Schlagwort: Miller-Kapazität

Im Fokus: Der Millereffekt

Thomas Schaerer

Wikipedia: „Als Millereffekt wird die effektive Vergrösserung der parasitären Kapazität zwischen Ausgang und invertierendem Eingang eines Spannungsverstärkers bezeichnet. Dieser Effekt ist meist störend, kann aber auch zum Erzeugen grösserer effektiver Kapazitätswerte vorteilhaft verwendet werden. Der Effekt ist nach John Milton Miller benannt, der ihn 1919 entdeckt hat. Eine Verallgemeinerung des Millereffekt ist das Millertheorem.“

Man beachte das Titelbild. Bild A zeigt den einfachsten Verstärker mit einem NPN-Transistor (BJT). Cm0 ist die echte Kapazität zwischen Kollektor und Basis. Bei Kleinsignal-Transistoren (z.B. BC547) liegt diese parasitäre Kapazität im unteren pF-Bereich.

Cx ist hier in einer kleinen Wolke dargestellt, weil es ist ja nicht so, dass die Kapazität eines physikalisch existierenden Kondensators erhöht wird. Cx ist die grössere (virtuelle) Millerkapazität, die als Gegenkopplung auf die Basis rückwirkt. Die Ursache liegt in der Spannungsänderung am Kollektor. Cx wirkt begrenzend auf die Frequenzbandbreite bei AC-Spannungen. Bild B zeigt den Trick, wie man die kleine Verstärkerschaltung beschleunigt. Es ist der Kondensator Cb parallel zu Rb. Bild C zeigt exakt das Gegenteil wie man die Verstärkerschaltung absichtlich bremst. Mit dem zu Cm0 parallel geschalteten realen Kondensator Cm. Hier wird die Kapazität Cm virtuell erhöht.

Bild D zeigt diesbezüglich ein einfaches Experiment. Wird der Schalter auf +Ub gesetzt, sinkt, durch Cm stark gebremst, die Kollektor-Emitterspannung von T2. Der LED-Strom steigt und die LED leuchtet langsam heller. Wird der Schalter auf GND gesetzt, geschieht das Umgekehrte, die LED leuchtet langsam dunkler. Diese Zeiten sind dabei deutlich länger als die Rb*Cm-Zeitkonstante aus dem Grund des Millereffektes. T1 und T2 bilden ein Darlington.

Die Schaltung in Bild E ist eine Erweiterung von Bild D. Geeignet für eine messtechnische Aufgabe als Beispiel. Mehr dazu im Detail in diesem Elektronik-Minikurs.

Gruss Euer
ELKO-Thomas

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

Schalten und Steuern mit Transistoren II

Thomas Schaerer

powsw2_t

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