Twierdzenie Millera
Twierdzenie Millera odnosi się do procesu tworzenia obwodów równoważnych . Twierdzi, że pływający element impedancji, zasilany przez dwa źródła napięcia połączone szeregowo, może zostać podzielony na dwa uziemione elementy o odpowiednich impedancjach. Istnieje również podwójne twierdzenie Millera dotyczące impedancji dostarczanej przez dwa źródła prądu połączone równolegle. Obie wersje są oparte na dwóch prawach obwodu Kirchhoffa .
Twierdzenia Millera to nie tylko czyste wyrażenia matematyczne. Układy te wyjaśniają ważne zjawiska obwodów związane z modyfikacją impedancji ( efekt Millera , wirtualna masa , ładowanie wstępne , impedancja ujemna itp.) ). Twierdzenia są przydatne w „analizie obwodów”, zwłaszcza do analizy obwodów ze sprzężeniem zwrotnym i niektórych wzmacniaczy tranzystorowych przy wysokich częstotliwościach.
Istnieje ścisły związek między twierdzeniem Millera a efektem Millera: twierdzenie można traktować jako uogólnienie efektu, a efekt jako szczególny przypadek twierdzenia.
Twierdzenie Millera (dla napięć)
Definicja
Twierdzenie Millera stwierdza, że w obwodzie liniowym, jeśli istnieje gałąź o impedancji łącząca dwa węzły z napięciami węzłowymi i i , możemy zastąpić tę gałąź dwoma gałęziami łączącymi odpowiednie węzły z ziemią odpowiednio przez impedancje 1 , gdzie } Twierdzenie Millera można udowodnić, stosując technikę równoważnej sieci z dwoma portami w celu zastąpienia dwuportowego jego odpowiednikiem oraz stosując twierdzenie o absorpcji źródła. Ta wersja twierdzenia Millera jest oparta na prawie napięcia Kirchhoffa ; z tego powodu jest również nazywany twierdzeniem Millera dla napięć .
Wyjaśnienie
Z twierdzenia Millera wynika, że element impedancji jest zasilany przez dwa dowolne (niekoniecznie zależne) źródła napięcia, które są połączone szeregowo przez wspólną masę. W praktyce jedno z działa jako główne (niezależne) źródło napięcia o napięciu, drugie jako dodatkowe (liniowo zależne) źródło napięcia o napięciu . Ideę twierdzenia Millera (modyfikowanie impedancji obwodu widzianej się poniżej, porównując dwie sytuacje - bez iz podłączeniem dodatkowego źródła napięcia .
Gdyby było zero (nie było drugiego źródła napięcia lub prawy koniec elementu z impedancją ), prąd wejściowy przepływający przez element byłby równy V 2 określone, zgodnie z prawem Ohma, tylko przez
a impedancja wejściowa obwodu będzie wynosić
Ponieważ dołączone jest drugie źródło napięcia, prąd wejściowy zależy od obu napięć. Zgodnie z jego polaryzacją, odejmowana lub dodawana do ; więc prąd wejściowy maleje/wzrasta
a impedancja wejściowa obwodu widziana od strony źródła wejściowego odpowiednio wzrasta/zmniejsza się
drugiego źródła napięcia o proporcjonalnym napięciu szeregowo napięcie efektywne , prąd i odpowiednio impedancja obwodu widziana od strony źródła wejściowego fakt, że . W zależności od polaryzacji, prądu przez impedancję.
Oprócz przedstawienia kombinacji dwóch źródeł napięcia jako nowego złożonego źródła napięcia, twierdzenie to można wyjaśnić przez połączenie elementu rzeczywistego i drugiego źródła napięcia w nowy element wirtualny z dynamicznie modyfikowaną impedancją . Z tego punktu widzenia dodatkowe napięcie, które sztucznie zwiększa na w ten sposób zmniejszając/zwiększając prąd. Proporcja między napięciami określa wartość uzyskanej impedancji (patrz tabele poniżej) i daje w sumie sześć grup typowych zastosowań .
kontra | ||||
Impedancja | normalna | zwiększony | nieskończony | ujemny z inwersją prądu |
kontra | ||||
Impedancja | normalna | zmniejszył się | zero | ujemny z odwróceniem napięcia |
Impedancję obwodu, widzianą od strony źródła wyjściowego, można zdefiniować podobnie, jeśli napięcia i a współczynnik zostaje zastąpiony przez
Realizacja
z elementu o impedancji między dwoma zaciskami uziemionej ogólnej sieci liniowej. Zwykle jako taką sieć liniową służy wzmacniacz napięciowy o wzmocnieniu potencjometr w potencjometrycznym mierniku zerowym , integrator elektromechaniczny (serwomechanizmy wykorzystujące potencjometryczne czujniki ze sprzężeniem zwrotnym) itp.
