Pojemność pasożytnicza - Parasitic capacitance

Pojemność pasożytnicza lub błądząca jest nieuniknioną i zwykle niepożądaną pojemnością, która istnieje między częściami elementu elektronicznego lub obwodu po prostu ze względu na ich bliskość do siebie. Kiedy dwa przewodniki elektryczne o różnych napięciach są blisko siebie, pole elektryczne między nimi powoduje gromadzenie się na nich ładunku elektrycznego ; tym efektem jest pojemność.

Wszystkie praktyczne elementy obwodów, takie jak cewki indukcyjne , diody i tranzystory, mają pojemność wewnętrzną, co może powodować, że ich zachowanie różni się od idealnego elementu obwodu. Dodatkowo zawsze istnieje niezerowa pojemność między dowolnymi dwoma przewodami; może to być znaczące w przypadku blisko rozmieszczonych przewodów, takich jak druty lub ślady na płytce drukowanej . Pojemność pasożytnicza między zwojami cewki indukcyjnej lub innym elementem rany jest często opisywana jako pojemność własna . Jednak w elektromagnetyce termin pojemność własna bardziej poprawnie odnosi się do innego zjawiska: pojemności obiektu przewodzącego bez odniesienia do innego obiektu.

Pojemność pasożytnicza jest poważnym problemem w obwodach o wysokiej częstotliwości i często jest czynnikiem ograniczającym częstotliwość roboczą i szerokość pasma elementów i obwodów elektronicznych.

Opis

Kiedy dwa przewodniki o różnych potencjałach znajdują się blisko siebie, wzajemnie oddziaływuje na nie pole elektryczne i przechowują przeciwne ładunki elektryczne jak kondensator. Zmiana potencjału v między przewodami wymaga prądu i do lub z przewodników, aby je naładować lub rozładować.

${\ Displaystyle i = C {\ Frac {dv} {dt}} \,}$

gdzie C jest pojemnością między przewodnikami. Na przykład cewka często działa tak, jakby zawierała równoległy kondensator , ze względu na jej blisko rozmieszczone uzwojenia . Kiedy istnieje różnica potencjałów na cewce, przewody leżące obok siebie mają różne potencjały. Działają jak płytki kondensatora i przechowują ładunek . Każda zmiana napięcia na cewce wymaga dodatkowego prądu do ładowania i rozładowywania tych małych „kondensatorów”. Gdy napięcie zmienia się tylko powoli, jak w obwodach o niskiej częstotliwości, dodatkowy prąd jest zwykle pomijalny, ale gdy napięcie zmienia się szybko, dodatkowy prąd jest większy i może wpływać na działanie obwodu.

Cewki dla wysokich częstotliwości są często nawijane w koszu, aby zminimalizować pasożytniczą pojemność.

Efekty

Przy niskich częstotliwościach pojemność pasożytnicza może być zwykle ignorowana, ale w obwodach o wysokiej częstotliwości może to stanowić poważny problem. W obwodach wzmacniacza o rozszerzonej odpowiedzi częstotliwościowej, pasożytnicza pojemność między wyjściem a wejściem może działać jako ścieżka sprzężenia zwrotnego , powodując oscylacje obwodu z wysoką częstotliwością. Te niepożądane oscylacje nazywane są oscylacjami pasożytniczymi .

We wzmacniaczach wysokiej częstotliwości pojemność pasożytnicza może łączyć się z indukcyjnością rozproszoną, taką jak przewody składowe, tworząc obwody rezonansowe , co również prowadzi do oscylacji pasożytniczych. We wszystkich cewkach pasożytnicza pojemność będzie rezonować z indukcyjnością przy pewnej wysokiej częstotliwości, powodując samorezonans cewki indukcyjnej ; nazywa się to częstotliwością rezonansu własnego . Powyżej tej częstotliwości cewka indukcyjna faktycznie ma reaktancję pojemnościową .

Pojemność obwodu obciążenia podłączonego do wyjścia wzmacniaczy operacyjnych może zmniejszyć ich przepustowość . Obwody wysokiej częstotliwości wymaga specjalnych technik projektowania, takich jak staranne oddzielenie przewodów i elementów, pierścieni ochronnych, samolotów lądowych , samolotów energetycznych , osłaniając między wejściem a wyjściem, zakończenia linii i striplines aby zminimalizować skutki niepożądanego pojemności.

