108 年 國立中正大學光機電整合工程研究所《電子學》

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第 1 題10 分

Assuming the op-amp is ideal, calculate the input impedance RinR_{in} 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 RR,回授電阻為 3R3R;同相輸入端串接電阻 RR,訊號由 RinR_{in} 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:

v+=v−,i+=i−=0v_+=v_-, \qquad i_+=i_-=0

輸入阻抗定義為輸入端電壓除以流入電路的輸入電流:

Rin=viniinR_{\text{in}}=\frac{v_{\text{in}}}{i_{\text{in}}}

解題方法

反相端由輸出端經 3R3R 與接地端經 RR 組成分壓器,因此

v−=RR+3Rvo=vo4v_-=\frac{R}{R+3R}v_o=\frac{v_o}{4}

理想運算放大器的虛短條件給出 v+=v−=vo/4v_+=v_-=v_o/4。同相端沒有輸入電流,故輸入端電壓就是 v+v_+:

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第 2-(a) 題12 分

Fig. P2 shows an amplifier with the midband gain Avo=84 dBA_{vo} = 84\ \text{dB} and the three left-half-plane poles of 50 kHz50\ \text{kHz}, 500 kHz500\ \text{kHz}, and 10 MHz10\ \text{MHz}. The capacitor CcC_c is for the Miller's compensation.

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Draw the Bode diagram (both magnitude and phase) of this amplifier without CcC_c.

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核心觀念

不接補償電容 CcC_c 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 20 dB/dec20\ \text{dB/dec};相位則由 0∘0^\circ 逐步降至 −270∘-270^\circ。

令 ff 為頻率,增益可寫成

Av(j2πf)=1084/20(1+jf50 kHz)(1+jf500 kHz)(1+jf10 MHz)A_v(j2\pi f) = \frac{10^{84/20}} {\left(1+j\frac{f}{50\,\text{kHz}}\right) \left(1+j\frac{f}{500\,\text{kHz}}\right) \left(1+j\frac{f}{10\,\text{MHz}}\right)}

其中 1084/20≈1.585×10410^{84/20}\approx 1.585\times 10^4。

解題方法:幅度圖

每個極點頻率處斜率增加 −20 dB/dec-20\ \text{dB/dec}。依序標出三個轉折頻率,並由初始增益 84 dB84\ \text{dB} 算出各段漸近線:

頻率範圍漸近線斜率漸近線增益
f<50 kHzf<50\ \text{kHz}0 dB/dec0\ \text{dB/dec}84 dB84\ \text{dB}
50 kHz<f<500 kHz50\ \text{kHz}<f<500\ \text{kHz}−20 dB/dec-20\ \text{dB/dec}在 500 kHz500\ \text{kHz} 降至 64 dB64\ \text{dB}
500 kHz<f<10 MHz500\ \text{kHz}<f<10\ \text{MHz}−40 dB/dec-40\ \text{dB/dec}在 10 MHz10\ \text{MHz} 約為 12 dB12\ \text{dB}
f>10 MHzf>10\ \text{MHz}−60 dB/dec-60\ \text{dB/dec}由約 12 dB12\ \text{dB} 繼續下降

第三個轉折點的漸近線增益為

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第 2-(b) 題10 分

Referring to the amplifier described in Problem 2 (midband gain Avo=84 dBA_{vo} = 84\ \text{dB}, poles at 50 kHz50\ \text{kHz}, 500 kHz500\ \text{kHz}, and 10 MHz10\ \text{MHz}):

Find the unity-gain frequency of the open-loop gain without compensation CcC_c.