W implementacji wzmacniacza napięcie wejściowe służy jako napięcie wyjściowe jako . W wielu przypadkach źródło napięcia wejściowego ma pewną impedancję wewnętrzną impedancja wejściowa, która w połączeniu z , wprowadza informację zwrotną. W zależności od rodzaju wzmacniacza (nieodwracający, odwracający lub różnicowy) sprzężenie zwrotne może być dodatnie, ujemne lub mieszane.
Układ wzmacniacza Millera ma dwa aspekty:
- wzmacniacz można traktować jako dodatkowe źródło napięcia przetwarzające impedancję rzeczywistą na impedancję wirtualną (wzmacniacz modyfikuje impedancję elementu rzeczywistego)
- Impedancja wirtualna może być traktowana jako element podłączony równolegle do wejścia wzmacniacza (impedancja wirtualna modyfikuje impedancję wejściową wzmacniacza).
Aplikacje
Wprowadzenie impedancji łączącej porty wejściowe i wyjściowe wzmacniacza znacznie komplikuje proces analizy. Twierdzenie Millera pomaga zmniejszyć złożoność niektórych obwodów, szczególnie ze sprzężeniem zwrotnym, przekształcając je w prostsze równoważne obwody. Ale twierdzenie Millera jest nie tylko skutecznym narzędziem do tworzenia równoważnych obwodów; jest również potężnym narzędziem do projektowania i zrozumienia obwodów opartych na modyfikowaniu impedancji dodatkowym napięciem . W zależności od polaryzacji napięcia wyjściowego w stosunku do napięcia wejściowego oraz proporcji między ich wielkościami, istnieje sześć grup typowych sytuacji. W niektórych z nich zjawisko Millera pojawia się jako pożądane ( ładowanie początkowe ) lub niepożądane ( efekt Millera ) niezamierzone efekty; w innych przypadkach jest wprowadzany celowo.
oparte na odejmowaniu V
W tych zastosowaniach napięcie wyjściowe wstawiane z przeciwną biegunowością w stosunku do napięcia wejściowego przemieszczającego się wzdłuż pętli (ale w stosunku do masy, polaryzacja jest taka sama). W rezultacie efektywne napięcie w poprzek i prąd przez impedancję maleją; impedancja wejściowa wzrasta.
Zwiększona impedancja nieodwracający o Napięcie wyjściowe (wartość) jest mniejsze niż napięcie wejściowe neutralizuje. Przykładami są niedoskonałe wtórniki napięciowe ( emiter , źródło , wtórnik katodowy itp.) oraz wzmacniacze z szeregowym ujemnym sprzężeniem zwrotnym ( zwyrodnienie emitera ), których impedancja wejściowa jest umiarkowanie zwiększona.
Nieskończona impedancja wykorzystuje nieodwracający wzmacniacz z . Napięcie wyjściowe jest równe napięciu wejściowemu je neutralizuje Przykładami są potencjometryczne mierniki zerowej równowagi oraz wtórniki i wzmacniacze wzmacniaczy operacyjnych z szeregowym ujemnym sprzężeniem zwrotnym ( wtórnik wzmacniacza operacyjnego i wzmacniacz nieodwracający ), w których impedancja wejściowa obwodu jest ogromnie zwiększona. Technika ta nazywana jest bootstrappingiem i jest celowo używany w obwodach polaryzujących, obwodach ochronnych wejść itp.
Ujemna impedancja uzyskana przez odwrócenie prądu jest realizowana przez nieodwracający wzmacniacz z . Prąd zmienia swój kierunek, ponieważ napięcie wyjściowe jest wyższe niż napięcie wejściowe. Jeśli źródło napięcia wejściowego ma pewną wewnętrzną impedancję jest podłączone przez inny element impedancji, pojawia się dodatnie Typowym zastosowaniem jest konwerter o ujemnej impedancji z inwersją prądu (INIC), który wykorzystuje zarówno ujemne, jak i dodatnie sprzężenie zwrotne (ujemne sprzężenie zwrotne służy do realizacji wzmacniacza nieodwracającego, a dodatnie sprzężenie zwrotne do modyfikacji impedancji).
