鐵路人員考試高員三級-電子工程電子學大意111 年第 35 題單選題
如圖所示為一電容耦合之雙極性電晶體放大器。電晶體的 β=100,VBE(active)=0.7 V,VT=25 mV。忽略爾利效應,求 vo/vi 之值約為何?
A正確答案
電容耦合共射極放大器,求電壓增益 v_o/v_i ≈ -20,關鍵在直流偏壓求 I_C,再算 g_m 和交流增益。
為什麼答案是 A
直流分析:電路為單一偏壓電阻430kΩ從VCC(+5V)接到基極,射極直接接地。V_B = 5V - I_B×430kΩ,V_BE=0.7V → V_E=0,I_E=(V_B-0.7)/0=需用KVL:5 = I_B×430k + 0.7,I_B=(5-0.7)/430k=4.3/430k≈10μA,I_C=β×I_B=100×10μA=1mA。g_m=I_C/V_T=1mA/25mV=40mA/V。交流等效:R_C=1kΩ(集極接1kΩ到VCC,電容C=∞短路),輸入端2.5kΩ串聯耦合電容後接基極,r_π=β/g_m=100/40m=2.5kΩ。v_o/v_i = -g_m×R_C × r_π/(r_π + R_s) = -40m×1k × 2.5k/(2.5k+2.5k) = -40×0.5 = -20。
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完整詳解
Pro · 無限重點 電容耦合共射極放大器,求電壓增益 v_o/v_i ≈ -20,關鍵在直流偏壓求 I_C,再算 g_m 和交流增益。
直流:V_B ≈ 5×430k/(430k+∞) ≈ 5V(基極直接接430kΩ到VCC,無下偏壓電阻),I_C = β×I_B;交流增益 = -g_m×(R_C//r_π外部) = -g_m×R_C,答案選-20。
逐選項分析
A✓ 正確
直流分析:電路為單一偏壓電阻430kΩ從VCC(+5V)接到基極,射極直接接地。V_B = 5V - I_B×430kΩ,V_BE=0.7V → V_E=0,I_E=(V_B-0.7)/0=需用KVL:5 = I_B×430k + 0.7,I_B=(5-0.7)/430k=4.3/430k≈10μA,I_C=β×I_B=100×10μA=1mA。g_m=I_C/V_T=1mA/25mV=40mA/V。交流等效:R_C=1kΩ(集極接1kΩ到VCC,電容C=∞短路),輸入端2.5kΩ串聯耦合電容後接基極,r_π=β/g_m=100/40m=2.5kΩ。v_o/v_i = -g_m×R_C × r_π/(r_π + R_s) = -40m×1k × 2.5k/(2.5k+2.5k) = -40×0.5 = -20。
B✕ 陷阱
-28 可能是忽略輸入電阻分壓效應,或偏壓電流計算有誤所得,實際考慮2.5kΩ與r_π分壓後增益為-20,非-28。
C✕ 陷阱
-40 是忽略輸入電阻Rs=2.5kΩ的分壓效應直接用 -g_m×R_C = -40m×1k = -40,但未考慮2.5kΩ與r_π=2.5kΩ分壓使增益減半為-20。
D✕
-100 等於 -β,是共射極電流增益,非電壓增益,混淆β與電壓增益概念。
共射極放大器電壓增益計算步驟
| 步驟 | 公式/計算 | 結果 |
|---|
| 直流偏壓I_B | (V_CC - V_BE) / R_B = (5-0.7)/430k | ≈10 μA |
| 集極電流I_C | β × I_B = 100 × 10μA | 1 mA |
| 跨導g_m | I_C / V_T = 1mA / 25mV | 40 mA/V |
| r_π | β / g_m = 100 / 40mA/V | 2.5 kΩ |
| 輸入分壓係數 | r_π / (R_s + r_π) = 2.5k/(2.5k+2.5k) | 0.5 |
| 電壓增益 | -g_m × R_C × 分壓係數 = -40m×1k×0.5 | -20 |
最常見陷阱是計算g_m×R_C=40後直接選-40(選項C),忽略輸入端2.5kΩ信號源電阻與r_π=2.5kΩ形成的分壓效應。由於Rs=r_π,分壓係數恰好為0.5,增益從-40減半為-20。考生須養成「交流等效電路完整畫出再算」的習慣。