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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, ftf_t 或 fugf_{ug})。

  1. 開迴路傳遞函數:
    三極點放大器的開迴路增益函數表示為: A(s)=Avo(1+sωp1)(1+sωp2)(1+sωp3)A(s) = \frac{A_{vo}}{\left(1 + \frac{s}{\omega_{p1}}\right)\left(1 + \frac{s}{\omega_{p2}}\right)\left(1 + \frac{s}{\omega_{p3}}\right)} 其大小響應(Magnitude Response)為: ∣A(f)∣=Avo1+(ffp1)21+(ffp2)21+(ffp3)2|A(f)| = \frac{A_{vo}}{\sqrt{1 + \left(\frac{f}{f_{p1}}\right)^2}\sqrt{1 + \left(\frac{f}{f_{p2}}\right)^2}\sqrt{1 + \left(\frac{f}{f_{p3}}\right)^2}}
  2. 單位增益頻率定義:
    使開迴路增益大小下降至 11(即 0 dB0\ \text{dB})的頻率 ftf_t,滿足: ∣A(ft)∣=1(20log⁡10∣A(ft)∣=0 dB)|A(f_t)| = 1 \quad \left(20\log_{10}|A(f_t)| = 0\ \text{dB}\right)
  3. 波德漸近線(Bode Asymptote)規律:
    • 每通過一個極點,幅頻響應斜率遞減 −20 dB/dec-20\ \text{dB/dec}。
    • 增益落差公式:Δ∣A∣dB=Slope×log⁡10(fhighflow)\Delta |A|_{\text{dB}} = \text{Slope} \times \log_{10}\left(\frac{f_{\text{high}}}{f_{\text{low}}}\right)。

解題方法

題目給定參數:

  • 中頻增益 Avo=84 dB  ⟹  Avo=1084/20=104.2≈15849A_{vo} = 84\ \text{dB} \implies A_{vo} = 10^{84/20} = 10^{4.2} \approx 15849
  • 極點頻率:fp1=50 kHzf_{p1} = 50\ \text{kHz}、fp2=500 kHzf_{p2} = 500\ \text{kHz}、fp3=10 MHzf_{p3} = 10\ \text{MHz}

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:

  1. f<fp1=50 kHzf < f_{p1} = 50\ \text{kHz}:
    增益維持平坦,為 84 dB84\ \text{dB}。
  2. fp1=50 kHzf_{p1} = 50\ \text{kHz} 至 fp2=500 kHzf_{p2} = 500\ \text{kHz}(跨越 1 個 decade):
    • 斜率為 −20 dB/dec-20\ \text{dB/dec}。
    • 在 fp2=500 kHzf_{p2} = 500\ \text{kHz} 處的增益: ∣A(fp2)∣dB=84 dB−20 dB/dec×log⁡10(500 kHz50 kHz)=84−20=64 dB|A(f_{p2})|_{\text{dB}} = 84\ \text{dB} - 20\ \text{dB/dec} \times \log_{10}\left(\frac{500\ \text{kHz}}{50\ \text{kHz}}\right) = 84 - 20 = 64\ \text{dB}
  3. fp2=500 kHzf_{p2} = 500\ \text{kHz} 至 fp3=10 MHzf_{p3} = 10\ \text{MHz}:
    • 斜率變為 −40 dB/dec-40\ \text{dB/dec}。
    • 頻率比值為 10 MHz500 kHz=20\frac{10\ \text{MHz}}{500\ \text{kHz}} = 20。
    • 在 fp3=10 MHzf_{p3} = 10\ \text{MHz} 處的增益: ∣A(fp3)∣dB=64 dB−40 dB/dec×log⁡10(20)=64−40×1.301=11.96 dB|A(f_{p3})|_{\text{dB}} = 64\ \text{dB} - 40\ \text{dB/dec} \times \log_{10}(20) = 64 - 40 \times 1.301 = 11.96\ \text{dB}
  4. f>fp3=10 MHzf > f_{p3} = 10\ \text{MHz}:
    • 由於在 10 MHz10\ \text{MHz} 處增益仍有約 12 dB>0 dB12\ \text{dB} > 0\ \text{dB},可知單位增益頻率 ftf_t 必定落在第三個極點 fp3f_{p3} 之後。
    • 超過 fp3f_{p3} 後,斜率進一步變為 −60 dB/dec-60\ \text{dB/dec}。
    • 令增益自 11.96 dB11.96\ \text{dB} 下降至 0 dB0\ \text{dB}:
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第 2-(c) 題10 分

Referring to the amplifier described in Problem 2 and the circuit of Fig. P2:

