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地特四等申論題 108年 [電力工程] 電子學概要

第 一 題

📖 題組:
如圖三(不考慮 early effect,ro=∞),R1=50 kΩ,β1=β2=90,電路在 Vo 可接負載 RL=1 kΩ,求:(每小題 5 分,共 20 分)
題組圖片
📝 此題為申論題,共 4 小題

小題 (一)

Rin=?

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本題核心在於達靈頓對(Darlington pair)的交流小訊號分析。考生應先透過直流分析確認兩顆 BJT 的偏壓電流與小訊號參數(如 rπ),接著利用 Hybrid-π 模型與阻抗反射法則,從負載端逐級往輸入端推算等效輸入電阻 Rin。

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【解題關鍵】本題為達靈頓對(Darlington Pair)的共集極(CC)放大器,需利用「阻抗反射法則」將射極端阻抗乘上 $(1+\beta)$ 反射至基極端計算輸入電阻。 【解答】 計算:

小題 (二)

Rout(不考慮負載)=?

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這是一題典型的達靈頓(Darlington)組態放大器小訊號分析。解題時應先從最下方的電流源開始,由下而上推導兩顆電晶體的直流射極電流,並求出各自的交流內阻 $r_e$。接著套用電阻反射定律(或利用 KVL/KCL 配合 T-model),將輸入端電阻逐級除以 $(\beta+1)$ 轉換至輸出端,即可快速求出 $R_{out}$。

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【解題關鍵】本題為達靈頓(Darlington)組態電路,利用電晶體小訊號等效電路(T-model)及「電阻反射定律」由基極向射極轉換,逐步求得輸出端等效阻抗。 【解答】 Step 1:直流偏壓分析

小題 (三)

開路之總增益(overall voltage gain),Gvo=Vo/Vs=?

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本題測驗達靈頓(CC-CC)放大器的交流小訊號分析。看到『開路總增益』,應立刻想到輸出端無負載(RL=∞)且理想電流源交流等效為開路,這會導致交流電流為零,各級電阻無壓降。解題時可先算出直流偏壓與小訊號參數以求嚴謹,再代入電壓分壓公式取極限,證明開路增益為 1。

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【解題關鍵】利用 Hybrid-π 小訊號模型分析,並代入負載開路($R_L \to \infty$)條件求取極限。 【解答】 計算:

小題 (四)

加負載之總增益(overall voltage gain),Gv=Vo/Vs=?

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本題為兩級共集極(達靈頓對,Darlington pair)放大器的電壓增益計算。解題首步應進行直流分析,假設交流負載不影響直流偏壓,從 9mA 電流源反推 Q2 與 Q1 的偏壓電流與小訊號參數 $r_{\pi}$。接著利用混合 $\pi$ 模型與阻抗反射法則(Impedance Reflection Rule),由負載端逐級向源端反射輸入阻抗,並透過 KCL/KVL 建立方程式以計算總電壓增益 $G_v$。

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【解題關鍵】利用混合 $\pi$ 模型與阻抗反射法則推導達靈頓對放大器之 KVL 方程式,進而計算小訊號總電壓增益。 【解答】 計算:

📝 達靈頓對輸入電阻計算
💡 利用阻抗反射法則,由輸出端向輸入端逐級將電阻乘上(1+β)倍。

🔗 阻抗反射計算流程

  1. 1 Level 1: 輸出端 — 確定射極負載阻抗 RL。
  2. 2 Level 2: Q2 基極看入 — Rin2 = rπ2 + (1+β2)RL。
  3. 3 Level 3: Q1 基極看入 — Rin = rπ1 + (1+β1)Rin2。
🔄 延伸學習:延伸學習:觀察 (1+β1)(1+β2) 的乘積如何使輸入阻抗大幅提升至 MΩ 等級。
🧠 記憶技巧:由後往前,層層反射;基極看入,電阻乘上(1+β)。
⚠️ 常見陷阱:計算時容易忽略第二級電晶體的小訊號電阻rπ2,或忘記將RL納入計算過程中。
達靈頓對電流增益 共集極放大器特性 阻抗匹配與緩衝器

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