Для понимания эффекта Миллера, рассмотрим логику работы самого транзистора в качестве усилителя на сопротивлениях.

Усилителем на сопротивлениях называется усилитель, в котором в качестве нагрузки используется активное сопротивление, включенное в цепь стока. При таком варианте не учитывается динамическое влияние емкостной составляющей, а постоянство нагрузки упрощает понимание переходных процессов.

Когда на затворе "0", транзистор закрыт, нижний конец нагрузки на корпус не коротится, по этому на нижнем конце нагрузки находиться "1".

Когда на затворе "1", транзистор открыт, нижний конец нагрузки закорочен на корпус, поэтому на нижнем конце нагрузки находиться "0".

Из рисунка видно, транзистор, это инвертирующий усилитель. У него фазы входных и выходных сигналов перевернуты на 180 градусов - их фронты и спады протекают в одно время. Поэтому выходные цепи сильно мешают входным.

При управлении полевым транзистором, сигналу управления Затвор - Исток, через заряды конструкционных паразитных емкостей, противодействует высокое напряжение сток - исток. Эффект Миллера, это эффект влияния добавочной емкости стока на емкость затвора.

Для расчетов режимов транзистора, величина дополнительного заряда от эффекта Миллера, приравнивается к эквивалентному увеличению входной емкости.

Но при расчетах режимов управления полевыми транзисторами, в любительских условиях, лучше пользоваться величинами входных зарядов, а не величинами входных емкостей, потому что ток заряда RC цепи изменяется не линейно, а по экспоненциальному закону. Действующий ток затвора будет более соответствующим действительности, если брать для расчетов параметр "Заряд конденсатора" - Q, так называемый показатель интегральной характеристики затвора.

Заряд затвора приводится в документации на все транзисторы в качестве обязательного параметра и обозначается Qg, измеряется в нано Кулонах (nC). При этом, должны быть указаны режимы транзистора, при которых производились замеры.

Обычно в документации на транзисторы указываются три типа зарядов.

Общий заряд затвора.

Заряд затвор – исток.

Заряд затвор – сток, он же создающий эффект Миллера.

Например, для транзистора IRF9540 мы имеем.

Q(g) (Total Gate Charge) – 61nC, при I(d)=19A; V(ds)=80V; V(gs)=10V.

Q(gs) (Gate-to-Source Charge) – 14nC, при I(d)=19A; V(ds)=80V; V(gs)=10V.

Q(gd) (Gate-to-Gain “Miller” Charge) – 29nC, при I(d)=19A; V(ds)=80V;
V(gs)=10V.

Приблизительно оценить увеличение входного заряда и емкости транзистора из – за эффекта Миллера можно по формуле.

Относительно входных емкостей.

Свх=Сзи+ (1+Ку)Сзс.

Ку=SRн, коэффициент усиления.

Или относительно входных зарядов.

Qвх=Qзи+ (1+Ку)Qзс.

Ку=SRн, коэффициент усиления.

Красным цветом у формулах выделен эффект Миллера в математическом представлении. Это (1+Ку)Сзс, Миллеровская добавочная емкость к емкости затвора.

S - крутизна характеристики, она же Gfs - Forvard Transconductance - зависимость тока стока от напряжения на затворе. Измеряется в А/В (Ампер на Вольт). Для расчета крутизны характеристики часто приводится графики.

Чем круче прямая S, тем больший Ку.

Как же работает МДП или МОП транзистор и где берется добавочная емкость Миллера.

Для наглядности, еще больше упростим работу транзистора. Представим полевой транзистор как три конденсатора и два ключа. Теперь на этой модели будем проводить эксперименты.

Разделим работу транзистора на две фазы – транзистор включен, транзистор выключен.

Транзистор включен.

Когда затвор транзистора подключен к источнику напряжения 10v. Рис.1.

Транзистор выключен.

Когда затвор транзистора подключен к земле. Рис.2.

Рис 1.

Рис 2.

Рис 3.

На Рис.3 показано как эффект Миллера искажает форму напряжения Uзи.

Толстая линия – изменение напряжения на затворе, Uз.

Тонкая линия – изменение выходного тока, Iс.

Вид слева – в управляющей цепи затвора сопротивление Rg = 10 кОм.

Большое сопротивление затвора не позволяет быстро разрядить заряд Сзс и в цепи затвора, при открытии и закрытии, появляются большие паразитные импульсы.

Вид справа – в управляющей цепи затвора сопротивление Rg = 10 Ом.

При малом сопротивлении затвора вся добавочная энергия успевает отводиться на корпус. Импульсы высокого напряжения не образуются.