If compensation capacitor CcC_c is applied as shown in Fig. P2 so that the phase margin is 45°45° when the transfer ratio of the feedback network β=−18 dB\beta = -18\ \text{dB}, the second pole after compensation is shifted to 700 kHz700\ \text{kHz} whereas the pole at 10 MHz10\ \text{MHz} 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 −180∘-180^\circ 的相位差。三個左半平面極點的開迴路相位為

∠A(jω)=−[tan⁡−1(ffp1)+tan⁡−1(ffp2)+tan⁡−1(ffp3)].\angle A(j\omega) = -\left[ \tan^{-1}\left(\frac{f}{f_{p1}}\right) + \tan^{-1}\left(\frac{f}{f_{p2}}\right) + \tan^{-1}\left(\frac{f}{f_{p3}}\right) \right].

相位裕度為 45∘45^\circ 時,增益交越頻率處的總極點相位角為 135∘135^\circ;同一頻率也必須滿足 ∣Aβ∣=1|A\beta|=1。

解題方法

開迴路中頻增益為 84 dB84\ \text{dB},回授網路增益大小為 −18 dB-18\ \text{dB},因此低頻迴路增益為

∣A0β∣=10(84−18)/20=1995.26.|A_0\beta| = 10^{(84-18)/20} = 1995.26.

令補償後的主極點為 fp1f_{p1},增益交越頻率為 fcf_c。已知另外兩個極點為 700 kHz700\ \text{kHz} 與 10 MHz10\ \text{MHz},相位裕度條件給出

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第 2-(d) 題8 分

Referring to the amplifier described in Problem 2:

Given that the voltage gain of the amplifier is −600-600 and the node resistance at node kk is 200 kΩ200\ \text{k}\Omega, determine the value of CcC_c 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:

  1. 密勒效應(Miller Effect):
    跨接在增益為 AvA_v 的反相放大級輸入與輸出之間的電容 CcC_c,等效至輸入端的密勒電容為: CM=Cc(1−Av)≈∣Av∣Cc(當 ∣Av∣≫1)C_{M} = C_c (1 - A_v) \approx |A_v| C_c \quad (\text{當 } |A_v| \gg 1)
  2. 主極點(Dominant Pole):
    放大器在補償節點(本題為節點 kk)所形成的等效極點頻率可表示為: ωpD=1RkCk,total≈1Rk⋅∣Av∣Cc\omega_{pD} = \frac{1}{R_k C_{k,\text{total}}} \approx \frac{1}{R_k \cdot |A_v| C_c} 或以赫茲(Hz\text{Hz})表示: fpD=ωpD2π=12πRk∣Av∣Ccf_{pD} = \frac{\omega_{pD}}{2\pi} = \frac{1}{2\pi R_k |A_v| C_c} 其中:
    • RkR_k:節點 kk 的等效輸出電阻(Node Resistance)。
    • AvA_v:補償跨接級之電壓增益(Voltage Gain)。
    • CcC_c:補償電容(Compensation Capacitor)。
    • fpDf_{pD}(或 ωpD\omega_{pD}):題目前一小題 (c) 所求得之主極點頻率。

解題方法

  1. 題目資訊統整:
    • 放大器跨接增益 Av=−600A_v = -600(即 ∣Av∣=600|A_v| = 600)。
    • 節點 kk 之等效電阻 Rk=200 kΩ=2×105 ΩR_k = 200\ \text{k}\Omega = 2 \times 10^5\ \Omega。
    • 在密勒補償架構下,補償後由節點 kk 視入的等效電容主要由密勒等效電容主導: Cin,k≈∣Av∣Cc=600CcC_{\text{in}, k} \approx |A_v| C_c = 600 C_c
  2. 決定補償電容 CcC_c 之通用公式:
    若以角頻率 ωpD (rad/s)\omega_{pD}\ (\text{rad/s}) 表示 (c) 小題求得之主極點: ωpD=1Rk∣Av∣Cc  ⟹  Cc=1∣Av∣RkωpD\omega_{pD} = \frac{1}{R_k |A_v| C_c} \implies C_c = \frac{1}{|A_v| R_k \omega_{pD}} 若以頻率 fpD (Hz)f_{pD}\ (\text{Hz}) 表示 (c) 小題求得之主極點: fpD=12πRk∣Av∣Cc  ⟹  Cc=12π∣Av∣RkfpDf_{pD} = \frac{1}{2\pi R_k |A_v| C_c} \implies C_c = \frac{1}{2\pi |A_v| R_k f_{pD}} 代入題目已知數值:
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第 3 題12 分

