課 程 簡 介 第 一 章 基 本 電 路 理 論 第 二 章 半 導 體 物 理 與 pn 接 面 二 極 體 元 件 分 析 第 三 章 二 極 體 電 路 分 析

電 子 學 ( 一 )

課 程 簡 介 第 一 章 基 本 電 路 理 論 第 二 章 半 導 體 物 理 與 pn 接 面 二 極 體 元 件 分 析 第 三 章 二 極 體 電 路 分 析

第 四 章 雙 載 子 接 面 電 晶 體 第 五 章 雙 載 子 接 面 電 晶 體 之 直 流 偏 壓 分 析 第 六 章 雙 載 子 接 面 電 晶 體 之 交 流 小 訊 號 分 析

基 本 電 路 理 論

概 述 研 讀 電 子 學 必 須 具 備 基 本 電 路 理 論 之 基 礎, 方 能 達 事 半 功 倍 之 效 果 首 先 幫 助 各 位 回 顧 各 種 電 源 模 型 後, 接 著 討 論 一 些 基 本 電 路 理 論 常 用 之 線 性 電 路 定 理 與 有 關 電 子 學 所 需 要 之 基 本 電 路 觀 念

獨 立 性 電 源 可 提 供 電 路 正 常 運 作 之 能 量 稱 為 電 源 一 般 而 言, 在 電 子 電 路 中, 電 源 之 種 類 可 分 為 兩 種 : 一 為 獨 立 性 電 源 (Independent sources); 另 一 種 為 相 依 性 電 源 (Dependent sources) 獨 立 性 電 源 可 以 用 電 壓 源 (Voltage source) 和 電 流 源 (Current source) 來 表 示, 此 種 電 源 之 電 壓 或 電 流 可 保 持 定 值, 即 其 大 小 不 受 負 載 與 使 用 時 間 之 影 響 理 想 電 壓 源 是 假 設 電 壓 v s, 而 此 電 壓 之 大 小 與 流 過 電 源 之 電 流 無 關, 而 其 輸 出 電 流 之 大 小 由 負 載 電 阻 決 定, 如 右 圖 所 示 v s L

理 想 電 流 源 是 假 設 電 流 i s, 而 此 電 流 之 大 小 與 電 源 兩 端 之 電 壓 無 關, 而 其 輸 出 電 壓 之 大 小 由 負 載 電 阻 決 定, 如 右 圖 所 示 i s L 對 理 想 電 壓 源 ( 電 流 源 ) 而 言, 若 負 載 電 阻 L 趨 近 於 零 ( 無 窮 大 ), 則 負 載 電 流 ( 電 壓 ) 會 趨 近 無 窮 大, 此 為 不 可 能 發 生 之 情 況, 故 理 想 電 源 只 存 在 於 理 論 之 探 討 上, 實 際 上 是 不 存 在 的

實 際 電 源 可 視 為 理 想 電 源 和 一 個 或 多 個 被 動 元 件 之 組 合, 即 實 際 電 源 應 有 內 阻 存 在, 因 此 不 可 能 產 生 無 限 大 之 電 流 或 電 壓, 如 下 圖 所 示 s v s i s s L L (a) 實 際 電 壓 源 (b) 實 際 電 流 源

相 依 電 源 模 型 相 依 性 電 源 (Dependent sources) 之 電 壓 或 電 流 之 大 小 是 由 電 路 中 某 些 位 置, 所 存 在 之 電 壓 或 電 流 大 小 有 關, 亦 即 其 值 是 由 電 路 中 某 些 位 置 之 電 壓 或 電 流 所 控 制, 在 電 路 中 相 依 性 電 源 常 用 菱 形 符 號 來 標 示 因 輸 出 可 用 輸 入 電 壓 或 電 流 當 作 控 制 變 數, 相 依 性 電 源 視 之 組 合 可 分 為 4 種, 如 下 所 示 : () 電 壓 控 制 之 電 壓 源 (Voltage control voltage sources; VCVS) v o = A V v i () 電 壓 控 制 之 電 流 源 (Voltage control current sources; VCIS) I o = G m v i (3) 電 流 控 制 之 電 壓 源 (Current control voltage sources; ICVS) v o = m I i (4) 電 流 控 制 之 電 流 源 (Current control current sources; ICIS) I o = β I i

