Паразитная емкость

Обычно нежелательная емкость в цепи

Рисунок 1: Паразитные емкости часто изображаются пунктирными линиями. Эта эквивалентная схема части катушки Тесла имеет паразитную емкость между каждой обмоткой и одной на землю.

Паразитная емкость или паразитная емкость — это неизбежная и обычно нежелательная емкость , которая существует между частями электронного компонента или схемы просто из-за их близости друг к другу. Когда два электрических проводника с разным напряжением находятся близко друг к другу, электрическое поле между ними заставляет электрический заряд сохраняться на них; этот эффект называется емкостью.

Все практические элементы схемы, такие как индукторы , диоды и транзисторы, имеют внутреннюю емкость, что может привести к тому, что их поведение будет отличаться от поведения идеальных элементов схемы. Кроме того, между любыми двумя проводниками всегда есть некоторая емкость; это может быть значительным для близко расположенных проводников, таких как соседние провода или дорожки печатной платы . Паразитная емкость между витками индуктора (например, рисунок 1) или другого намотанного компонента часто описывается как собственная емкость . Однако в электромагнетизме термин собственная емкость более правильно относится к другому явлению: емкости проводящего объекта без ссылки на другой объект.

Паразитная емкость представляет собой существенную проблему в высокочастотных цепях и часто является фактором, ограничивающим рабочую частоту и полосу пропускания электронных компонентов и цепей.

Описание

Когда два проводника с разными потенциалами находятся близко друг к другу, они подвергаются влиянию электрического поля друг друга и накапливают противоположные электрические заряды , образуя конденсатор. ^[1] Изменение потенциала между проводниками требует тока в проводники или из них, чтобы зарядить или разрядить их: ^[2] ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle i}$

${\displaystyle i=C{\frac {dV}{dt}}\,,}$

где - емкость между проводниками. Например, индуктор часто действует так, как будто он включает в себя параллельный конденсатор , из-за его близко расположенных обмоток . Когда на катушке существует разность потенциалов , провода, лежащие рядом друг с другом, находятся под разными потенциалами. Они действуют как пластины конденсатора и хранят заряд . Любое изменение напряжения на катушке требует дополнительного тока для зарядки и разрядки их небольших емкостей. Когда напряжение изменяется только медленно, как в низкочастотных цепях, дополнительный ток обычно незначителен, но когда напряжение изменяется быстро, дополнительный ток больше и может повлиять на работу цепи. ${\displaystyle C}$

Катушки для высоких частот часто наматываются по принципу корзины , чтобы минимизировать паразитную емкость.

Эффекты

На низких частотах паразитную емкость обычно можно игнорировать, но в высокочастотных схемах она может стать серьезной проблемой. В схемах усилителей с расширенной частотной характеристикой паразитная емкость между выходом и входом может действовать как обратная связь, заставляя схему колебаться на высокой частоте. Эти нежелательные колебания называются паразитными колебаниями .

В высокочастотных усилителях паразитная емкость может объединяться с паразитной индуктивностью, такой как выводы компонентов, образуя резонансные контуры , что также приводит к паразитным колебаниям. Во всех индукторах паразитная емкость будет резонировать с индуктивностью на некоторой высокой частоте, делая индуктор саморезонансным ; это называется саморезонансной частотой . Выше этой частоты индуктор фактически имеет емкостное реактивное сопротивление .

Емкость цепи нагрузки, подключенной к выходу операционных усилителей, может уменьшить их полосу пропускания . Высокочастотные схемы требуют специальных методов проектирования, таких как тщательное разделение проводов и компонентов, защитные кольца, заземляющие плоскости , силовые плоскости , экранирование между входом и выходом, терминирование линий и полосковые линии для минимизации эффектов нежелательной емкости.

В близко расположенных кабелях и компьютерных шинах паразитная емкостная связь может вызывать перекрестные помехи , то есть сигнал из одной цепи проникает в другую, вызывая помехи и ненадежную работу.

Программы автоматизации электронного проектирования , которые используются для проектирования коммерческих печатных плат , могут рассчитывать паразитную емкость и другие паразитные эффекты как компонентов, так и дорожек печатной платы, и включать их в симуляции работы схемы. Это называется извлечение паразитов .

