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調查局三等申論題 107年 [電子科學組] 電子學與電路學

第 一 題

📖 題組:
下圖電路裡的是理想運算放大器。 (一)畫出下圖電路的 s 域(s-domain)等效電路。(5 分) (二)求 H(s)=Vo/Vi。(10 分) (三)分析說明此電路的功能。(5 分)
題組圖片
📝 此題為申論題,共 3 小題

小題 (一)

畫出下圖電路的 s 域(s-domain)等效電路。(5 分)

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看到「s域(s-domain)等效電路」,首要步驟是將電路中的所有時域(t-domain)元件與訊號,透過拉普拉斯轉換(Laplace Transform)改寫為阻抗形式。記住口訣:電阻不變(R)、電容變 1/sC、電感變 sL,電壓/電流符號從小寫改大寫。

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【解題關鍵】將時域(t-domain)的電路元件與訊號,利用拉普拉斯轉換(Laplace Transform)轉換至頻域(s-domain)的阻抗模型。 【解答】 在繪製 s 域等效電路時,各元件與訊號的轉換規則推導如下:

小題 (二)

求 H(s)=Vo/Vi。(10 分)

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看到理想運算放大器與阻抗元件的組合,應直覺聯想「虛短路、虛斷路」特性,並套用反相放大器轉移函數公式 H(s) = -Z_f(s)/Z_{in}(s)。解題時,先將各元件轉換為 s 域阻抗,代入公式後進行代數化簡,最後整理成標準的系統轉移函數型式即可得解。

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【解題思路】利用理想運算放大器的「虛短路」與「虛斷路」特性,配合 s 域阻抗,套用反相放大器之轉移函數公式求解。 【詳解】 已知:

小題 (三)

分析說明此電路的功能。(5 分)

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本題重點在於透過分析轉移函數的極點與零點,或觀察電路在極端頻率(直流與高頻)下的等效阻抗變化,來判斷電路特性。藉由低頻時電容開路(增益為0)與高頻時電容短路(增益為常數)的特性,可判定其為高通濾波器;同時,由其結構特徵也能看出這是一個改良版的「實用型微分器」。

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【破題】 此電路的功能為一階「反相高通濾波器」(Inverting High-Pass Filter),在波形運算應用上則稱為「實用型微分器」(Practical Differentiator)。 【論述】

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