Electronics (III) · Quiz 3 · Worked Solutions
題目來源:電子學(三)第三次小考_空白題目版.pdf(2 頁、掃描影像,共 2 大題)
題目原文:For the circuit shown in Fig.1, (a) what is the type of the circuit? Please derive (b) A (c) β (d) A_f (e) R_if (f) R_of (g) R_in (h) R_out (i) A_v
這一題的目的只有一個:把「非理想運放」拆成回授理論裡的 A 與 β,再用回授公式一次得到 A_f、R_if、R_of,最後補上來源電阻與負載的「分壓」修正,就得到 R_in、R_out、A_v。
看三件事:
結論:(電壓)分壓取樣 + 串聯比較的負回授,即 電壓串聯負回授(series–shunt, voltage-series feedback),電路本身是非反相放大器(Non-inverting amplifier)。
回授理論的 A 是「A 方塊」的正向增益。在電壓串聯回授中,A 方塊的輸入是 V_{id}(運放兩端的差動電壓),輸出是 V_o;β 方塊則是 V_o → V_f。把「R_s 串在訊號源」與「R_L 併在輸出」看成 A 方塊外面的電路,這是回授公式只套一次的關鍵。
β 的定義是「回授訊號 ÷ 輸出訊號」。R_1、R_2 串在 V_o 與地之間,「−」端幾乎不吸取電流(理想時 I = 0;非理想時差動輸入電阻 R_id 接在兩輸入端之間,而「+」端是由 R_s 與 V_s 驅動,不是接地,所以 R_1∥R_2 分壓的「輸出端」只有 V_o 一個驅動源,分壓比仍與 R_L 無關)。
注意:β 與 R_id、r_o、R_L 全都無關;只看回授網路本身的電阻分壓。
把放大器從 R_s 之後、R_L 之前切開。A 方塊的輸出端「看到了」兩樣東西:內阻 r_o 接地的本體,以及外部負載 R_L。受控源 μV_id 先送到 r_o 的節點,再由 r_o ∥ R_L 分壓輸出。
若題目把運放開回路增益寫成 A_ol(而不是題圖上的 μ),那麼 A=A_{ol}\,\dfrac{R_L}{r_o+R_L}。若你把 R_s 也算進 A 方塊(另一種合法切法),則 A'=A\cdot\frac{R_{id}}{R_{id}+R_s},回授公式同樣成立,後面的 R_in 結論不會改變。
回授的基本關係:V_{id}=V_s'-\beta V_o(V_s' 是 V_id 那一側的電壓,此處等於 V_s)。代入 V_o=A\,V_{id}:
明確寫成元件值:
當 \mu\to\infty:A_f\to 1+\dfrac{R_2}{R_1} ✓(理想非反相放大器)。
電壓串聯負回授: A_f=\dfrac{A}{1+A\beta}、R_{if}=R_i(1+A\beta)、R_{of}=\dfrac{R_o}{1+A\beta}。三個式子共用同一個 1+A\beta(回授量 D)。
R_if:回授讓回授節點電壓 V_f=\beta V_o 跟著 V_id 動,若把「+」端與「−」端推開 ΔV,兩端擺幅被放大成 (1+A\beta)\Delta V,通過 R_id 的電流只剩 1/(1+A\beta) → 等效電阻放大 1+A\beta 倍:
R_of:把 V_id 接地(輸入源消去)後,從輸出端往回看。r_o 兩端電壓變成 \beta V_o 的鏡像,等效輸出電阻被壓縮 1+A\beta 倍:
(R_of 是「不含 R_L」的本體輸出電阻;R_L 屬於外部,留給下一步。)
R_in=從 V_s 兩端看進整個電路(含 R_s)= R_s 串 R_if:
R_out=從 R_L 端看回電路(R_L 不算在內)= R_of ∥ r_o 的「另一半」修正:
R_of 是「閉回路放大器本體」的輸出電阻;R_out 才是題目要的「從輸出端看入」(含 R_L)。反相/非反相放大器的 R_out 通常要再與 R_L 並聯,否則小到不合理的數值會讓你以為算錯。
把兩層修正乘上去:輸入分壓 V_{id}/V_s=R_{if}/R_{in},輸出分壓 V_o/V_{id}=A_f\cdot\dfrac{R_L}{R_L+R_{of}}。
展開後與節點方程式(三個未知數 V_p、V_n、V_o)的解完全相同:
極限檢查:\mu\to\infty 時 A_v\to 1+\dfrac{R_2}{R_1},與理想非反相放大器一致。
β = 0.1,A = 10⁵×0.9901 = 9.901×10⁴,1+Aβ ≈ 9902,
A_f ≈ 9.999,R_if ≈ 9.90 MΩ,R_in ≈ 9.90 MΩ,
R_of ≈ 0.0101 Ω,R_out ≈ 0.0101 Ω,A_v ≈ 9.999(理想值 10)。
| 小題 | 答案 |
|---|---|
| (a) | 電壓串聯負回授(series-shunt)之非反相放大器 |
| (b) A | μ·R_L/(r_o+R_L) |
| (c) β | R₁/(R₁+R₂) |
| (d) A_f | A/(1+Aβ) |
| (e) R_if | R_id(1+Aβ) |
| (f) R_of | r_o/(1+Aβ) |
| (g) R_in | R_s + R_id(1+Aβ) |
| (h) R_out | r_o(1+Aβ) ∥ R_L (= r_o′∥R_L) |
| (i) A_v | A_f · R_if/(R_s+R_if) · R_L/(R_L+R_of) |
※ (h) 的寫法:R_{out}=\left[\dfrac{r_o}{1+A\beta}\right]\parallel R_L=\dfrac{R_L r_o(1+A\beta)^{-1}}{R_L+r_o(1+A\beta)^{-1}},與上面的分式等價。
題目原文:For the circuit shown in Fig.3, please draw the BJT equivalent model of π model, and derive the R_in. Known (r_π, r_e, g_m, α, β, r_o ≠ ∞).
