須滿足 。
解題方法
開迴路中頻增益為 ,回授網路增益大小為 ,因此低頻迴路增益為
令補償後的主極點為 ,增益交越頻率為 。已知另外兩個極點為 與 ,相位裕度條件給出
第 2-(d) 題8 分
Referring to the amplifier described in Problem 2:
Given that the voltage gain of the amplifier is and the node resistance at node is , determine the value of to achieve the Miller's compensation with the dominant pole found in part (c).
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核心觀念
本題考查多級放大器的**頻率補償(Frequency Compensation)中的密勒補償(Miller's Compensation / Pole Splitting)**觀念:
- 密勒效應(Miller Effect):
跨接在增益為 的反相放大級輸入與輸出之間的電容 ,等效至輸入端的密勒電容為: - 主極點(Dominant Pole):
放大器在補償節點(本題為節點 )所形成的等效極點頻率可表示為: 或以赫茲()表示: 其中:- :節點 的等效輸出電阻(Node Resistance)。
- :補償跨接級之電壓增益(Voltage Gain)。
- :補償電容(Compensation Capacitor)。
- (或 ):題目前一小題 (c) 所求得之主極點頻率。
解題方法
- 題目資訊統整:
- 放大器跨接增益 (即 )。
- 節點 之等效電阻 。
- 在密勒補償架構下,補償後由節點 視入的等效電容主要由密勒等效電容主導:
- 決定補償電容 之通用公式:
若以角頻率 表示 (c) 小題求得之主極點: 若以頻率 表示 (c) 小題求得之主極點: 代入題目已知數值:
第 3 題12 分
The circuit shown in Fig. P3 is designated with , , , and . Please determine the values of and .
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Fig. P3 電路說明:電源為 , 與 分壓偏壓 NMOS ,汲極接 電阻至 ,源極接 電阻至地。汲極電流 ,源極電壓 。
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核心觀念
本題結合 NMOS 飽和區電流式、分壓偏壓,以及源極節點的基爾霍夫電流定律。MOSFET 的閘極電流近似為零,因此 與 的電流相同;而 接在閘極與源極之間,源極電阻的電流則是汲極電流與 電流的總和。
解題方法
先由 MOSFET 的電流求出閘源電壓,再利用源極節點的電流關係求分壓電流,最後套用歐姆定律計算 、。
假設 工作於飽和區,且忽略通道長度調變,則
代入題目數值:
因此
源極電壓為 ,故閘極電壓為
源極電阻 的電流為
第 4-(a) 題14 分
Fig. P4 shows a differential amplifier, which is fabricated with the following parameters: , , , and . Assume that all transistors have the same transconductance.
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If , please determine the differential mode voltage gain ().
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核心觀念
本題考差動對的差動模態小訊號增益。尾電流在平衡時平均分到兩支輸入 NMOS;輸出端看到 的 與疊接 PMOS 電流鏡負載的輸出電阻並聯。差動輸入造成左側電流鏡負載電流增加,同時右側 電流減少,兩者在輸出端的變化相加。
解題方法
平衡時兩支輸入管的汲極電流為
對 , 且 ,因此
題目指定所有電晶體的 相同,因此疊接 PMOS 管的 也取 。各管的小訊號輸出電阻為
疊接 PMOS 電流鏡的輸出電阻可用共閘疊接式估算:
第 4-(b) 題4 分
Referring to the differential amplifier of Fig. P4 with parameters: , , , and .
Please modify the circuit of Fig. P4 to improve .
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核心觀念
單端差動增益可近似寫成
在輸入晶體管的跨導大致不變時,提高輸出電阻 就能提高增益。圖 P4 的 PMOS 負載已採用疊接電流鏡,因此可再提高 NMOS 差動對支路的輸出電阻。
解題方法
在 、 各自的汲極與原負載之間,各串接一顆 NMOS 疊接晶體管 、,並將兩顆的閘極接至固定偏壓 。輸出仍取自 汲極與 汲極的接點。
疊接晶體管以共閘方式工作,抑制輸入晶體管汲極電壓的變動,使 NMOS 支路的等效輸出電阻提高。近似而言,疊接後的支路輸出電阻可達
第 5-(a) 題5 分
Use diodes, resistors, and voltage sources to design a circuit that has the input/output characteristic shown in Fig. P5.