oparte na dodawaniu do
W tych zastosowaniach napięcie wyjściowe wstawiane z tą samą polaryzacją w stosunku do napięcia wejściowego bieguny są przeciwne). W rezultacie skuteczne napięcie na w poprzek i prąd przez impedancję rosną; impedancja wejściowa spada. przemieszczającego się wzdłuż pętli (ale w stosunku do masy,
Zmniejszona impedancja jest realizowana przez wzmacniacz odwracający o umiarkowanym wzmocnieniu, zwykle . Można to zaobserwować jako niepożądany efekt Millera w stopniach wzmacniających ze wspólnym emiterem , wspólnym źródłem i wspólną katodą, gdzie zwiększa się efektywna pojemność wejściowa. Kompensacja częstotliwości dla wzmacniaczy operacyjnych ogólnego przeznaczenia i tranzystorowego integratora Millera są przykładami użytecznego wykorzystania efektu Millera.
Zerowana impedancja wykorzystuje wzmacniacz odwracający (zwykle wzmacniacz operacyjny) z niezwykle dużym wzmocnieniem. . Napięcie wyjściowe jest prawie równe spadkowi napięcia i całkowicie je neutralizuje Obwód zachowuje się jak zwarcie i na wejściu pojawia się wirtualna masa ; więc nie powinien być napędzany przez stałe źródło napięcia. W tym celu niektóre obwody są zasilane ze źródła prądu stałego lub źródła napięcia rzeczywistego o impedancji wewnętrznej: przetwornik prądu na napięcie (wzmacniacz transimpedancji), integrator pojemnościowy (nazywany także integratorem prądu lub wzmacniaczem ładunku ), przetwornik rezystancji na napięcie (czujnik rezystancyjny podłączony w miejsce .
Pozostałe mają dodatkową impedancję włączoną szeregowo do wejścia: przetwornik napięcie-prąd (wzmacniacz transkonduktancyjny), wzmacniacz odwracający , wzmacniacz sumujący , integrator indukcyjny, różniczkowacz pojemnościowy, integrator rezystancyjno-pojemnościowy , różniczkowacz pojemnościowo-rezystancyjny , indukcyjno-rezystancyjny wyróżnik itp. Odwracające integratory z tej listy są przykładami użytecznych i pożądanych zastosowań efektu Millera w jego ekstremalnej manifestacji.
We wszystkich tych obwodach odwracających wzmacniacza operacyjnego z równoległym ujemnym sprzężeniem zwrotnym prąd wejściowy jest zwiększany do maksimum. Jest ona określona jedynie przez napięcie wejściowe i impedancję wejściową zgodnie z prawem Ohma ; nie zależy to od impedancji. .
Ujemna impedancja z odwróceniem napięcia jest realizowana poprzez zastosowanie zarówno ujemnego, jak i dodatniego sprzężenia zwrotnego do wzmacniacza operacyjnego z wejściem różnicowym. Źródło napięcia musi mieć impedancję wewnętrzną podłączone do wejścia przez inny element W tych warunkach napięcie wejściowe gdy napięcie wyjściowe przekracza spadek napięcia przez impedancję ( ).
Typowym zastosowaniem jest konwerter o ujemnej impedancji z odwróceniem napięcia (VNIC). Interesujące jest to, że napięcie wejściowe obwodu ma taką samą polaryzację jak napięcie wyjściowe, chociaż jest podawane na odwracające wejście wzmacniacza operacyjnego; źródło wejściowe ma przeciwną polaryzację zarówno do napięcia wejściowego, jak i wyjściowego obwodu.
Uogólnienie układu Millera
Oryginalny efekt Millera jest realizowany przez impedancję pojemnościową połączoną między dwoma węzłami. Twierdzenie uogólnia efekt Millera, ponieważ implikuje dowolną impedancję połączoną między . Przypuszcza się również stały współczynnik ; wtedy powyższe wyrażenia są poprawne. Ale właściwości modyfikujące twierdzenia Millera istnieją nawet wtedy, gdy te wymagania są naruszone, a układ ten można dalej uogólnić, dynamizując impedancję i współczynnik.
Element nieliniowy. Oprócz impedancji układ Millera może modyfikować charakterystykę IV dowolnego elementu. Obwód konwertera logarytmicznego diody jest przykładem nieliniowej praktycznie zerowej rezystancji , w której logarytmiczna krzywa IV diody do przodu jest przekształcana w pionową linię prostą zachodzącą na oś .
