高考申論題
113年
[醫學工程] 醫學儀表及測量
第 一 題
📖 題組：
生醫電子量測儀表中經常需要前端的類比訊號處理介面電路，例如以運算放大器（OP amplifier）進行生理訊號的放大與處理。請就下圖運算放大器的等效電路模型。 圖-a 運算放大器等效電路模型與電路參數（輸入端 v1, v2, Rd，輸出端 vo, Ro, z）；放大器 A（gain）、BW（bandwidth）。圖-b Summing 放大器。
生醫電子量測儀表中經常需要前端的類比訊號處理介面電路，例如以運算放大器（OP amplifier）進行生理訊號的放大與處理。請就下圖運算放大器的等效電路模型。 圖-a 運算放大器等效電路模型與電路參數（輸入端 v1, v2, Rd，輸出端 vo, Ro, z）；放大器 A（gain）、BW（bandwidth）。圖-b Summing 放大器。
📝 此題為申論題，共 3 小題
小題 (一)
試以圖-a 運算放大器的等效模型中的參數，說明一理想放大器具有的規格特性。（5 分）
思路引導 VIP
看到此題，應先辨識出圖-a 等效電路模型及題幹提到的關鍵參數（輸入阻抗 Rd、輸出阻抗 Ro、開迴路增益 A、頻寬 BW）。接著思考「理想」放大器為了達到不干擾前端生醫感測器（避免負載效應）、具備完美負載驅動能力且無失真放大，這些參數應分別趨近於無限大或零的物理極限。
小題 (二)
在電生理訊號的前極放大量測應用中（如 EMG、EOG 等），如圖-b 因電極存在的介面半電池電位（half-cell potential）造成 DC offset 為 ±5 v，實際生理電位為 ±1v，試以一放大倍率（A = -10）的反相放大器電路設計中的 Rf 與 Rb 數值，以消除 DC offset 且不飽和 OP Amp 的輸出。（5 分）
思路引導 VIP
本題考查運算放大器的加法器原理與直流偏移（DC offset）補償電路設計。解題時應先透過反相放大器的目標增益求出 Rf；接著利用節點電流法（虛接地原理），令補償分支的電流完全抵銷 DC offset 產生的電流，並根據電位器的最大電壓範圍計算出最佳的 Rb；最後，計算消除偏移後的輸出電壓幅度，驗證其是否落在工作電壓範圍內而不產生飽和。
小題 (三)
在評估運算放大器的性能與介面電路的規格匹配時，面對高輸出阻抗的訊號源，上題所選用的單一反相放大電路因輸入阻抗過低而不適用，解決的方案為由兩個輸入源的隨藕器（voltage follower）與一個差動放大器組成的 3-OP Amp 儀表放大器（instrumentation amplifier）。請劃出此 3-OP Amp 的電路與說明其優點。（10 分）
思路引導 VIP
看到「3-OP Amp 儀表放大器」，首要任務是畫出經典的「雙緩衝輸入級＋差動輸出級」電路架構，確保輸入端接在非反相端。接著，結合生理訊號「微弱、高源阻抗、多共模雜訊」的特性，從「輸入阻抗」、「共模拒斥比 (CMRR)」及「增益調整便利性」三個維度精準論述其優勢。