The circuit shown in Fig. P3 is designated with μnCOX=200 μA/V2\mu_n C_{OX} = 200\ \mu\text{A/V}^2, λn=0\lambda_n = 0, Vtn=0.4 VV_{tn} = 0.4\ \text{V}, and (W/L)Q1=100(W/L)_{Q1} = 100. Please determine the values of R1R_1 and R2R_2.

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Fig. P3 電路說明:電源為 1.8 V1.8\ \text{V},R1R_1 與 R2R_2 分壓偏壓 NMOS Q1Q_1,汲極接 0.5 kΩ0.5\ \text{k}\Omega 電阻至 VDDV_{DD},源極接 0.2 kΩ0.2\ \text{k}\Omega 電阻至地。汲極電流 ID=0.5 mAI_D = 0.5\ \text{mA},源極電壓 =0.11 V= 0.11\ \text{V}。

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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 R1R_1 與 R2R_2 的電流相同;而 R2R_2 接在閘極與源極之間,源極電阻的電流則是汲極電流與 R2R_2 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 R1R_1、R2R_2。

假設 Q1Q_1 工作於飽和區,且忽略通道長度調變,則

ID=12μnCOX(WL)Q1(VGS−Vtn)2I_D=\frac{1}{2}\mu_n C_{OX}\left(\frac{W}{L}\right)_{Q1}(V_{GS}-V_{tn})^2

代入題目數值:

0.5 mA=12(200 μA/V2)(100)(VGS−0.4)20.5\ \text{mA} =\frac{1}{2}(200\ \mu\text{A/V}^2)(100)(V_{GS}-0.4)^2

因此

VGS−Vtn=0.5 mA10 mA/V2=0.2236 VV_{GS}-V_{tn} =\sqrt{\frac{0.5\ \text{mA}}{10\ \text{mA/V}^2}} =0.2236\ \text{V} VGS=0.2236+0.4=0.6236 VV_{GS}=0.2236+0.4=0.6236\ \text{V}

源極電壓為 VS=0.11 VV_S=0.11\ \text{V},故閘極電壓為

VG=VS+VGS=0.11+0.6236=0.7336 VV_G=V_S+V_{GS}=0.11+0.6236=0.7336\ \text{V}

源極電阻 0.2 kΩ0.2\ \text{k}\Omega 的電流為

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第 4-(a) 題14 分

Fig. P4 shows a differential amplifier, which is fabricated with the following parameters: μnCOX=2μpCOX=100 μA/V2\mu_n C_{OX} = 2\mu_p C_{OX} = 100\ \mu\text{A/V}^2, λn=0.02 V−1\lambda_n = 0.02\ \text{V}^{-1}, λp=0.02 V−1\lambda_p = 0.02\ \text{V}^{-1}, and Vtn=∣Vtp∣=0.4 VV_{tn} = |V_{tp}| = 0.4\ \text{V}. Assume that all transistors have the same transconductance.

🖼️【此處有附圖,請對照原卷】

If (W/L)Q1,Q2=10(W/L)_{Q1,Q2} = 10, please determine the differential mode voltage gain (AdA_d).