I o v i A V v i v o v i Gv m i (a) 電 壓 控 制 之 電 壓 源 (VCVS) (b) 電 壓 控 制 之 電 流 源 (VCIS) I o I i m I i v o I i βi i (c) 電 流 控 制 之 電 壓 源 (ICVS) (d) 電 流 控 制 之 電 流 源 (ICIS)

歐 姆 定 律 當 一 穩 態 電 流 I 通 過 一 電 阻 時, 此 電 阻 兩 端 之 壓 降 V 等 於 電 流 I 與 電 阻 值 之 乘 積, 此 種 關 係 稱 為 歐 姆 定 律 (Ohm s law) 歐 姆 定 律 之 數 學 表 示 式 為 V V = I I = 或 = I V 利 用 歐 姆 定 律, 可 推 演 出 電 阻 所 消 耗 之 電 功 率 P 為 P = I V = I = V

克 希 荷 夫 電 壓 定 律 根 據 能 量 不 滅 定 律, 在 一 封 閉 迴 路 之 電 場 中, 單 位 電 荷 由 某 一 點 出 發 再 回 到 原 點 時, 在 此 迴 路 上 所 獲 得 與 損 失 之 電 位 能 一 定 相 等 因 此 在 一 封 閉 迴 路 中, 環 繞 一 週 電 壓 升 V r 之 總 和 會 等 於 電 壓 降 V d 之 總 和, 此 關 係 稱 克 希 荷 夫 電 壓 定 律 (Kirchhoff s voltage law;kvl), 即 V r = V d 例 題 - 如 右 圖 所 示 之 電 路, 試 求 電 壓 V 及 V? 3 由 KVL 知 0 = 6 V 0 = 6 V 可 求 得 V = 4 V 及 V = V 0 V 6V V V V 4

克 希 荷 夫 電 流 定 律 根 據 能 量 不 滅 定 律, 電 路 中 之 電 荷 不 會 任 意 產 生 或 消 失, 亦 即 電 荷 不 會 在 任 一 節 點 堆 積, 故 在 一 電 路 中, 流 入 任 一 節 點 之 電 流 總 和 I i 等 於 流 出 該 節 點 的 電 流 總 和 I o, 此 關 係 稱 為 克 希 荷 夫 電 流 定 律 (Kirchhoff s current law;kcl), 即 I i = I o 例 題 -3 如 右 圖 所 示 之 電 路, 試 求 電 流 I? I I = A 由 KCL 知 I = I I 6A 6 = I 可 求 得 I = 4 A

分 壓 定 律 計 算 串 聯 電 路 中 跨 接 於 各 個 電 阻 壓 降 之 技 巧 稱 為 分 壓 定 律 (Voltage Divider ule), 如 下 圖 所 示 之 串 聯 電 路 各 個 電 阻 所 產 生 之 壓 降 ( 電 阻 所 產 生 之 壓 降 與 該 電 阻 值 成 正 比 關 係 ) 分 別 為 V = V s V = V s V s V V

分 流 定 律 計 算 並 聯 電 路 中 流 經 各 個 電 阻 電 流 之 技 巧 稱 為 分 流 定 律 (Current divider rule), 如 下 圖 所 示 之 並 聯 電 路 中, 流 經 各 個 電 阻 之 電 流 ( 流 過 電 阻 之 電 流 與 該 電 阻 值 成 反 比 關 係 ) 分 別 為 I = I S I I I = I S I s

戴 維 寧 定 理 一 個 複 雜 之 線 性 網 路, 皆 可 視 為 一 等 效 電 阻 ( 稱 為 戴 維 寧 電 阻 ) 串 聯 一 個 等 效 電 壓 ( 稱 為 戴 維 寧 電 壓 ) 所 組 成 之 簡 單 電 路 取 代, 稱 為 戴 維 寧 定 理 (Thevenin s Theorem) 例 題 -4 如 右 圖 所 示 之 線 性 網 路, 試 求 = 4Ω = 6 Ω 3 (a) 戴 維 寧 等 效 電 壓 與 戴 維 寧 等 效 電 阻, 並 繪 出 I L 戴 維 寧 電 路 0 V = 6Ω V L L = 0Ω (b) 計 算 流 經 負 載 之 電 流 I L 與 負 載 兩 端 之 電 壓 V L

