鐵路人員考試高員三級-電子工程電子學大意107 年第 39 題單選題
如圖電路為具有電阻 rb=500 Ω 的混合 π 等效電路。如果電晶體偏壓在集極電流 ICQ=2 mA 時,其相關參數為 β=100、C1=2 nF,且熱電壓 VT=0.026 V。則此電路之 −3 dB 頻率約為多少?
A201 kHz
B211 kHz
C221 kHz正確答案
D231 kHz
C正確答案
混合π等效電路的-3dB頻率,由C1與其並聯電阻決定,需先求rπ再計算截止頻率f=1/(2π·RC)。
為什麼答案是 C
221 kHz:正確答案。由圖可知C1連接在rπ右側節點與右側電路之間,形成高通濾波器結構。rπ=β·VT/ICQ=100×0.026/0.002=1300Ω,rb=500Ω。從C1看進去的等效電阻為rπ+rb(串聯)=1300+500=1800Ω(若RL忽略或在右側節點,因理想電流源並聯RL視為獨立)。等效電阻Re=rπ+rb=1800Ω(C1左側看入為rb+rπ=1800Ω,因Vi為理想電壓源短路後rb與rπ串聯)。f=1/(2π×1800×2×10⁻⁹)=1/(2π×3.6×10⁻⁶)≈44.2kHz。重新審視:C1在圖中為耦合電容,位於rπ右端節點與gmVπ電流源/RL輸出級之間,作為隔直電容。從C1兩端看等效電阻=rπ‖rb的情況需重算。若從C1左端看:電壓源Vi串rb,右端接rπ到地,故左端等效電阻=(rb+rπ)=1800Ω,右端為RL。總等效電阻=rπ+rb=1800Ω不含RL(電流源為理想)。f≈1/(2π×1800×2e-9)≈44kHz,仍不符。考慮題目為高通,從C1看總電阻=rb+rπ(左)與RL無關(右側gmVπ電流源阻抗無限大),Re=rb+rπ=1800Ω,但正解221kHz對應R≈360Ω。若Re=rπ‖rb=1300×500/1800=361Ω,則f=1/(2π×361×2e-9)=1/(2π×722e-9)≈220.5kHz≈221kHz。故正確等效電阻應為rπ‖rb=361Ω(Vi為理想電壓源,短路後rb與rπ並聯面向C1)。
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完整詳解
Pro · 無限重點 混合π等效電路的-3dB頻率,由C1與其並聯電阻決定,需先求rπ再計算截止頻率f=1/(2π·RC)。
rπ=β/gm=β·VT/ICQ=100×0.026/0.002=1300Ω;等效電阻=rπ‖(輸入側);極點由C1決定,f=1/(2π·rπ·C1)≈61kHz?需考慮rb分壓後等效電阻計算。
逐選項分析
A✕
201 kHz:計算過程中若等效電阻估算偏大,會得到此值,但並非正確的-3dB頻率。
B✕
211 kHz:接近正解但等效電阻或電容估算略有偏差,非正確答案。
C✓ 正確
221 kHz:正確答案。由圖可知C1連接在rπ右側節點與右側電路之間,形成高通濾波器結構。rπ=β·VT/ICQ=100×0.026/0.002=1300Ω,rb=500Ω。從C1看進去的等效電阻為rπ+rb(串聯)=1300+500=1800Ω(若RL忽略或在右側節點,因理想電流源並聯RL視為獨立)。等效電阻Re=rπ+rb=1800Ω(C1左側看入為rb+rπ=1800Ω,因Vi為理想電壓源短路後rb與rπ串聯)。f=1/(2π×1800×2×10⁻⁹)=1/(2π×3.6×10⁻⁶)≈44.2kHz。重新審視:C1在圖中為耦合電容,位於rπ右端節點與gmVπ電流源/RL輸出級之間,作為隔直電容。從C1兩端看等效電阻=rπ‖rb的情況需重算。若從C1左端看:電壓源Vi串rb,右端接rπ到地,故左端等效電阻=(rb+rπ)=1800Ω,右端為RL。總等效電阻=rπ+rb=1800Ω不含RL(電流源為理想)。f≈1/(2π×1800×2e-9)≈44kHz,仍不符。考慮題目為高通,從C1看總電阻=rb+rπ(左)與RL無關(右側gmVπ電流源阻抗無限大),Re=rb+rπ=1800Ω,但正解221kHz對應R≈360Ω。若Re=rπ‖rb=1300×500/1800=361Ω,則f=1/(2π×361×2e-9)=1/(2π×722e-9)≈220.5kHz≈221kHz。故正確等效電阻應為rπ‖rb=361Ω(Vi為理想電壓源,短路後rb與rπ並聯面向C1)。
D✕
231 kHz:若等效電阻略估偏小(約345Ω),可得此值,但精確計算應為221kHz。
混合π等效電路關鍵參數計算
| 參數 | 公式 | 數值 |
|---|
| 跨導 gm | ICQ / VT | 2mA / 0.026V = 76.9 mA/V |
| rπ | β / gm = β·VT / ICQ | 100 × 0.026 / 0.002 = 1300 Ω |
| rb | 題目給定 | 500 Ω |
| C1兩端等效電阻 Re | rπ ‖ rb(Vi短路後並聯) | 1300×500/1800 ≈ 361 Ω |
| -3dB 頻率 f | 1/(2π·Re·C1) | 1/(2π×361×2n) ≈ 221 kHz |
最常見陷阱:求C1兩端的戴維寧等效電阻時,因Vi是理想電壓源(內阻為零),從C1往左看,rb與rπ是並聯關係(rb一端接地經Vi短路),而非串聯。誤用串聯得Re=1800Ω會導致頻率計算結果差5倍,必須牢記理想電壓源短路處理。