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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 Q2Q_2 的 ror_o 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 Q2Q_2 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

ID=0.25 mA2=0.125 mAI_D=\frac{0.25\ \text{mA}}{2}=0.125\ \text{mA}

對 Q1,Q2Q_1,Q_2,μnCOX=100 μA/V2\mu_n C_{OX}=100\ \mu\text{A/V}^2 且 (W/L)=10(W/L)=10,因此

gm=2μnCOX(W/L)ID=2(100 μA/V2)(10)(0.125 mA)=0.5 mSg_m=\sqrt{2\mu_n C_{OX}(W/L)I_D} =\sqrt{2(100\ \mu\text{A/V}^2)(10)(0.125\ \text{mA})} =0.5\ \text{mS}

題目指定所有電晶體的 gmg_m 相同,因此疊接 PMOS 管的 gmg_m 也取 0.5 mS0.5\ \text{mS}。各管的小訊號輸出電阻為

ro=1λID=1(0.02 V−1)(0.125 mA)=400 kΩr_o=\frac{1}{\lambda I_D} =\frac{1}{(0.02\ \text{V}^{-1})(0.125\ \text{mA})} =400\ \text{k}\Omega

疊接 PMOS 電流鏡的輸出電阻可用共閘疊接式估算:

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第 4-(b) 題4 分

Referring to the differential amplifier of Fig. P4 with parameters: μnCOX=2μpCOX=100 μA/V2\mu_n C_{OX} = 2\mu_p C_{OX} = 100\ \mu\text{A/V}^2, λn=0.02 V−1\lambda_n = 0.02\ \text{V}^{-1}, λp=0.02 V−1\lambda_p = 0.02\ \text{V}^{-1}, and Vtn=∣Vtp∣=0.4 VV_{tn} = |V_{tp}| = 0.4\ \text{V}.

Please modify the circuit of Fig. P4 to improve AdA_d.

🖼️【此處有附圖,請對照原卷】

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核心觀念

單端差動增益可近似寫成

Ad≈−Gm,effRoutA_d \approx -G_{m,\mathrm{eff}}R_{\mathrm{out}}

在輸入晶體管的跨導大致不變時,提高輸出電阻 RoutR_{\mathrm{out}} 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 Q1Q_1、Q2Q_2 各自的汲極與原負載之間,各串接一顆 NMOS 疊接晶體管 Qc1Q_{c1}、Qc2Q_{c2},並將兩顆的閘極接至固定偏壓 VBNV_{BN}。輸出仍取自 Qc2Q_{c2} 汲極與 Qb4Q_{b4} 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

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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.

🖼️【此處有附圖,請對照原卷】

Fig. P5 所示 VoV_o–ViV_i 特性曲線:當 Vi<−1 VV_i < -1\ \text{V} 時,Vo=−1.5 VV_o = -1.5\ \text{V}(飽和);當 −1 V≤Vi≤1 V-1\ \text{V} \leq V_i \leq 1\ \text{V} 時,VoV_o 與 ViV_i 呈線性關係(斜率為 1);當 Vi>1 VV_i > 1\ \text{V} 時,Vo=1.5 VV_o = 1.5\ \text{V}(飽和)。

Please consider diodes with the following behavior: Ideal diode (i.e., VD,on=0 VV_{D,on} = 0\ \text{V}).

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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 VoV_o–ViV_i 曲線可讀出:∣Vi∣≤1 V|V_i|\leq 1\text{ V} 時,Vo=ViV_o=V_i;Vi>1 VV_i>1\text{ V} 時,曲線經過 (1,1)(1,1) 與 (2,1.5)(2,1.5),斜率為 1/21/2;Vi<−1 VV_i<-1\text{ V} 時,曲線經過 (−1,−1)(-1,-1) 與 (−2,−1.5)(-2,-1.5),斜率也為 1/21/2。因此,輸出在 ±1 V\pm1\text{ V} 之外仍會隨輸入變化,斜率降為 1/21/2。

電路可如下設計,三個電阻皆取相同阻值 RR:

  • 輸入 ViV_i 經一個電阻 RR 接到輸出節點 VoV_o。
  • 從 VoV_o 接一條上方支路:理想二極體陽極接 VoV_o,陰極經電阻 RR 接至相對地為 +1 V+1\text{ V} 的電壓源。
  • 從相對地為 −1 V-1\text{ V} 的電壓源接一個電阻 RR,再接下方支路的理想二極體陽極;二極體陰極接至 VoV_o。
  • 兩個電壓源的地端均接共同地。

當 −1 V≤Vo≤1 V-1\text{ V}\leq V_o\leq 1\text{ V},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

Vi−VoR=0⟹Vo=Vi.\frac{V_i-V_o}{R}=0 \quad\Longrightarrow\quad V_o=V_i.