步 驟 一 : 將 負 載 L 自 電 路 移 除, 留 下 之 端 點 標 示 為 a 與 b, 如 下 圖 所 示 a = 4Ω = 6 Ω 3 4 Ω 6 Ω 0 V 0 V 6Ω = 6Ω = 0Ω V ab V L I L L b 6 步 驟 二 : 計 算 由 a-b 兩 端 所 看 進 去 之 等 效 電 壓 V = V th = V s = 0 = 6 V 4 6 ab 步 驟 三 : 將 電 壓 源 短 路 後, 求 解 由 a-b 兩 端 所 看 進 去 之 等 效 電 阻 ab = th = 3 // = 6.4 = 8. 4 Ω

步 驟 四 : 繪 出 戴 維 寧 等 效 電 路, 並 將 所 移 除 負 載 L 串 接 至 a-b 兩 端, 如 下 圖 所 示, 再 利 用 歐 姆 定 律 即 可 求 得 流 經 負 載 之 電 流 4 Ω 6 Ω a th = 8. 4Ω I L 0 V 6Ω V ab V = 6 V V th L L = 0Ω b I L = th V th L 6 = 8.4 = 0.36A 0 V = I L L L = 0.36 0 = 3.6V

諾 頓 定 理 一 個 複 雜 之 線 性 網 路, 亦 可 以 一 等 效 電 流 源 並 聯 一 個 等 效 電 阻 ( 稱 為 諾 頓 電 阻 ) 所 組 成 之 簡 單 電 路 取 代, 稱 為 諾 頓 定 理 (Norton s theorem) 例 題 -5 如 下 圖 所 示 之 線 性 網 路, 試 求 (a) 等 效 電 流 源 與 等 效 電 阻, 並 繪 出 諾 頓 等 效 電 路 (b) 計 算 流 經 負 載 之 電 流 與 負 載 兩 端 之 電 壓 0 V = 4Ω = 6 Ω 3 = 6Ω V L L I L = 0Ω

步 驟 一 : 將 負 載 L 自 電 路 移 除, 留 下 之 端 點 標 示 為 a 與 b, 如 下 圖 所 示 = 4Ω = 6 Ω 3 a 4 Ω 6 Ω I L 0 V 0 = 6Ω = 0Ω V 6Ω V ab V L L b 步 驟 二 : 將 a-b 兩 端 短 路, 計 算 流 過 a-b 端 之 短 路 電 流 I SC I = = I V s / 3 3 0 = 4 6 =.43 6 =.43 A 3 = 0.75 A 6 步 驟 三 : 將 電 壓 源 短 路 後, 求 解 由 a-b 兩 端 所 看 進 去 之 等 效 電 阻 ab = th = 3 // = 6.4 = 8. 4 Ω

步 驟 四 : 繪 出 諾 頓 等 效 電 路, 並 將 所 移 除 負 載 L 串 接 至 a-b 兩 端, 如 下 圖 所 示, 再 利 用 歐 姆 定 律 即 可 求 得 流 經 負 載 之 電 流 0 V 4 Ω 6 Ω 6Ω V ab I sc = 0.75A th = 8. 4Ω V L a b I L L = 0Ω I L = I SC th th L 8.4 = 0.75 = 0.36A 8.4 0 V = I L L L = 0.36 0 = 3.6V

重 疊 定 律 一 個 電 路 若 有 兩 個 以 上 之 獨 立 性 電 源 同 時 作 用 時, 可 分 別 考 慮 各 個 電 源 對 所 求 之 部 分 的 作 用, 當 考 慮 某 一 電 源 對 電 路 之 作 用 時, 需 將 其 他 電 源 自 電 路 移 除, 然 後 將 所 有 電 源 對 電 路 作 用 之 結 果 的 代 數 和 即 為 所 求, 稱 為 重 疊 定 理 (Superposition law) 例 題 -6 如 下 圖 所 示 之 線 性 網 路, 試 流 經 之 電 流 I = 4Ω = 6 Ω 3 I V s = 0V = 6Ω I s = 5A

