Электроникада Миллер эффектісінің әсері

Кіріспе

Электроникадағы эффект
Электроникада Миллер эффектісі (оның ашқан адамы Джон Милтон Миллер есімімен аталады) инверттеуші кернеу күшейткішінің эквиваленттік кіріс сыйымдылығының артуын, күшейткіштің кіріс және шығыс терминалдары арасындағы сыйымдылықтың әсерін күшейту арқылы түсіндіреді. Бұл эффект мына формуламен беріледі:

мұнда – инверттеуші күшейткіштің кернеу коэффициенті (оң) және – кері байланыс сыйымдылығы. Миллер эффектісі термині көбінесе сыйымдылықты білдіргенімен, кіріс пен кернеу күшейтуге ие басқа түйін арасындағы кез келген кедергі осы эффект арқылы күшейткіштің кіріс кедергісін өзгерте алады. Миллер эффектісінің осы қасиеттері Миллер теоремасында жалпыланған. Транзисторлар және вакуумдық түтіктер сияқты активті құрылғылардың шығысы мен кірісі арасындағы немесе паразиттік сыйымдылық Миллер сыйымдылығын тудырады, бұл олардың жоғары жиіліктердегі күшейтуін шектейтін маңызды фактор болып табылады.

Тарих

1920 жылы Миллер өзінің еңбегін жариялағанда, ол вакуумдық триодтармен жұмыс істеген. Осы талдау биполярлық және өріс эффектілі транзисторлар сияқты қазіргі заманғы құрылғыларға да қолданылады.

Әсерлер

Көбінесе күшейткіштер инверттеуші болады (жоғарыда көрсетілгендей, оң деп есептелінеді), сондықтан Миллер эффектісіне байланысты кірісіндегі тиімді сыйымдылық артады. Бұл күшейткіштің өткізу қабілетін азайтып, оның жұмыс жиілік диапазонды төменгі жиіліктермен шектейді. Мысалы, Дарлингтон транзисторының базасы мен коллекторы арасындағы кішкентай қосылыс және шатасқан сыйымдылықтар, оның жоғары күшейтуінің нәтижесінде Миллер эффектісінен күрт өсе алады, бұл құрылғының жоғары жиілікті жауабын төмендетеді. Сондай-ақ, Миллер сыйымдылығының кірістен қарағанда көрінетін сыйымдылық екенін ескеру маңызды. Барлық RC уақыт константаларын (полюстерін) анықтау үшін, шығыстан көрінетін сыйымдылықты да ескеру қажет. Шығыстағы сыйымдылық көбінесе ескерілмейді, себебі күшейткіш шығыстары әдетте төмен кедергілі болады. Дегенмен, егер күшейткіштің шығыс кедергісі жоғары болса, мысалы, күшейту сатысы бірқатар шығыс сатысы болса, онда бұл RC күшейткіштің жұмысына маңызды әсер етуі мүмкін. Мұндай жағдайларда полюстерді бөлу әдістері қолданылады. Миллер эффектісін кішкентай сыйымдылықтардан үлкен сыйымдылықтарды жасау үшін де пайдалануға болады. Мұндай мысалдардың бірі кері байланыс күшейткіштерін тұрақтандыру болып табылады, онда қажетті сыйымдылықты схемаға енгізу үшін тым үлкен болуы мүмкін. Бұл, әсіресе, интегралдық схемаларды жобалау кезінде маңызды, себебі сыйымдылықтар көп орынды алады, бұл құнына әсер етеді.