W blisko rozmieszczonych kablach i szynach komputerowych pasożytnicze sprzężenie pojemnościowe może powodować przesłuchy , co oznacza, że ​​sygnał z jednego obwodu przedostaje się do drugiego, powodując zakłócenia i zawodną pracę.

Programy komputerowe do automatyzacji projektowania elektronicznego , które są używane do projektowania komercyjnych płytek drukowanych , mogą obliczać pasożytniczą pojemność i inne pasożytnicze skutki zarówno elementów, jak i śladów na płytce drukowanej, i włączać je do symulacji działania obwodu. Nazywa się to ekstrakcją pasożytniczą .

Pojemność Millera

Pojemność pasożytnicza między elektrodą wejściową i wyjściową odwracających urządzeń wzmacniających, na przykład między bazą a kolektorem tranzystorów , jest szczególnie kłopotliwa, ponieważ jest mnożona przez wzmocnienie urządzenia. Ta pojemność Millera (po raz pierwszy odnotowana w lampach próżniowych przez Johna Miltona Millera , 1920) jest głównym czynnikiem ograniczającym działanie urządzeń aktywnych w zakresie wysokich częstotliwości, takich jak tranzystory i lampy próżniowe . Siatka ekranująca dodano triody rurek próżniowych w 1920, aby zmniejszyć pojemność pasożytniczą pomiędzy siatki sterującej i płyty , tworząc tetrody , co doprowadziło do znacznego wzrostu częstości operacyjnego.

Wpływ pojemności pasożytniczej Z = C między wejściem i wyjściem wzmacniacza

Diagram, po prawej, ilustruje, jak powstaje pojemność Millera. Załóżmy, że pokazany wzmacniacz jest idealnym wzmacniaczem odwracającym ze wzmocnieniem napięcia A , a Z = C to pojemność między jego wejściem a wyjściem. Napięcie wyjściowe wzmacniacza wynosi

${\ displaystyle v _ {\ text {o}} = - Av _ {\ text {i}} \,}$

Zakładając, że sam wzmacniacz ma wysoką impedancję wejściową, więc jego prąd wejściowy jest pomijalny, prąd na zacisku wejściowym jest

${\ Displaystyle ja _ {\ tekst {i}} = C {d \ ponad dt} (v _ {\ tekst {i}} - v _ {\ tekst {o}}) \,}$

${\ Displaystyle i _ {\ tekst {i}} = C {d \ ponad dt} (v _ {\ tekst {i}} + Av _ {\ tekst {i}}) \,}$

${\ Displaystyle ja _ {\ tekst {i}} = C (1 + A) {dv _ {\ tekst {i}} \ ponad dt} \,}$

Więc pojemność na wejściu wzmacniacza wynosi

${\ Displaystyle C _ {\ tekst {M}} = C (1 + A) \,}$

Pojemność wejściowa jest mnożona przez wzmocnienie wzmacniacza. To jest pojemność Millera. Jeśli obwód wejściowy ma impedancję do masy R _i , to (zakładając brak innych biegunów wzmacniacza) wyjście wzmacniacza jest

${\ Displaystyle V _ {\ tekst {o}} = {\ Frac {A} {1 + j \ omega R _ {\ tekst {i}} C _ {\ tekst {M}}}} V _ {\ tekst {i}} \,}$

Pasma wzmacniacza jest ograniczone przez wysokie częstotliwości przy toczeniu

${\ Displaystyle f = {1 \ ponad 2 \ pi R _ {\ tekst {i}} C _ {\ tekst {M}}} = {1 \ ponad 2 \ pi R _ {\ tekst {i}} C (1 + A )} \,}$

Zatem szerokość pasma jest zmniejszona o współczynnik (1 + A ), w przybliżeniu wzrost napięcia urządzenia. Wzmocnienie napięciowe nowoczesnych tranzystorów może wynosić 10-100 lub nawet więcej, więc jest to znaczące ograniczenie.

Zobacz też

• Element pasożytniczy (sieci elektryczne)
• Kondensator odsprzęgający

Bibliografia