Schlagwort: Miller-Effekt

UPDATE: Vom Logikpegelwandler zum Impulsgenerator (Endstufe)

Thomas Schaerer

Text und Bilder sind überarbeitet und ergänzt mit einer Schaltung die eher als Anregung dazu dient etwas anderes, auf Grund eigener Ideen, zu „erfinden“. Es geht dabei um ein sehr bekanntes CMOS-IC mit einem bipolaren Vorgänger und seiner erfolgreichen Geschichte.

Was beinhaltet dieser Elektronik-Minikurs, in wenig Worten zusammengefasst? Ein Logikpegelwandler verbindet Logikschaltungen unterschiedlicher IC-Familien. Dabei kann man z.B. eine alte, aber noch immer funktionsfähige, TTL-Schaltung mit einer CMOS-Schaltung mit unterschiedlichen Logikspannungen kombinieren. Die Anwendung ist aber keinesfalls auf Logikschaltungen begrenzt. Es kann kann auch sein, dass ein Logikpegelwandler dazu dient, ein digitales Ausgangssignal von einem Mikrocontroller (z.B. Arduino) für eine Schaltung zu wandeln, wo, aus welchem Grund auch immer, eine ±-Schaltspannung benötigt wird. Solches gibt es tatsächlich.

Thematisiert sind unterschiedliche Transistorschaltungen. Dabei geht es um die Schaltgeschwindigkeit. Also ist auch der Miller-Effekt ein Thema mit einem Link zum dafür geeigneten Elektronik-Minikurs. Als praktisches Beispiel zeigt eine Schaltung eine JFET-Steuerung für zwei Tiefpassfilter, realisiert mit je einem OTA. Eines dieser TP-Filter dient als Antialiasing- und das andere als Smoothing-Tiefpassfilter in Verbindung mit einem SC-Tiefpassfilter.

Danach folgen Logikpegelwandler mit ICs, etwas exotisch mit einem integrierten Analogschalter. Diese Schaltung dient auch als Grundlage für eine Endstufe für den Einsatz mit einem beliebigen Impulsgenerator für spezielle Anwendungen. Danach folgen noch integrierte Komparatoren für die selbe Hauptaufgabe als Logikpegelwandler.

Gruss Euer
ELKO-Thomas

 

Schalten und Steuern mit Transistoren II: Der Sättigungs- und der Miller-Effekt!

Thomas Schaerer

Das ursprüngliche Thema dieses Elektronik-Minikurses war und ist das praxisbezogene Erlernen einer einfachen Transistorschaltung mit bipolaren Transistoren (BJT) zum schnellen Schalten von Spannungen mit kleinen Strömen. Man kann universelle Transistoren einsetzen, die hauptsächlich für niederfrequente analoge Anwendungen (Verstärker, Filter) gedacht sind, sofern die niedrige Schaltgeschwindigkeit genügt. Was bei diesen NF-Transistoren täuscht, ist die oft hohe Transitfrequenz von mehr als 100 MHz. Man denkt da leicht, das sind ja nur 10 ns und damit lässt sich leicht auch ein schnelles Ein- und Ausschalten von Spannungen realisieren. Aber ganz so einfach ist das nicht. Da muss man schon Transistoren suchen, welche Wertangaben in den Einschalt-(Turn-On-Time), Speicher- (Storage-Time) und Ausschaltzeiten (Turn-Off-Time) enthalten und diese Werte müssen, wenn notwendig, im 10ns-Bereich oder sogar darunter liegen.

In einem späteren Update wurde das Thema zum Schalten mit Transistoren mit MOSFETs erweitert. Speziell dann wenn man mit hohem Eingangswiderstand schalten will, gibt es das Problem mit dem Miller-Effekt. Diesen gibt es natürlich ebenso beim BJT und auch bei den Vakuum-Röhren von anno dazumal. Jedes verstärkende Element hat dieses Problem. Ein weiterer Geschwindigkeitsdämpfer ist der Sättigungs-Effekt beim BJT. Wie man damit umgeht, liest man in diesem Minikurs und ist hier im Titelbild mit Bild A2 angedeutet. Kombiniert man die beiden Schaltungen A1 und A2 zu einer Schaltung A3, löst man beide Probleme zugleich. Man reduziert den Miller-Effekt und den Sättigungs-Effekt. Wozu der unkonventionelle Widerstand R? dient, liest man ebenfalls in diesem Minikurs.

AKTUELLES UPDATE: Hier wird eine Methode vorgestellt, wie man beim Runterschalten von Ue auf GND, mit Hilfe eines zusätzlichen PNP-Transistors (BJT), Ladungsträger aus der Basis des schaltenden NPN-Transistors ausräumen kann. Bild B2 unterscheidet sich von Bild B1, dass zusätzlich der Millerkiller-Kondensator zum Einsatz kommt, um den Miller-Effekt zu reduzieren. Dies betrifft signifikant den Einschaltvorgang des Schalt-NPN-Transistor  und zwar so sehr, dass z.B. eine Flankenzeit von 1 µs auf 50 ns reduziert wird mit einer Kapazität von nur 1 nF. Es gibt dazu ein praktisches Experiment.