Жеңілдіктер

Миллер эффектісі көп жағдайларда қажетсіз болуы мүмкін, сондықтан оның әсерін азайтуға бағытталған тәсілдер іздестіріледі. Күшейткіштерді жобалауда мұндай бірнеше техникалар қолданылады. Күшейткіштің кіріс және шығыс терминалдары арасындағы күшейтуді төмендету үшін (бірақ жалпы күшейтуді міндетті түрде емес) шығысқа ток буферлік каскад қосылуы мүмкін. Мысалы, ортақ базаны ортақ эмиттерлік каскадтың шығысында ток буфері ретінде пайдалануға болады, бұл каскадты құрайды. Бұл, әдетте, Миллер эффектісін азайтып, күшейткіштің өткізу қабілетін арттырады. Сонымен қатар, күшейткіш кірісіне дейін кернеу буферін қоюға болады, бұл кіріс терминалдарында көрінетін тиімді кіріс кедерісін азайтады. Бұл тізбектің уақыт тұрақтылығын төмендетеді және әдетте өткізу қабілетін арттырады. Миллер сыйымдылығын нейтрализациялау арқылы азайтуға болады. Бұл фазалық оппозициядағы қосымша сигналды беру арқылы жүзеге асырылады, яғни каскадтың шығысындағы сигналға қарсы фазадағы сигналды беру арқылы. Мұндай сигналды тиісті конденсатор арқылы кері байланысқа беру арқылы Миллер эффектісін, кем дегенде теориялық тұрғыдан, толығымен жоюға болады. Бірақ іс жүзінде, жеке күшейткіш элементтердің сыйымдылығының және басқа да қосымша сыйымдықтардың өзгеруі толыққанды жоюға мүмкіндік беретін тізбекті жобалауды қиындатады. Тарихи тұрғысынан алғанда, нейтрализациялық конденсаторды күшейткіш элементке сәйкес келуі үшін сынақ кезінде таңдау қалыпты жағдай еді, әсіресе алғашқы транзисторларда өткізу қабілеті өте төмен болған кезде. Фазалық инверсияланған сигналды алу үшін әдетте индуктивті компонент, мысалы, дроссель немесе каскад аралық трансформатор қажет болады. Вакуумдық лампаларда басқару торы мен анодтың арасына қосымша тор (экрандау торы) орнатуға болады. Бұл анодты тордан экрандап, олардың арасындағы сыйымдылықты едәуір төмендетті. Бұл техника бастапқыда сәтті болғанымен, лампалардың өткізу қабілеті жақсарған сайын, бұл техниканың артықшылықтары шектелді. Кейінірек жасалған лампаларда сыйымдылықты азайту үшін өте кішкентай торларды (рамкалық торларды) қолдану қажет болды, бұл құрылғының экрандық торлармен мүмкін емес жиіліктерде жұмыс істеуіне мүмкіндік берді.

The Miller effect may be undesired in many cases, and approaches may be sought to lower its impact. Several such techniques are used in the design of amplifiers. A current buffer stage may be added at the output to lower the gain between the input and output terminals of the amplifier (though not necessarily the overall gain). For example, a common base may be used as a current buffer at the output of a common emitter stage, forming a cascode. This will typically reduce the Miller effect and increase the bandwidth of the amplifier. Alternatively, a voltage buffer may be used before the amplifier input, reducing the effective source impedance seen by the input terminals. This lowers the time constant of the circuit and typically increases the bandwidth. The Miller capacitance can be mitigated by employing neutralisation. This can be achieved by feeding back an additional signal that is in phase opposition to that which is present at the stage output. By feeding back such a signal via a suitable capacitor, the Miller effect can, at least in theory, be eliminated entirely. In practice, variations in the capacitance of individual amplifying devices coupled with other stray capacitances, makes it difficult to design a circuit such that total cancellation occurs. Historically, it was not unknown for the neutralising capacitor to be selected on test to match the amplifying device, particularly with early transistors that had very poor bandwidths. The derivation of the phase inverted signal usually requires an inductive component such as a choke or an inter stage transformer. In vacuum tubes, an extra grid (the screen grid) could be inserted between the control grid and the anode. This had the effect of screening the anode from the grid and substantially reducing the capacitance between them. While the technique was initially successful other factors limited the advantage of this technique as the bandwidth of tubes improved. Later tubes had to employ very small grids (the frame grid) to reduce the capacitance to allow the device to operate at frequencies that were impossible with the screen grid.

Миллер шамалауы

Бұл мысал да Av жиілікке тәуелсіз деп қарастырады, бірақ көбінесе Av-ның ішіндегі күшейткіштің өзі жиілікке тәуелді болады. Av-ның мұндай жиілікке тәуелділігі Миллер сыйымдылығын да жиіліктік сипатқа ие етеді, сондықтан CM-ді сыйымдылық ретінде түсіндіру қиындайды. Дегенмен, әдетте Av-ның жиілікке тәуелділігі Миллер эффектісінен туындаған жиіліктік өзгеруден әлдеқайда жоғары жиіліктерде ғана байқалады. Сондықтан, Миллер эффектісінен туындаған жиіліктерге дейін Av-ның мәні төмен жиіліктік мәнімен дәл келесін табуға болады. CM-ді төмен жиіліктерде Av арқылы анықтау Миллер жуықтауы деп аталады. Миллер жуықтауында CM жиілікке тәуелсіз болады, ал оны төмен жиіліктерде сыйымдылық ретінде түсіндіру сенімді болады.