當 Vo>1 VV_o>1\text{ V},上方二極體導通,下方二極體截止。對 VoV_o 寫電流平衡:

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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.

🖼️【此處有附圖,請對照原卷】

Fig. P5 所示 VoV_o–ViV_i 特性曲線:當 Vi<−1 VV_i < -1\ \text{V} 時,Vo=−1.5 VV_o = -1.5\ \text{V}(飽和);當 −1 V≤Vi≤1 V-1\ \text{V} \leq V_i \leq 1\ \text{V} 時,VoV_o 與 ViV_i 呈線性關係(斜率為 1);當 Vi>1 VV_i > 1\ \text{V} 時,Vo=1.5 VV_o = 1.5\ \text{V}(飽和)。

Please consider diodes with the following behavior: Diode with VD,on=0.7 VV_{D,on} = 0.7\ \text{V}.

🖼️ 本題含圖表,以下為原卷對應頁面:
原卷第 3 頁

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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 0.7 V0.7\ \text{V}。

解題方法

依原卷圖讀取,橫軸是 ViV_i、縱軸是 VoV_o。曲線在 (Vi,Vo)=(±1,±1)(V_i,V_o)=(\pm1,\pm1) 轉折,外側線段通過 (2,1.5)(2,1.5) 與 (−2,−1.5)(-2,-1.5),斜率為 1/21/2;外側仍是斜線,並非飽和於 ±1.5 V\pm1.5\ \text{V}。

設計電路如下:

  • ViV_i 經串聯電阻 RR 接到輸出節點 VoV_o。
  • 正向支路由 VoV_o 接二極體陽極,二極體陰極經電阻 RdR_d 接到相對地電位為 +0.3 V+0.3\ \text{V} 的參考源。
  • 負向支路由相對地電位為 −0.3 V-0.3\ \text{V} 的參考源經電阻 RdR_d 接二極體陽極,二極體陰極接到 VoV_o。

**轉折點:**正向二極體開始導通時,支路電流為零,RdR_d 上沒有壓降,因此

Vo=0.3+0.7=1 VV_o=0.3+0.7=1\ \text{V}

負向二極體開始導通時,同理有

Vo=−0.3−0.7=−1 VV_o=-0.3-0.7=-1\ \text{V}

所以 −1≤Vi≤1-1\le V_i\le1 時兩支路皆截止。輸出端無負載電流,串聯電阻 RR 上沒有壓降,故 Vo=ViV_o=V_i。

當 Vi>1 VV_i>1\ \text{V},正向支路導通。令支路電阻 Rd=RR_d=R,在 VoV_o 節點套用電流定律:

Vi−VoR=Vo−0.7−0.3Rd\frac{V_i-V_o}{R}=\frac{V_o-0.7-0.3}{R_d}

因此

🔒

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第 6 題10 分

For the circuit shown in Fig. P6, please determine the logic functions (X,Y)(X, Y).

🖼️【此處有附圖,請對照原卷】

Fig. P6 為一 CMOS 邏輯電路,由多組 NMOS 與 PMOS 電晶體組成,輸入為 AA、BB、CC,輸出為 XX 與 YY。

🖼️ 本題含圖表,以下為原卷對應頁面:
原卷第 3 頁

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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 FF,導通時輸出被拉至低電位,因此輸出為 F‾\overline{F}。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 A、B、CA、B、C 控制並產生輸出 XX;右側網路以 A、B、C、XA、B、C、X 控制並產生輸出 YY。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

FX=AB+C(A+B)=AB+AC+BCF_X=AB+C(A+B)=AB+AC+BC

因此

X=FX‾=AB+AC+BC‾X=\overline{F_X} =\overline{AB+AC+BC}

右側 NMOS 下拉網路的導通條件為

FY=ABC+X(A+B+C)F_Y=ABC+X(A+B+C)
🔒

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