Gruss und viel Spass
Euer ELKO-Thomas

TTL-CMOS-Converter

Thomas Schaerer

Dieser Elektronik-Minikurs zeigt einerseits was man tun kann, wenn man alte Digitaltechnik in TTL mit CMOS kombinieren will und anderseits gibt es dem heutigen Azubi und Studierenden im Bereich der Elektrotechnik einen gewissen Einblick in eine Digitaltechnik, die vor dem Aufkommen der CMOS-Technologie hochaktuell war. Es gibt aber noch weitere Vorteile…

In den Zeiten als man digitale Schaltungen mit TTL-ICs realisierte, hatte man für den Test einen Impulsgenerator mit ausreichend hoher einstellbaren maximalen Frequenz, sowie einstellbare Impulsamplitude und einstellbarem Tastgrad. Oder man hatte einen Funktionsgenerator, der dies auch kann und zusätzlich noch Sinus- und Dreieckspannungen erzeugte für Tests an analogen Schaltungen. Solche Geräte waren damals teuer und deshalb musste man sich gut überlegen, ob es sich nicht lohnt, für ein Test- oder Praktikumlabor, eigene kleine Impulsgeneratoren in einfacher Ausführung zu realisieren, die einzig dem Zweck dienen, TTL-Schaltungen zu testen oder zu demonstrieren. Es geht dabei um das Taktsignal, den Clock. Oft genügte eine maximale Frequenz von 1 MHz.

Oder es gab die Situation, dass man zum Testen analoger Schaltungen genügend Sinusgeneratoren hatte, jedoch gab es nur ein paar wenige Impulsgeneratoren, die es auf nur wenige 100 kHz brachten. Wollte man analog/digitale Mix-Schaltungen testen, genügte der Sinusgenerator, aber der Impulsgenerator nicht. Also war die Situation klar, man baute kleine TTL-Taktgeneratoren mit entsprechend geringem Aufwand.

Als 1980 das Jahrzehnt des CMOS begann (Proklamation von MOTOROLA) änderte sich allmählich die Szene. Es kamen digitale CMOS-Schaltkreise, je länger desto häufiger, zum Einsatz. Diese haben den immensen Vorteil sehr sparsam zu sein, weil CMOS-Schaltreise im taktfreien Zustand, je nach Beschaltung, praktisch keine Leistung benötigen. Die Leistung ist nur noch abhängig von der Taktfrequenz. Es entstanden auch analoge CMOS-Schalter, die von der digitalen CMOS-Logik gesteuert werden. Damit man für den Test solcher Schaltungen die selbst gebauten einfachen Impulsgeneratoren weiterhin benutzen konnte, baute man so genannte TTL-CMOS-Converter, welche den Pegel von TTL nach CMOS anpassen.

Mehr dazu in diesem neuen Elektronik-Minikurs, der zeigt, dass man solche Schaltungen auch für andere Pegelanpassungen und Projekte verwenden kann. Dazu kommt, dass im Falle einer diskreten Eingangsstufe mit Transistor (BJT) noch etwas zum Thema Miller-Effekt vermittelt wird. All dies sehr praxisbezogen. Man kann alles sofort auf einem Testboard nachvollziehen. Eine Testmethode mit sehr grossem Lern- und Erfahrungseffekt.

Gruss Euer
ELKO-Thomas

Schalten und Steuern mit Transistoren II

Thomas Schaerer

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Es ist nur möglich auf der Hauptseite des ELKO das begleitende Titelbild zum folgenden Text zu sehen. Damit dies im Newsletter auch möglich ist, öffne man im Web-Browser den folgenden Link:

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Das Thema dieses Elektronik-Minikurses ist das praxisbezogene Erlernen einer einfachen Transistorschaltung mit bipolaren Transistoren zum schnellen Schalten von Spannungen mit kleinen Strömen. Man kann universelle Transistoren einsetzen, die hauptsächlich für niederfrequente analoge Anwendungen (Verstärker, Filter) gedacht sind, sofern die niedrige Schaltgeschwindigkeit genügt. Was bei diesen NF-Transistoren täuscht, ist die oft hohe Transitfrequenz von mehr als 100 MHz. Man denkt da leicht, das sind ja weniger als 10 ns und damit lässt sich leicht auch ein schnelles Ein- und Ausschalten von Spannungen realisieren. Aber ganz so einfach ist das nicht. Da muss man schon Transistoren suchen, welche Wertangaben in den Einschalt- (Turn-On-Time), Speicher- (Storage-Time) und Ausschaltzeiten (Turn-Off-Time) enthalten und diese Werte müssen, wenn notwendig, im 10ns-Bereich oder sogar deutlich darunter liegen.

Es gibt zwei Probleme mit denen man sich betreffs hoher Schaltgeschwindigkeit auseinandersetzen muss. Es ist der Sättigungseffekt, den es zu vermeiden gilt und es ist die Millerkapazität, die man kompensieren muss. Ob man überhaupt solche Transistorschaltungen einsetzen will, ist abhängig von der Anwendung. Gibt es eine solche Einheit nur einmal in einer Schaltung, kann sie sich eignen, sonst lohnt es sich nach passenden ICs Ausschau zu halten. Ein schneller Komparator kann durchaus zweckmässig sein oder eine passende Treiberschaltung, bei der es gleich mehrere Einheiten in einem Gehäuse gibt. Aber das ist hier nicht das Thema. Hier geht es um Grundlagen, die leicht in eine Transistorschaltung umsetzbar sind.

Gruss
Euer ELKO-Thomas