圖上有 (a)(b) 兩小題,但文字只寫 Fig.3。兩個圖都要會算,兩個都是「從集極看進去」的電阻(不是從基極看)。
π 模型只有三條連線要記:
題目同時給 r_π、r_e、β、α、g_m,就是因為 r_e 不是模型元件,而是「射極端點看進去的等效電阻」:
所以從射極端點往 B 看回去,看到的是 r_\pi/(\beta+1)=r_e(因為 r_π 另一端接的是基極,而基極經 R_B 或直接接地)。因此「r_e 與 R_E 串聯」是 Fig.2 / Fig.3 兩個電路的共同骨架。
R_in = V_x / I_x。測試源在 C,B 經 R_B 到地,E 經 R_E 到地。依 π 模型列出三個節點(C:V_x、B:V_b、E:V_e)的 KCL:
(第一式:r_o 與 r_e 並聯在 C 與 E 之間;第二式:B 端只有 r_o、r_π、R_B 三路;第三式:E 端有 r_e、R_E 與受控源。)
把 E 端那條路「往上看」摺疊:B 經 R_B 接地,所以 v_\pi=v_b;E 端等效接地電阻為
實務上最穩的作法是 用替代定理把 v_π 消掉:由第二式可得
代回第三式求 V_e,再代回第一式,就得到(化簡後的分式形式,考場可直接用):
物理意義(背這個比背公式好):集極看進去= r_o 並聯上「射極走道 + 基極走道」的串聯路徑:
精確式沒有一個乾淨的「三電阻並聯」形式,因為受控源讓 E 端不是單純接地;考場上有時間就用節點法推到上式,沒時間就寫成上面的結構+「並聯 r_o」的等效描述。
R_in ≈ 1.097 MΩ(略大於 r_o = 100 kΩ,因為 r_o 與另一條較小的路徑並聯後再被受控源抬升)。
把 (a) 的 R_B 令為 0(B 直接接地,V_b = 0),v_π = 0,所以受控源 g_m v_π = 0 整支斷路。此時 C 端只剩下:
這就是最經典的答案:共基(或基極接地)電路從集極看入的電阻。 若 r_o\to\infty,则 R_{in}=r_e+R_E。
r_e+R_E = 1.026 kΩ → R_in = 100 kΩ ∥ 1.026 kΩ ≈ 1.0156 kΩ。
對照 (a):R_B 由 0 變成 100 kΩ,R_in 從 1.0 kΩ 暴增到 1.1 MΩ —— 因為基極被「浮」起來後,r_o 才能透過受控源把阻抗抬起來。
| 電路 | R_in(自集極看入) | 極限(r_o→∞) |
|---|---|---|
| (a) Fig.2(B 經 R_B 接地) | 上式長分式;結構 = r_o 並聯(B 走道 + R_E 走道) | ≈ r_e+R_E(再由 R_B 修正) |
| (b) Fig.3(B 直接接地) | r_o ∥ (r_e + R_E) | r_e + R_E |
若老師把題目解讀成「自基極看入」,答案則是:R_{in}=R_B\parallel r_\pi(Fig.2)、R_{in}=r_\pi(Fig.3)。答題時寫一句「題圖 R_in 標示在集極端點,故以下自集極看入」即可避免爭議。
| 錯誤 | 正確 |
|---|---|
| 把 Ao(開回路增益)直接當 A 用 | A 要含負載效應:A=\mu R_L/(r_o+R_L);不然 A_f 會少乘一項 |
| R_out 直接寫成 r_o/(1+Aβ) | 那是 R_of;題目要的 R_out 還要 ∥ R_L |
| R_in 只寫 R_id(1+Aβ) | 從 V_s 看入要 加 R_s:R_in=R_s+R_id(1+Aβ) |
| 錯誤 | 正確 |
|---|---|
| R_in 從基極算(R_B∥r_π) | 先確認 R_in 箭頭在哪一端;本題箭頭在集極 |
| B 接地後還留著 g_m v_π | B 接地 → v_π=0 → 受控源 = 0,整支開路 |
| 把 r_e 當成 C–E 並聯元件 | r_e 是射極端點看入電阻,與 R_E 串聯後再與 r_o 並聯 |