Паразитная емкость

Обычно нежелательная емкость в компоненте схемы.

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 вызывает накопление 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 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 v между проводниками требует прохождения тока i в проводники или из них для их зарядки или разрядки. ^[2]

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

где С – 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 этих маленьких «конденсаторов». 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.

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 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

Паразитная емкость между входным и выходным электродами инвертирующих усилительных устройств, например, между базой и коллектором транзисторов , вызывает особые проблемы, поскольку она умножается на коэффициент усиления устройства. Эта емкость Миллера (впервые отмеченная в электронных лампах Джоном Милтоном Миллером в 1920 году) является основным фактором, ограничивающим высокочастотные характеристики активных устройств, таких как транзисторы и электронные лампы . 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]

Влияние паразитной емкости Z = C между входом и выходом усилителя

Диаграмма справа иллюстрирует, как возникает емкость Миллера. Предположим, что показанный усилитель представляет собой идеальный инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления по напряжению A , а Z = C — емкость между его входом и выходом. Выходное напряжение усилителя

${\displaystyle v_{\text{o}}=-Av_{\text{i}}\,}$

Предполагая, что сам усилитель имеет высокое входное сопротивление , поэтому его входной ток пренебрежимо мал, ток на входной клемме равен

${\displaystyle i_{\text{i}}=C{d \over dt}(v_{\text{i}}-v_{\text{o}})\,}$

${\displaystyle i_{\text{i}}=C{d \over dt}(v_{\text{i}}+Av_{\text{i}})\,}$

${\displaystyle i_{\text{i}}=C(1+A){dv_{\text{i}} \over dt}\,}$

Значит, емкость на входе усилителя равна

${\displaystyle C_{\text{M}}=C(1+A)\,}$

Входная емкость умножается на коэффициент усиления усилителя. Это емкость Миллера. Если входная цепь имеет сопротивление относительно земли R _i , то (при условии отсутствия других полюсов усилителя) выход усилителя равен

${\displaystyle V_{\text{o}}={\frac {A}{1+j\omega R_{\text{i}}C_{\text{M}}}}V_{\text{i}}\,}$

Полоса пропускания усилителя ограничена спадом на высоких частотах при

${\displaystyle f={1 \over 2\pi R_{\text{i}}C_{\text{M}}}={1 \over 2\pi R_{\text{i}}C(1+A)}\,}$

Таким образом, полоса пропускания уменьшается в коэффициент (1 + A ), примерно равный коэффициенту усиления устройства по напряжению. Коэффициент усиления по напряжению современных транзисторов может составлять 10 – 100 и даже выше, так что это существенное ограничение.

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.