五等-電子工程電子學大意106 年第 10 題單選題
如圖所示電路,U1 為理想運算放大器。假設二極體導通電壓 $V_{D0}=0.7\ V$ 。已知電阻 $R1=1\ k\Omega$ 、 $R2=2\ k\Omega$ 、 $R3=1\ k\Omega$ 、 $V_{CC}=-5\ V$ 。當 $v_{I}=3\ V$ 時,下列敘述何者正確?
AD1 導通、D2 不導通
BD1、D2 都導通
CD1、D2 都不導通
DD1 不導通、D2 導通正確答案
D正確答案
VCC=-5V、vI=3V時,運放輸出為負值,D1截止、D2導通,輸出vO由D2箝位。
為什麼答案是 D
分析:節點A電位 = VCC + (VCC與A間無直接電阻,A由R3連接VCC=-5V及R2)。vI=3V接運放反相端(-),同相端(+)接地=0V。反相端電位 = (vI經R1與節點A經R3的疊加)。由於反相端電位 > 0V(同相端),運放輸出飽和至負電壓。從圖可見D1陽極接節點A下方、陰極朝向運放輸出端B;運放輸出為負時D1反偏截止。D2陽極接運放輸出(B點)、陰極接vO;運放輸出負值使得D2反向⋯再細看圖:D2方向為陽極在左(B點)、陰極在右(vO),運放輸出負→D2正偏導通,vO = 運放輸出 + 0.7V ≈ 負值。答案D正確:D1不導通、D2導通。
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完整詳解
Pro · 無限重點 VCC=-5V、vI=3V時,運放輸出為負值,D1截止、D2導通,輸出vO由D2箝位。
VCC=-5V使節點A電位偏低,運放反相輸入>同相輸入(0V),輸出飽和為負→D1陽極電位低,D1截止;負輸出使D2導通。
逐選項分析
A✕ 陷阱
若忽略VCC=-5V的偏壓影響,可能誤判D1導通。但實際上運放輸出為負,D1(陽極接運放輸出端)無法正偏,故D1截止。
B✕
D1與D2同時導通不可能,因為D1截止使得回饋路徑斷開,電路狀態由D2單獨決定。
C✕
D1、D2都不導通則輸出懸空,不符合電路設計邏輯。VCC=-5V下D2仍會導通提供輸出路徑。
D✓ 正確
分析:節點A電位 = VCC + (VCC與A間無直接電阻,A由R3連接VCC=-5V及R2)。vI=3V接運放反相端(-),同相端(+)接地=0V。反相端電位 = (vI經R1與節點A經R3的疊加)。由於反相端電位 > 0V(同相端),運放輸出飽和至負電壓。從圖可見D1陽極接節點A下方、陰極朝向運放輸出端B;運放輸出為負時D1反偏截止。D2陽極接運放輸出(B點)、陰極接vO;運放輸出負值使得D2反向⋯再細看圖:D2方向為陽極在左(B點)、陰極在右(vO),運放輸出負→D2正偏導通,vO = 運放輸出 + 0.7V ≈ 負值。答案D正確:D1不導通、D2導通。
運放輸出極性對二極體導通狀態的影響
| 條件 | 運放輸出 | D1狀態(陽極在A/輸出端) | D2狀態(陽極在輸出端) | 回饋路徑 |
|---|
| vI>0, VCC<0 (本題) | 負飽和 | 截止(反偏) | 導通(正偏) | D2導通形成負回饋 |
| vI<0, VCC>0 (相反情況) | 正飽和 | 導通(正偏) | 截止(反偏) | D1導通形成負回饋 |
本題最大陷阱:VCC = -5V(負電源),考生容易習慣VCC為正值而誤判節點A偏壓方向。VCC=-5V透過R3將節點A拉向負電位,加上vI=3V使運放反相端電位高於同相端(0V),導致運放輸出負飽和,進而使D1截止、D2導通。務必注意電源極性!