Вопрос 3. Емкость и эффект Миллера, устранение эффекта Миллера.

До сих пор мы пользовались моделью транзистора для сигналов постоянного тока или низкой частоты. В простейшей модели транзистора в виде усилителя тока - напряжения, токи и сопротивления рассматривают со стороны различных выводов транзистора. Пользуясь этой моделью, мы уже охватили достаточно широкий круг вопросов, и на самом деле они содержат в себе почти все, что необходимо учитывать при разработке транзисторных схем. Однако до сих пор мы не принимали во внимание важный момент — внешние цепи и сами переходы транзистора обладают некоторой емкостью, которую необходимо учитывать при разработке быстродействующих и высокочастотных схем. На самом деле, на высоких частотах емкость зачастую определяет работу схемы: на частоте 100 МГц емкость перехода, равная 5 пкФ, имеет импеданс 320 Ом.

Емкость схемы и перехода. Емкость ограничивает скорость изменения напряжений в схеме, так как любая схема имеет собственные конечные выходные импеданс и ток. Когда емкость перезаряжается от источника с конечным сопротивлением, ее заряд происходит по экспоненциальному закону с постоянной времени RC; если же емкость заряжает идеальный источник тока, то снимаемый с нее сигнал будет изменяться по линейному закону.

Общая рекомендация заключается в следующем: для ускорения работы схемы следует уменьшать импеданс источника и емкость нагрузки и увеличивать управляющий ток. Однако некоторые особенности связаны с емкостью обратной связи и с входной емкостью. Схема на рис. 3.1 иллюстрирует, как проявляются емкости переходов транзистора. Выходная емкость образует RC-цепь с выходным сопротивлением R_н (сопротивление R_н включает в себя как сопротивление коллектора, так и сопротивление нагрузки, а емкость С_н — емкость перехода и емкость нагрузки), в связи с этим спад сигнала начинается при частоте f = 1/2πR_нС_н. То же самое можно сказать о входной емкости и сопротивлении источника R_U.

Эффект Миллера. Емкость С_кб играет иную роль. Усилитель обладает некоторым коэффициентом усиления по напряжению K_U, следовательно, небольшой сигнал напряжения на входе порождает на коллекторе сигнал, в K_U раз превышающий входной (и инвертированный по отношению к входному). Из этого следует, что для источника сигнала емкость С_кб в (K_U + 1) раз больше, чем при подключении С_кб между базой и землей, т. е. при расчете частоты среза входного сигнала можно считать, что емкость обратной связи ведет себя как конденсатор емкостью С_кб (K_U +1), подключенный между входом и землей.

 

Рисунок 3.1 - Емкости перехода и нагрузки в транзисторном усилителе.

Эффективное увеличение емкости С_кб и называют эффектом Миллера. Эффект Миллера часто играет основную роль в спаде усиления, так как типичное значение емкости обратной связи около 4 пФ соответствует (эквивалентно) емкости в несколько сотен пикофарад, присоединенной на землю. Существует несколько методов борьбы с эффектом Миллера, например, он будет полностью устранен, если использовать усилительный каскад с общей базой. Импеданс источника можно уменьшить, если подавать сигнал на каскад с заземленным эмиттером через эмиттерный повторитель. На рис. 3.2 показаны эти две возможности.

 

 

Рисунок 3.2 - Две схемы, в которых устранен эффект Миллера. Схема Б представляет собой пример каскадного включения транзисторов.