Parazitická kapacita - Parasitic capacitance

Parazitická kapacita nebo zbloudilá kapacita je nevyhnutelná a obvykle nežádoucí kapacita, která existuje mezi částmi elektronické součásti nebo obvodu jednoduše kvůli jejich vzájemné blízkosti. Když jsou dva elektrické vodiče při různých napětích blízko sebe, elektrické pole mezi nimi způsobí, že se na nich bude ukládat elektrický náboj ; tento efekt je kapacita.

Všechny praktické prvky obvodu, jako jsou induktory , diody a tranzistory, mají vnitřní kapacitu, což může způsobit odchylku jejich chování od chování ideálních prvků obvodu. Kromě toho mezi libovolnými dvěma vodiči vždy existuje nenulová kapacita; to může být významné u těsně rozmístěných vodičů, jako jsou dráty nebo stopy desek plošných spojů . Parazitní kapacita mezi závity induktoru nebo jiné vinuté komponenty je často popisována jako autokapacita . V elektromagnetismu však termín autokapacita přesněji odkazuje na jiný jev: kapacitu vodivého předmětu bez odkazu na jiný objekt.

Parazitická kapacita je významným problémem vysokofrekvenčních obvodů a je často faktorem omezujícím pracovní frekvenci a šířku pásma elektronických součástek a obvodů.

Popis

Když jsou dva vodiče s různými potenciály blízko u sebe, jsou navzájem ovlivňovány elektrickým polem a ukládají si opačné elektrické náboje jako kondenzátor. Změna potenciálu v mezi vodiči vyžaduje pro jejich nabití nebo vybití proud i do nebo z vodičů.

kde C je kapacita mezi vodiči. Například induktor často působí, jako by zahrnoval paralelní kondenzátor , protože jeho vinutí jsou blízko sebe . Pokud existuje potenciální rozdíl napříč cívkou, dráty ležící vedle sebe jsou na různých potenciálech. Chovají se jako desky kondenzátoru a ukládají náboj . Jakákoli změna napětí na cívce vyžaduje pro nabíjení a vybíjení těchto malých „kondenzátorů“ další proud . Když se napětí mění jen pomalu, jako v nízkofrekvenčních obvodech, je nadproud obvykle zanedbatelný, ale když se napětí rychle mění, nadproud je větší a může ovlivnit činnost obvodu.

Cívky pro vysoké frekvence jsou často vinuty košem, aby se minimalizovala parazitní kapacita.

Účinky

Při nízkých frekvencích může být parazitní kapacita obvykle ignorována, ale ve vysokofrekvenčních obvodech to může být velký problém. V obvodech zesilovače s prodlouženou frekvenční odezvou může parazitní kapacita mezi výstupem a vstupem působit jako zpětnovazebná cesta, což způsobí oscilaci obvodu při vysoké frekvenci. Tyto nežádoucí oscilace se nazývají parazitní oscilace .

Ve vysokofrekvenčních zesilovačích se parazitní kapacita může kombinovat s rozptýlenou indukčností, jako jsou komponentní vodiče, k vytvoření rezonančních obvodů , což také vede k parazitním oscilacím. Ve všech induktorech bude parazitní kapacita rezonovat s indukčností při určité vysoké frekvenci, aby se induktor stal samorezonujícím ; tomu se říká vlastní rezonanční frekvence . Nad touto frekvencí má induktor ve skutečnosti kapacitní reaktanci .

Kapacita zátěžového obvodu připojeného k výstupu operačních zesilovačů může snížit jejich šířku pásma . Vysokofrekvenční obvody vyžadují speciální konstrukční techniky, jako je pečlivé oddělení vodičů a komponent, ochranné kroužky, uzemňovací roviny , napájecí roviny , stínění mezi vstupem a výstupem, ukončení vedení a páskové vedení, aby se minimalizovaly účinky nežádoucí kapacity.

V těsně rozmístěných kabelech a počítačových sběrnicích může parazitní kapacitní vazba způsobit přeslech , což znamená, že signál z jednoho obvodu krvácí do druhého, což způsobuje rušení a nespolehlivý provoz.

Počítačové programy pro automatizaci elektronického návrhu , které se používají k navrhování komerčních desek plošných spojů , mohou vypočítat parazitní kapacitu a další parazitní účinky obou komponent a stop desek plošných spojů a zahrnout je do simulací provozu obvodů. Tomu se říká parazitická extrakce .

Millerova kapacita

Parazitní kapacita mezi vstupní a výstupní elektrodou invertujících zesilovacích zařízení, například mezi základnou a kolektorem tranzistorů , je obzvláště problematická, protože je vynásobena ziskem zařízení. Tato Millerova kapacita (poprvé uvedená ve vakuových elektronkách John Milton Miller , 1920) je hlavním faktorem omezujícím vysokofrekvenční výkon aktivních zařízení, jako jsou tranzistory a vakuové elektronky . Mřížky obrazovky byl přidán do trioda vakuových trubic v roce 1920 ke snížení parazitní kapacity mezi řídicí mřížky a destičky , vytvářet tetroda , který vyústil ve velké zvýšení pracovní frekvence.

Účinek parazitní kapacity Z = C mezi vstupem a výstupem zesilovače

Diagram vpravo ukazuje, jak Millerova kapacita vzniká. Předpokládejme, že zobrazený zesilovač je ideálním invertujícím zesilovačem se ziskem napětí A a Z = C je kapacita mezi jeho vstupem a výstupem. Výstupní napětí zesilovače je

Za předpokladu, že samotný zesilovač má vysokou vstupní impedanci, takže jeho vstupní proud je zanedbatelný, je proud do vstupní svorky

Takže kapacita na vstupu zesilovače je

Vstupní kapacita se vynásobí ziskem zesilovače. Toto je Millerova kapacita. Pokud má vstupní obvod impedanci vůči zemi R i , pak (za předpokladu, že neexistují žádné jiné póly zesilovače) je výstup zesilovače

Šířka pásma zesilovače je omezen pomocí vysokofrekvenční roll-off při

Šířka pásma je tedy snížena o faktor (1 + A ), přibližně o napěťový zisk zařízení. Zisk napětí moderních tranzistorů může být 10 - 100 nebo dokonce vyšší, takže se jedná o významné omezení.

Viz také

Reference