步 驟 一 : 首 先 考 慮 0 V 電 壓 源 之 作 用, 故 必 須 將 5 A 之 電 流 源 開 路, 如 下 圖 (a) 所 示, 而 則 流 經 V 0 之 電 流 I = = = A 4 6 s 步 驟 二 : 接 著 考 慮 5 A 電 流 源 之 作 用, 故 必 須 將 0 V 電 壓 源 短 路, 如 下 圖 (b) 所 示, 而 流 經 I s 4 5 之 電 流 I = = = A 4 6 4 Ω 6 Ω I 4 Ω 6 Ω I V s = 0V 6Ω 6Ω I s = 5A (a) 只 考 慮 0V 電 源 作 用 之 電 路 (b) 只 考 慮 5A 電 源 作 用 之 電 路

步 驟 三 : 考 慮 各 別 電 源 之 作 用 後, 因 兩 電 源 之 作 用, 使 流 經 之 電 流 方 向 相 同, 故 可 求 得 電 流 I = I I = = 3A

問 題 討 論 試 說 明 理 想 電 壓 源 之 定 義, 並 討 論 實 際 電 壓 源 與 理 想 電 壓 源 之 主 要 差 別 解 : () 理 想 電 壓 源 是 假 設 能 產 生 電 壓 V S, 而 此 電 壓 之 大 小 與 流 過 電 源 之 電 流 無 關, 而 其 輸 入 電 流 之 大 小 由 負 載 決 定 () 理 想 電 壓 源 只 存 在 於 理 論, 實 際 上 是 不 存 在 的 ; 實 際 電 壓 源 與 理 想 電 壓 源 與 一 個 或 多 個 被 動 電 子 元 件 之 組 合, 即 實 際 電 壓 源 應 有 內 阻 存 在, 不 能 產 生 無 限 大 之 電 流

試 說 明 理 想 電 流 源 之 定 義, 並 討 論 實 際 電 流 源 與 理 想 電 流 源 之 主 要 差 別 解 : () 理 想 電 流 源 是 假 設 能 產 生 電 流 I S, 而 此 電 流 之 大 小 與 電 源 兩 端 之 電 壓 無 關 ( 即 電 流 保 持 定 值 ), 其 輸 出 電 壓 之 大 小 由 負 載 電 阻 決 定 () 理 想 電 流 源 內 阻 為 無 窮 大, 而 實 際 電 流 源 是 不 可 能 毫 無 內 阻

3 試 說 明 獨 立 性 電 源 與 相 依 性 電 源 之 基 本 定 義 解 : () 獨 立 性 電 源 : 電 源 之 電 壓 或 電 流 可 保 持 定 值, 即 其 大 小 不 受 負 載 與 使 用 時 間 影 響 () 相 依 電 源 : 電 源 之 電 壓 或 電 流 大 小 是 由 電 路 中 某 些 位 置 所 存 在 之 電 壓 或 電 流 有 關, 亦 即 其 值 是 由 電 路 中 某 些 位 置 之 電 壓 或 電 流 所 控 制

4 試 分 別 說 明 利 用 分 壓 定 律 分 流 定 律 克 希 荷 夫 電 壓 定 律 與 克 希 荷 夫 電 流 定 律 來 求 解 電 路 之 適 用 條 件 為 何? 解 : (a) 分 壓 定 律 : 使 用 於 串 聯 電 路, 說 明 串 聯 電 路 中, 電 阻 所 產 生 的 壓 降 和 該 電 阻 之 大 小 成 正 比 關 係 (b) 分 流 定 律 : 使 用 於 並 聯 電 路, 說 明 並 聯 電 路 中, 流 經 電 阻 之 電 流 和 該 電 阻 之 大 小 成 反 比 關 係 (c) 克 希 荷 夫 電 壓 定 律 : 在 一 封 閉 迴 路 之 電 場 中, 環 繞 一 週 之 電 壓 升 Vr 之 總 和 會 等 於 電 壓 降 Vd 之 總 和, 因 此 可 配 合 網 路 電 流 法, 以 求 解 某 一 迴 路 之 電 流 (d) 克 希 荷 夫 電 流 定 律 : 在 電 路 中, 流 入 任 一 節 點 之 電 流 總 和 Ii 等 於 流 出 該 節 點 的 電 流 總 和 Io, 因 此 可 配 合 節 點 電 壓 法, 以 求 解 某 一 節 點 之 電 壓

Click below to find more Mipaper at www.lcis.com.tw Mipaper at www.lcis.com.tw