Nie stały współczynnik. Jeśli współczynnik , można uzyskać kilka egzotycznych elementów wirtualnych. Obwód żyratora jest takiego elementu wirtualnego, w którym rezystancja modyfikowana tak, aby naśladować indukcyjność, pojemność lub rezystancję odwróconą
Podwójne twierdzenie Millera (dla prądów)
Definicja
Istnieje również podwójna wersja twierdzenia Millera, która jest oparta na aktualnym prawie Kirchhoffa ( twierdzenie Millera dla prądów ): jeśli w obwodzie istnieje gałąź z impedancją węzeł, w którym dwa prądy i się do masy, możemy zastąpić tę gałąź dwoma przewodami, o których mowa, o impedancjach odpowiednio i gdzie . Twierdzenie dualne można udowodnić, zastępując sieć dwuportową jej odpowiednikiem i stosując twierdzenie o absorpcji źródła.
Wyjaśnienie
fakt, że podłączenie drugiego źródła prądu wytwarzającego proporcjonalny prąd głównym źródłem wejściowym i elementem impedancji zmienia przez nie napięcie i odpowiednio impedancję obwodu widzianą od strony źródła wejściowego. W zależności od kierunku działa jako dodatkowe źródło prądu, pomagając lub przeciwstawiając się głównemu źródłu prądu. aby wytworzyć napięcie na impedancji. Kombinacja elementu rzeczywistego i drugiego źródła prądowego może być traktowana jako nowy element wirtualny z dynamicznie modyfikowaną impedancją.
Realizacja
Twierdzenie o podwójnym Millerze jest zwykle realizowane przez układ składający się z dwóch źródeł napięcia dostarczających uziemioną impedancję impedancje zmienne (patrz . 3 ). Kombinacje źródeł napięciowych i przynależnych im impedancji tworzą dwa źródła prądowe – główne i pomocnicze. Podobnie jak w przypadku głównego twierdzenia Millera, drugie napięcie jest zwykle wytwarzane przez wzmacniacz napięciowy. W zależności od rodzaju wzmacniacza (odwracający, nieodwracający lub różnicowy) oraz wzmocnienia impedancja wejściowa obwodu może być praktycznie zwiększona, nieskończona, zmniejszona, zerowa lub ujemna.
Aplikacje
Jako główne twierdzenie Millera, oprócz wspomagania procesu analizy obwodów, wersja podwójna jest potężnym narzędziem do projektowania i zrozumienia obwodów opartych na modyfikacji impedancji przez dodatkowy prąd. Typowymi zastosowaniami są niektóre egzotyczne obwody o ujemnej impedancji jako eliminatory obciążenia, neutralizatory pojemności, źródło prądu Howlanda i jego pochodny integrator Deboo. W ostatnim przykładzie (patrz tam ryc. 1) źródło prądu Howlanda składa się ze źródła napięcia , kondensator działający jako impedancja ) i ujemny konwerter impedancji INIC ( i wzmacniacz operacyjny). Źródło napięcia i rezystor stanowią niedoskonałe źródło prądu przepuszczające prąd przez obciążenie (patrz ryc. 3 w źródle). INIC działa jako drugie źródło prądu, przepuszczając prąd „ . W rezultacie całkowity prąd przepływający przez obciążenie jest stały, a impedancja obwodu widziana przez źródło wejściowe wzrasta. Dla porównania, w reduktorze obciążenia [ stały martwy link ] INIC przepuszcza cały wymagany prąd przez obciążenie; impedancja obwodu widziana od strony źródła wejściowego (impedancja obciążenia) jest prawie nieskończona.
Lista konkretnych zastosowań opartych na twierdzeniach Millera
Poniżej znajduje się lista rozwiązań obwodów, zjawisk i technik opartych na dwóch twierdzeniach Millera.
- Potencjometryczny miernik stanu zerowego
- Elektromechaniczne rejestratory danych z układem serwo potencjometrycznym
- Emiter (źródło, katoda) wtórnik
- Wzmacniacz tranzystorowy z degeneracją emitera (źródła, katody).