На графике 3b видно, что при закрытии транзистора интервалы времени t1 и t3 имеют очень маленькую длительность из-за большой крутизны характеристики, по сравнению с процессом открывания - не заметны. Но время открывания и время закрывания полевых транзисторов можно считать одинаковым, так же как и коммутационные токи.

Рассмотрим подробнее работу транзистора на упрощенных моделях.

Открытие полевого транзистора.

Процесс открывания и закрывания полевого транзистора принято разбивать на три временные стадии.

t1.

В течении этого времени ток затвора заряжает Сзи. По мере заряда емкости, растет напряжение на затворе. В полевых транзисторах существует порог открытия, так называемое напряжение отсечки – Uотс или Ugs(th). Когда напряжение на затворе достигает Uотс, транзистор открывается. Напряжение Ucи начинает уменьшаться.

t2.

Из-за большой крутизны Вольт-Амперной характеристики - S, происходит мгновенное открытие перехода сток / исток, внутренняя емкость Сзс, заряженная до напряжения 350v, закорачивается на корпус. Происходит резкий разряд Cзс, который дает отрицательный импульс разряда в цепь затвора. По мере потери энергии отрицательный потенциал затвора начинает плавно рассасываться через затворные цепи и внутреннее сопротивление источника напряжения 10v переходя из отрицательной области в положительную, достигает напряжения Uотс. Потенциалы на обкладках конденсатора Сзи уравниваются, входной ток затвора начинает заряжать входную емкость до напряжения Uз = 10v.

t3.

После достижения напряжения насыщения транзистор полностью открыт. Это напряжение полного открытия транзистора, оно меньше чем напряжение на затворе 10v.

Напряжение полного открытия можно легко рассчитать по формуле
Uзи = (Iс.max./S)+Uотс.
Например, для транзистора IRF540, Uзи = (15А/10)+3, Uзи = 4,5v.

В третьей фазе открытия происходит заряд входной емкости от напряжения полного открытия - 4,5v, до напряжения питания - 10v.

Закрытие полевого транзистора.

t1.

При закорачивании вывода затвора на корпус начинается очень быстрый разряд конденсаторов Сзи и Сзи. Напряжение Ucи уменьшается, транзистор выходит из режима насыщения.

t2

Из - за большой крутизны характеристики идет мгновенное увеличение сопротивления Rси.

Увеличение Rси ведет одновременно к разрыву Cзс с корпусом и подаче на него напряжения Uси = 350v. Конденсатор заряжается током стока, через цепь затвора, до заряда Q = 22нКл. Это вызывает паразитный положительный импульс высокого напряжения в цепи управления затвором, который заряжает Сзи.

Происходит процесс разряда конденсатора Сзи и только что перезарядившегося до большого потенциала Сзс. Разряд протекает через цепь затвора до точки порогового напряжения затвора Uотс. Это полное закрытие транзистора.

t3

Транзистор уже полностью закрыт. Точка порогового напряжения U отс пройдена. Но конденсаторы еще имеют некоторый заряд Q, равный пороговому напряжению Uотс=3v. В последнем временном интервале происходит полный разряд входной емкости от напряжения 3v до "0".

Закрытие транзистора происходит аналогично открытию, только в этой стадии в цепь затвора добавится напряжение положительного выброса паразитного импульса от заряда Сзс. Этот момент очень опасен для полевого транзистора и для работы всей схемы, так как уже закрывающийся транзистор может снова открыться не в своей фазе и неправильно перераспределить напряжения и токи схемы. Кроме этого, повышение напряжения на затворе может быть больше паспортной нормы, при этом транзистор то же выйдет из строя.

Величина паразитного импульса в цепи затвора МДП или МОП транзистора зависит от следующих параметров.

Uси

Iси

Rнагрузки

R цепи управления

Sсз

Qзс

Qз

Qзи

Для определения потенциала высоковольтных паразитных импульсов в цепях затвора, применяется формула, которая показывает какое напряжение будет на затворе транзистора при перезаряде емкости Сзс, при неподключенном затворе.

Uзи=(1/(1+Сз/Сзс))*Uси.

Или.

Uзи=(1/(1 +Qз/Qзс))*Uси.

Если расчетное значение напряжения Uзи, по этой формуле будет превышать паспортное значение, тогда при расчете цепей управления нужно применять следующие меры.

Ставить более мощные, с малым выходным сопротивлением и токами насыщения ключи.

Применить более мощный, с малым внутренним сопротивлением, источник питания затвора. Чем мощнее источник питания, тем меньше у него внутреннее сопротивление.

Сопротивление резистора в цепи управления затвора должно быть в районе 20-50 Ом, и не превышать рекомендованные производителем номиналы.