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Fig. P5 所示 – 特性曲線:當 時,(飽和);當 時, 與 呈線性關係(斜率為 1);當 時,(飽和)。
Please consider diodes with the following behavior: Ideal diode (i.e., ).
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核心觀念
本題考查理想二極體的導通/截止,以及利用電阻網路合成分段線性的輸入輸出特性。理想二極體導通時視為短路,截止時視為開路;電阻支路何時導通,決定特性曲線在哪些區段改變斜率。
解題方法
從圖中的 – 曲線可讀出: 時,; 時,曲線經過 與 ,斜率為 ; 時,曲線經過 與 ,斜率也為 。因此,輸出在 之外仍會隨輸入變化,斜率降為 。
電路可如下設計,三個電阻皆取相同阻值 :
- 輸入 經一個電阻 接到輸出節點 。
- 從 接一條上方支路:理想二極體陽極接 ,陰極經電阻 接至相對地為 的電壓源。
- 從相對地為 的電壓源接一個電阻 ,再接下方支路的理想二極體陽極;二極體陰極接至 。
- 兩個電壓源的地端均接共同地。
當 ,兩顆二極體皆截止,輸出端沒有支路電流。由輸入電阻的電流平衡可得
當 ,上方二極體導通,下方二極體截止。對 寫電流平衡:
第 5-(b) 題5 分
Use diodes, resistors, and voltage sources to design a circuit that has the input/output characteristic shown in Fig. P5.
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Fig. P5 所示 – 特性曲線:當 時,(飽和);當 時, 與 呈線性關係(斜率為 1);當 時,(飽和)。
Please consider diodes with the following behavior: Diode with .
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核心觀念
本題考查二極體的定壓降模型,以及利用二極體支路切換來合成分段線性輸入輸出特性。二極體截止時支路開路;導通時二極體壓降為 。
解題方法
依原卷圖讀取,橫軸是 、縱軸是 。曲線在 轉折,外側線段通過 與 ,斜率為 ;外側仍是斜線,並非飽和於 。
設計電路如下:
- 經串聯電阻 接到輸出節點 。
- 正向支路由 接二極體陽極,二極體陰極經電阻 接到相對地電位為 的參考源。
- 負向支路由相對地電位為 的參考源經電阻 接二極體陽極,二極體陰極接到 。
**轉折點:**正向二極體開始導通時,支路電流為零, 上沒有壓降,因此
負向二極體開始導通時,同理有
所以 時兩支路皆截止。輸出端無負載電流,串聯電阻 上沒有壓降,故 。
當 ,正向支路導通。令支路電阻 ,在 節點套用電流定律:
因此
第 6 題10 分
For the circuit shown in Fig. P6, please determine the logic functions .
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Fig. P6 為一 CMOS 邏輯電路,由多組 NMOS 與 PMOS 電晶體組成,輸入為 、、,輸出為 與 。
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核心觀念
CMOS 靜態邏輯中,NMOS 串聯代表 AND,並聯代表 OR。若 NMOS 下拉網路的導通條件為 ,導通時輸出被拉至低電位,因此輸出為 。本題兩個輸出都要依下拉網路的條件取反。
解題方法
圖中左側網路以 控制並產生輸出 ;右側網路以 控制並產生輸出 。兩個輸出皆由上方 PMOS 拉高、下方 NMOS 拉低,且沒有額外的輸出反相器。
左側 NMOS 下拉網路在任兩個輸入為高電位時導通,條件為
因此
右側 NMOS 下拉網路的導通條件為