Паразитная емкость

Обычно нежелательная емкость в цепи

Рисунок 1. Паразитные емкости часто изображаются пунктирными линиями. Эта эквивалентная схема части катушки Теслы имеет паразитную емкость между каждой обмоткой и обмоткой, заземленной.

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 расположены близко друг к другу, электрическое поле между ними вызываетнакопление на них электрического заряда ; этот эффект является емкостью.

Все практические элементы схемы , такие как катушки индуктивности , диоды и транзисторы, имеют внутреннюю емкость, которая может привести к тому, что их поведение будет отличаться от поведения идеальных элементов схемы. Кроме того, между любыми двумя проводниками всегда существует некоторая емкость; это может быть важно для близко расположенных проводников, например, соседних проводов или следов печатной платы . Паразитную емкость между витками индуктора (например, рис. 1) или другого компонента обмотки часто называют собственной емкостью . Однако в электромагнетике термин «собственная емкость» правильнее относиться к другому явлению: емкости проводящего объекта без привязки к другому объекту.

Паразитная емкость представляет собой серьезную проблему в высокочастотных схемах и часто является фактором, ограничивающим рабочую частоту и полосу пропускания электронных компонентов и схем.

Описание

Когда два проводника с разными потенциалами находятся близко друг к другу, на них действует электрическое поле друг друга и они накапливают противоположные электрические заряды , как конденсатор. ^[1] Изменение потенциала между проводниками требует наличия тока в проводниках или выхода из него для их зарядки или разрядки: ^[2] ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle i}$

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

где - емкость между проводниками. Например, катушка индуктивности часто действует так, как если бы она включала в себя параллельный конденсатор из-за близко расположенных обмоток . Когда на катушке существует разность потенциалов , провода, лежащие рядом друг с другом, имеют разные потенциалы. Они действуют как пластины конденсатора и накапливают заряд . Любое изменение напряжения на катушке требует дополнительного тока для зарядки и разрядки ее небольших емкостей. Когда напряжение изменяется 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 имеют корзинчатую обмотку, чтобы минимизировать паразитную емкость.

Последствия

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 цепь обратной связи , вызывая колебания схемы на высокой частоте. Эти нежелательные колебания называются паразитными колебаниями .

В высокочастотных усилителях паразитная емкость может сочетаться с паразитной индуктивностью, например, выводами компонентов, образуя резонансные цепи , что также приводит к паразитным колебаниям. Во всех индукторах паразитная емкость будет резонировать с индуктивностью на некоторой высокой частоте, что делает индуктор саморезонансным ; это называется собственной резонансной частотой . Выше этой частоты дроссель 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 и силовые плоскости , экранирование между входом и выходом, оконечная нагрузка линий и полосковые линии , чтобы минимизировать влияние нежелательной емкости.

В близко расположенных кабелях и компьютерных шинах паразитная емкостная связь может вызвать перекрестные помехи , что означает, что сигнал из одной цепи просачивается в другую, вызывая помехи и ненадежную работу.

Компьютерные программы для автоматизации проектирования электроники , которые используются для проектирования коммерческих печатных плат , могут рассчитывать паразитную емкость и другие паразитные эффекты как компонентов, так и дорожек печатной платы, а также включать их в моделирование работы схемы. Это называется паразитарной экстракцией .

Емкость Миллера

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

Предположим, что идеальный инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления , показанным на рисунке 2, имеет паразитную емкость между входом и выходом усилителя в качестве импеданса обратной связи . Если сам усилитель имеет бесконечное входное сопротивление , ток от входной клеммы 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 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 полное сопротивление относительно земли , то (при отсутствии 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 . Он действует как фильтр нижних частот с частотой среза , который 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 составлять 10–100 и даже выше, а для операционных усилителей он 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, чтобы уменьшить паразитную емкость между управляющей сеткой и пластиной , создав 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

Рекомендации

1. Глиссон, Тилдон Х. (2011). Введение в анализ и проектирование цепей. Springer Science and Business Media. п. 255. ИСБН 9789048194438.
2. Сангвин, SJ (1994). Электронные компоненты и технологии, 2-е издание. ЦРК Пресс. стр. 115–118. ISBN 9780748740765.
3. Элли, Чарльз Л.; Этвуд, Кеннет В. (1973). Электронная техника, 3-е изд . Нью-Йорк: Джон Уайли и сыновья. п. 199. ИСБН 0-471-02450-3.
4. https://my.ece.msstate.edu/faculty/winton/CDNuE/SoftCopy/ch12.pdf