Введение

В электронике эффект Миллера (названный в честь его первооткрывателя Джона Милтона Миллера) объясняет увеличение эквивалентной входной ёмкости инвертирующего усилителя напряжения из-за усиления влияния ёмкости между входным и выходным выводами усилителя и выражается формулой

где – коэффициент усиления по напряжению инвертирующего усилителя (положительный), а – ёмкость обратной связи. Хотя термин «эффект Миллера» обычно относится к ёмкости, любое импедансное соединение между входом и другим узлом с усилением может изменять входное сопротивление усилителя посредством этого эффекта. Эти свойства эффекта Миллера обобщены в теореме Миллера. Емкость Миллера, возникающая из-за нежелательной паразитной ёмкости между выходом и входом активных компонентов, таких как транзисторы и вакуумные лампы, является основным фактором, ограничивающим их усиление на высоких частотах.

История

Когда Миллер опубликовал свою работу в 1920 году, он работал с вакуумными триодами. Тот же анализ применим и к современным приборам, таким как биполярные и полевые транзисторы.

Эффекты

Поскольку большинство усилителей являются инвертирующими (как определено выше, положительным входом), эффективная ёмкость на их входах увеличивается из-за эффекта Миллера. Это может уменьшить полосу пропускания усилителя, ограничивая диапазон его рабочих частот более низкими значениями. Например, малые переходы и паразитные ёмкости между базовым и коллекторным выводами транзистора Дарлингтона могут значительно возрастать под воздействием эффекта Миллера из-за его высокого коэффициента усиления, что снижает высокочастотную характеристику устройства. Важно также отметить, что ёмкость Миллера – это ёмкость, видимая при взгляде на вход. При поиске всех RC-постоянных времени (полюсов) необходимо учитывать также ёмкость, видимую на выходе. Ёмкость на выходе часто игнорируется, поскольку выходы усилителей обычно имеют низкий импеданс. Однако, если усилитель имеет высокий выходной импеданс, например, когда каскад усиления также является выходным каскадом, то эта RC-цепь может существенно влиять на производительность усилителя. В таких случаях применяются методы расщепления полюсов. Эффект Миллера также можно использовать для синтеза конденсаторов большей ёмкости из конденсаторов меньшей ёмкости. Одним из примеров является стабилизация усилителей с обратной связью, где требуемая ёмкость может быть слишком большой для практической реализации в схеме. Это особенно важно при проектировании интегральных схем, где конденсаторы могут занимать значительную площадь, увеличивая стоимость.

Смягчение

Во многих случаях эффект Миллера может быть нежелательным, и могут быть предприняты шаги для уменьшения его влияния. Несколько таких методов используются при проектировании усилителей. Для снижения коэффициента усиления между входными и выходными выводами усилителя (хотя не обязательно общего коэффициента усиления) на выходе может быть добавлена буферная стадия по току. Например, общая база может использоваться в качестве буфера тока на выходе каскада с общим эмиттером, образуя каскодный усилитель. Это обычно уменьшает эффект Миллера и увеличивает полосу пропускания усилителя. Альтернативно, перед входом усилителя может быть использован буфер напряжения, уменьшающий эффективное сопротивление источника, видимое входными выводами. Это снижает постоянную времени цепи и обычно увеличивает полосу пропускания. Емкость Миллера может быть уменьшена с помощью нейтрализации. Это достигается путем подачи дополнительного сигнала, находящегося в противофазе с сигналом на выходе каскада. Подавая такой сигнал через подходящий конденсатор, эффект Миллера может, по крайней мере в теории, быть полностью устранен. На практике, изменения емкости отдельных усилительных элементов в сочетании с другими паразитыми емкостями затрудняют создание схемы с полной компенсацией. Исторически, нейтрализующий конденсатор часто подбирался экспериментально для соответствия конкретному усилительному элементу, особенно в ранних транзисторах с очень низкой полосой пропускания. Для получения сигнала с фазовым сдвигом обычно требуется индуктивный элемент, такой как дроссель или межступенчатый трансформатор. В вакуумных лампах между управляющей сеткой и анодом можно было установить дополнительную сетку (экранирующую сетку). Это позволяло экранировать анод от сетки и существенно снизить емкость между ними. Хотя эта техника первоначально была успешной, другие факторы ограничивали ее преимущества по мере улучшения полосы пропускания ламп. Более поздние лампы должны были использовать очень маленькие сетки (каркасную сетку), чтобы уменьшить емкость и обеспечить работу устройства на частотах, недостижимых с экранирующей сеткой.

Приближение Миллера

В этом примере также предполагается, что Av не зависит от частоты, но в более общем случае частотная зависимость усилителя неявно содержится в Av. Эта частотная зависимость Av также делает емкость Миллера частотно-зависимой, что затрудняет интерпретацию CM как емкости. Однако, как правило, любая частотная зависимость Av проявляется только на частотах, значительно превышающих спад, вызванный эффектом Миллера. Поэтому для частот ниже частоты спада усиления, обусловленного эффектом Миллера, Av можно точно аппроксимировать его значением на низких частотах. Определение CM с использованием Av на низких частотах называется приближением Миллера. При использовании приближения Миллера, CM становится не зависящей от частоты, и ее интерпретация как емкости на низких частотах становится достоверной.