- Tranzystorowe obwody ładowania początkowego
- Integrator tranzystorowy
- Stopnie wzmacniające ze wspólnym emiterem (wspólne źródło, wspólna katoda) z pojemnościami błądzącymi
- Zwolennik wzmacniacza operacyjnego
- Nieodwracający wzmacniacz operacyjny
- Wtórnik AC z rozruchem wzmacniacza operacyjnego i wysoką impedancją wejściową
- Dwustronne źródło prądu
- Przetwornica impedancji ujemnej z odwróceniem prądu (INIC)
- Eliminacja obciążenia o ujemnej impedancji
- Eliminacja pojemności wejściowej ujemnej impedancji
- Obecne źródło Howlanda
- Integrator Deboo
- Odwracający amperomierz wzmacniacza operacyjnego
- Konwerter napięcia na prąd wzmacniacza operacyjnego (wzmacniacz transkonduktancyjny)
- Konwerter prądu na napięcie wzmacniacza operacyjnego (wzmacniacz transimpedancyjny)
- Konwerter rezystancji wzmacniacza operacyjnego na prąd
- Konwerter rezystancji na napięcie wzmacniacza operacyjnego
- Wzmacniacz odwracający wzmacniacz operacyjny
- Lato odwracające wzmacniacz operacyjny
- Odwracający integrator pojemnościowy wzmacniacza operacyjnego (integrator prądu, wzmacniacz ładunku)
- Odwracający integrator rezystancyjno-pojemnościowy wzmacniacza operacyjnego
- Odwracający pojemnościowy układ różnicujący wzmacniacza operacyjnego
- Odwracający układ różnicujący pojemnościowo-rezystancyjny wzmacniacza operacyjnego
- Odwracający integrator indukcyjny wzmacniacza operacyjnego
- Wzmacniacz operacyjny odwracający różniczkę indukcyjno-rezystancyjną itp.
- Konwerter dziennika diody wzmacniacza operacyjnego
- Diodowy konwerter antylogujący wzmacniacza operacyjnego
- Ogranicznik diody odwracającej wzmacniacza operacyjnego (dioda precyzyjna)
- Konwerter o ujemnej impedancji z odwróceniem napięcia (VNIC) itp.
- Bootstrapowanie
- Ochrona wejścia obwodów wzmacniacza operacyjnego o wysokiej impedancji
- Neutralizacja pojemności wejściowej
- Wirtualna ziemia
- Efekt Millera
- Kompensacja częstotliwościowa wzmacniacza operacyjnego
- Impedancja ujemna
- Anulowanie obciążenia
Zobacz też
- Efekt Millera
- Wzmacniacz z ujemnym sprzężeniem zwrotnym
- Zastosowania wzmacniaczy operacyjnych
- Bootstrapowanie
- ^ „Różne twierdzenia o sieci” . Netlecturer.com. Zarchiwizowane od oryginału w dniu 2012-03-21 . Źródło 2013-02-03 .
- ^ a b c „EEE 194RF: Twierdzenie Millera” (PDF) . Źródło 2013-02-03 .
- ^ a b „Twierdzenie Millera” . Strony.fe.up.pt . Źródło 2013-02-03 .
- ^ Praca ze wzmacniaczami operacyjnymi o wysokiej impedancji zarchiwizowana 23.09.2010 w Wayback Machine AN-241
- ^ „Analiza obwodów nieliniowych - wprowadzenie” (PDF) . Źródło 2013-02-03 .
- ^ Reduktor obciążenia o ujemnej rezystancji pomaga w prowadzeniu ciężkich ładunków
- Bibliografia zewnętrzne _ _ _ _ _ _ _ Linki
- ^ „Rozważ integrator pojedynczego zaopatrzenia „Deboo”” . Maxim-ic.com. 2002-08-29 . Źródło 2013-02-03 .
Dalsza lektura
- Podstawy mikroelektroniki autorstwa Behzada Razaviego
- Obwody mikroelektroniczne autorstwa Adela Sedry i Kennetha Smitha
- Podstawy projektowania obwodów RF autorstwa Jeremy'ego Everarda
Linki zewnętrzne
- Twierdzenie Millera ponownie zbadane
- Nowe wyniki związane z twierdzeniem Millera
- Twierdzenie o sieci dualne do twierdzenia Millera
- Uogólnione twierdzenie Millera i jego zastosowania
- Twierdzenie o rozkładzie ze sprzężeniem zwrotnym (FDT): ewolucja twierdzenia Millera
- Dokładne obliczenie wpływu Millera na charakterystykę częstotliwościową oraz impedancje wejściowe i wyjściowe wzmacniaczy ze sprzężeniem zwrotnym (przy użyciu FDT)