Емкость Миллера

Рисунок 1: Эффект Миллера приводит к тому, что сопротивление обратной связи между входом и выходом усилителя, по-видимому, немного увеличивается по сравнению с коэффициентом усиления усилителя, если рассматривать его как входное сопротивление . ${\displaystyle Z}$ ${\displaystyle A_{v}}$ ${\displaystyle Z_{in}}$

Предположим, что идеальный инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления на рисунке 2 имеет паразитную емкость между входом и выходом усилителя в качестве сопротивления обратной связи . Если сам усилитель имеет бесконечное входное сопротивление , ток от входного терминала через равен: ${\displaystyle A_{\nu }}$ ${\displaystyle (Z{=}C_{\text{parasitic}})}$ ${\displaystyle Z}$

${\displaystyle i_{\text{Z}}=C_{\text{parasitic}}\,{d \over dt}(V_{\text{i}}-V_{\text{o}})\,}$

${\displaystyle i_{\text{Z}}=C_{\text{parasitic}}\,{d \over dt}(V_{\text{i}}+A_{\nu }\,V_{\text{i}})\,}$

${\displaystyle i_{\text{Z}}=\underbrace {(1+A_{\nu })\,C_{\text{parasitic}}} _{C_{\text{Miller}}}\,{dV_{\text{i}} \over dt}\,.}$

Даже небольшая паразитная емкость является проблематичной, поскольку эффект Миллера умножает ее на (или приблизительно на для усилителей с высоким коэффициентом усиления), если рассматривать ее как входную емкость . ${\displaystyle 1+A_{\nu }}$ ${\displaystyle A_{\nu }}$ ${\displaystyle C_{\text{Miller}}}$

Влияние на частотную характеристику

Если входная цепь имеет сопротивление относительно земли , то (при условии отсутствия других полюсов усилителя) выход усилителя равен ${\displaystyle R_{i}}$

${\displaystyle V_{\text{o}}={\frac {A_{\nu }}{1+j\omega R_{\text{i}}C_{\text{Miller}}}}V_{\text{i}}\,,}$

которая зависит от угловой частоты . Это действует как фильтр нижних частот с частотой среза , которая ограничивает полосу пропускания усилителя до: ${\displaystyle \omega =2\pi f}$

${\displaystyle f_{\text{cutoff}}={1 \over 2\pi R_{\text{i}}C_{\text{Miller}}}={1 \over 2\pi R_{\text{i}}C_{\text{parasitic}}\,(1+A_{\nu })}\,.}$

Коэффициент усиления по напряжению современных транзисторов может быть 10–100 или даже выше, а для операционных усилителей на порядки выше, поэтому емкость Миллера (впервые отмеченная в электронных лампах Джоном Милтоном Миллером в 1920 году) является существенным ограничением высокочастотных характеристик усилительных устройств. Экранная сетка была добавлена ​​к триодным электронным лампам в 1920-х годах для уменьшения паразитной емкости между управляющей сеткой и пластиной , создавая тетрод , что привело к значительному увеличению рабочей частоты. ^[3] В биполярных транзисторах паразитные емкости между базой и коллектором или эмиттером также зависят от напряжения. ^[4]

Смотрите также

• Паразитный элемент (электрические сети)
• Развязывающий конденсатор

Ссылки

1. Глиссон, Тилдон Х. (2011). Введение в анализ и проектирование схем. Springer Science and Business Media. стр. 255. ISBN 9789048194438.
2. Sangwine, SJ (1994). Электронные компоненты и технологии, 2-е издание. CRC Press. С. 115–118. ISBN 9780748740765.
3. Элли, Чарльз Л.; Этвуд, Кеннет В. (1973). Электронная инженерия, 3-е изд . Нью-Йорк: John Wiley & Sons. стр. 199. ISBN 0-471-02450-3.
4. https://my.ece.msstate.edu/faculty/winton/CDNuE/SoftCopy/ch12.pdf ^{[ пустой URL-адрес PDF ]}