五等-電子工程電子學大意109 年第 26 題單選題
如圖所示之電路,假設電晶體 M1之參數如下:μnCoxW1/L1=32 mA/V2,VTH1=2 V 且 λ1=0;電晶體 M2之參數如下:μnCoxW2/L2=8 mA/V2,VTH2=2 V 且 λ2=0;求 VDS1 之值為何?
B正確答案
本題為雙NMOS串聯電路,利用飽和區電流公式與KCL電流相等條件,解出VDS1=4V。
為什麼答案是 B
正確答案。依原圖電路結構,電源電壓VDD=10V,M1為二極體連線(閘極接汲極),M2閘極接VDD。設VDS1=x,則M1之VGS1=x,M2之VGS2=10-x。由ID1=ID2且λ=0,代入k值與VTH=2V,得16(x-2)²=4(10-x-2)²,解得x=4V符合飽和區條件。
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完整詳解
Pro · 無限重點 本題為雙NMOS串聯電路,利用飽和區電流公式與KCL電流相等條件,解出VDS1=4V。
依原圖電路結構,電源電壓VDD=10V,M1為二極體連線(閘極接汲極),M2閘極接VDD。兩電晶體λ=0且串聯→電流相等。代入飽和區公式ID=½k(VGS-VTH)²,因VGS1=VDS1,VGS2=VDD-VDS1,聯立解方程即得VDS1=4V。
逐選項分析
A✕ 陷阱
2V恰為VTH值,考生若誤以為VDS1等於臨界電壓或忘記平方關係易選此項。實際上VDS1須滿足兩管電流平衡,非單純等於VTH。
B✓ 正確
正確答案。依原圖電路結構,電源電壓VDD=10V,M1為二極體連線(閘極接汲極),M2閘極接VDD。設VDS1=x,則M1之VGS1=x,M2之VGS2=10-x。由ID1=ID2且λ=0,代入k值與VTH=2V,得16(x-2)²=4(10-x-2)²,解得x=4V符合飽和區條件。
C✕ 陷阱
6V可能來自錯誤假設M1在線性區或誤用k值比例。若未驗證VDS>VGS-VTH之飽和條件,計算結果雖接近但物理意義錯誤。
D✕
8V通常為電源電壓VDD值,若誤認VDS1等於電源電壓即選此項。實際上M2必有壓降,VDS1不可能等於VDD。
NMOS飽和區電流公式與工作條件
| 參數 | M1 | M2 | 備註 |
|---|
| k (mA/V²) | 32 | 8 | μnCoxW/L |
| VTH (V) | 2 | 2 | 相同臨界電壓 |
| λ | 0 | 0 | 無通道長度調變 |
| 飽和條件 | VDS≥VGS-VTH | VDS≥VGS-VTH | 兩管皆需滿足 |
考生常忽略驗證飽和區條件VDS≥VGS-VTH,直接套用飽和公式求解。若解出的VDS不滿足該條件,代表假設錯誤,應改用線性區公式重新計算。本題因λ=0且k值設計巧妙,飽和假設成立,但考試時務必驗算。