2.19. Емкость и эффект Миллера

До сих пор мы пользовались моделью транзистора для сигналов постоянного тока или низкой частоты. В простейшей модели транзистора в виде усилителя тока и в более сложной модели Эберса-Молла напряжения, токи и сопротивления рассматривают со стороны различных выводов транзистора. Пользуясь этими моделями, 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 , имеет импеданс 320 Ом.

Более подробно мы рассмотрим этот вопрос в гл. 13. Сейчас мы хотим просто поставить вопрос, проиллюстрировать его на примере некоторых схем и предложить методы его решения. Конечно, в этой главе мы не можем не коснуться причины самого явления. Рассматривая транзистор в новом аспекте, мы познакомимся с эффектом Миллера и каскодными схемами.

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 со входной емкостью. Коротко остановимся на этих вопросах.

Рис. 2.73. Емкости перехода и нагрузки в транзисторном усилителе.

Схема на рис. 2.73 иллюстрирует, как проявляются емкости переходов транзистора. Выходная емкость образует -цепь с выходным сопротивлением RH (сопротивление RH включает в себя как сопротивление коллектора, так и сопротивление нагрузки, а емкость емкость перехода и емкость нагрузки), в связи с этим спад сигнала начинается при частоте . То же самое можно сказать о входной емкости и сопротивлении источника .

Эффект Миллера.

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

Рис. 2.74. Две схемы, в которых устранен эффект Миллера. Схема Б представляет собой пример каскодного включения транзисторов.

Эффект Миллера часто играет основную роль в спаде усиления, так как типичное значение емкости обратной связи около 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. 2.74 показаны еще две возможности. В дифференциальном усилителе (без резистора в коллекторной цепи ) эффект Миллера не наблюдается; эту схему можно рассматривать как эмиттерный повторитель, подключенный к каскаду с заземленной базой. На второй схеме показано каскодное включение транзисторов. -это усилитель с заземленным эмиттером, резистор RH является общим коллекторным резистором. Транзистор включен в коллекторную цепь для того, чтобы предотвратить изменение сигнала в коллекторе (и тем самым устранить эффект Миллера) при протекании коллекторного тока через резистор нагрузки. Напряжение -это фиксированное напряжение смещения, обычно оно на несколько вольт превышает напряжение на эмиттере и поддерживает коллектор в активной области. На рис. 2.74 представлена лишь часть каскодной схемы; в нее можно включить зашунтированный эмиттерный резистор и делитель напряжения для подачи смещения на базу (подобные примеры были рассмотрены в начале настоящей главы) или охватить всю схему петлей обратной связи по постоянному току. Напряжение можно формировать с помощью делителя или зенеровского диода; для того чтобы напряжение было жестко фиксировано на частотах сигнала, можно шунтировать резистор в базе .

Упражнение 2.14. Объясните, почему эффект Миллера не наблюдается в транзисторах рассмотренной только что схемы дифференциального усилителя и в каскодных схемах.

Паразитные емкости могут создавать и более сложные проблемы, чем те, которых мы сейчас коснулись. В частности: а) спад усиления, обусловленный наличием емкости обратной связи и выходной емкости, сопровождается побочными эффектами, которые мы рассмотрим в следующей главе; б) входная емкость также оказывает влияние на работу схемы даже при наличии мощного источника входных сигналов; в частности, ток, который протекает через , не усиливается транзистором, т.е. входная емкость «присваивает» себе часть входного тока, вследствие чего коэффициент усиления малого сигнала на высоких частотах снижается и на частоте становится равным единице;

в) дело осложняется также тем, что емкости переходов зависят от напряжения, емкость изменяется столь сильно при изменении базового тока, что ее даже не указывают в паспортных данных на транзистор, вместо этого указывается значение частоты если транзистор работает как переключатель, то заряд, накопленный в области базы в режиме насыщения, также вызывает уменьшение быстродействия. Эти, а также некоторые другие вопросы, связанные с работой быстродействующих схем, мы рассмотрим в гл. 13.