Pojemność pasożytnicza

Pojemność pasożytnicza to nieunikniona i zwykle niepożądana pojemność , która występuje między częściami elementu elektronicznego lub obwodu po prostu z powodu ich bliskości. Kiedy dwa przewodniki elektryczne o różnych napięciach znajdują się blisko siebie, pole elektryczne między nimi powoduje gromadzenie się na nich ładunku elektrycznego ; ten efekt to pojemność.

Wszystkie praktyczne elementy obwodu, takie jak cewki indukcyjne , diody i tranzystory , mają wewnętrzną pojemność, co może powodować, że ich zachowanie odbiega od zachowania idealnych elementów obwodu. Ponadto zawsze istnieje pewna pojemność między dowolnymi dwoma przewodami; może to być znaczące w przypadku blisko rozmieszczonych przewodów, takich jak przewody lub na płytce drukowanej . Pojemność pasożytnicza między zwojami cewki indukcyjnej lub innego elementu uzwojenia 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 istotnym 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, oddziałują na siebie nawzajem polami elektrycznymi i magazynują przeciwne ładunki elektryczne, jak kondensator. Zmiana potencjału v między przewodami wymaga prądu i do lub z przewodów, aby je naładować lub rozładować.

{\ Displaystyle i = C {\ Frac {dV} {dt}} \,

gdzie C jest pojemnością między przewodami. Na przykład cewka indukcyjna często działa tak, jakby zawierała kondensator równoległy , ze względu na blisko rozmieszczone uzwojenia . Kiedy potencjałów , leżące obok siebie druty mają różne potencjały. Działają jak okładki kondensatora i magazynują ładunek . Każda zmiana napięcia na cewce wymaga dodatkowego prądu do ładowania i rozładowywania tych małych „kondensatorów”. Gdy napięcie zmienia się 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 uzwojone w koszu, aby zminimalizować pojemność pasożytniczą.

Efekty

Przy niskich częstotliwościach pojemność pasożytniczą można zwykle zignorować, ale w obwodach o wysokiej częstotliwości może to stanowić poważny problem. W wzmacniacza o rozszerzonej charakterystyce 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 błądzącą , taką jak przewody komponentów, tworząc obwody rezonansowe , co również prowadzi do oscylacji pasożytniczych. We wszystkich cewkach indukcyjnych pojemność pasożytnicza będzie rezonować z indukcyjnością przy pewnej wysokiej częstotliwości, powodując samorezonans cewki indukcyjnej ; nazywa się to częstotliwością rezonansu własnego . Powyżej tej częstotliwości induktor faktycznie ma reaktancję pojemnościową .

Pojemność obwodu obciążenia podłączonego do wyjścia wzmacniaczy operacyjnych może zmniejszyć ich szerokość pasma . Obwody wysokiej częstotliwości wymagają specjalnych technik projektowania, takich jak staranne oddzielenie przewodów i komponentów, pierścieni ochronnych, płaszczyzn uziemienia , płaszczyzn zasilania , ekranowania między wejściem a wyjściem, zakończenia linii i linii paskowych w celu zminimalizowania skutków niepożądanej pojemności.

W blisko rozmieszczonych kablach i magistralach komputerowych pasożytnicze sprzężenie pojemnościowe może powodować przesłuch , co oznacza, że sygnał z jednego obwodu przenika do drugiego, powodując zakłócenia i zawodne działanie.

do automatyzacji projektowania elektronicznego , które są używane do projektowania komercyjnych obwodów drukowanych , mogą obliczać pojemność pasożytniczą i inne efekty pasożytnicze zarówno komponentów, jak i śladów płytek drukowanych, i uwzględniać je w symulacjach działania obwodu. Nazywa się to ekstrakcją pasożytniczą .

Pojemność Millera

Pasożytnicza pojemność między elektrodami wejściowymi i wyjściowymi 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 wydajność urządzeń aktywnych w zakresie wysokich częstotliwości, takich jak tranzystory i lampy próżniowe . Siatka ekranowa została dodana do triodowych lamp próżniowych w latach dwudziestych XX wieku w celu zmniejszenia pojemności pasożytniczej między siatkę kontrolną i płytkę , tworząc tetrodę , co zaowocowało dużym wzrostem częstotliwości pracy.

Wpływ pojemności pasożytniczej Z = C między wejściem a wyjściem wzmacniacza

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

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

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

{\ Displaystyle i_ {\ tekst {i}} = C {d \ nad dt} (v_ {\ tekst {i}} -v _ {\ tekst {o}}) \,} ja ja = do re re t ( v ja + ZA v ja ) {\ Displaystyle i_ {\ tekst {i}} = C {d \ ponad dt} (v_ {\ tekst

ja

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

Tak więc pojemność na wejściu wzmacniacza wynosi

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

Pojemność wejściowa jest mnożona przez wzmocnienie wzmacniacza. To jest pojemność Millera. Jeżeli obwód wejściowy ma impedancję względem masy R _i , to (zakładając, że nie ma innych biegunów wzmacniacza) wyjście wzmacniacza jest

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

Szerokość pasma wzmacniacza jest ograniczona przez spadek wysokich częstotliwości przy

C _ {\ tekst {M}}} = {1 \ ponad 2 \ pi R_ {\ tekst {i}} C (1 + A)} \,}

Tak więc szerokość pasma jest zmniejszana o współczynnik (1 + A ), w przybliżeniu o wzmocnienie napięcia urządzenia. Wzmocnienie napięciowe nowoczesnych tranzystorów może wynosić 10 - 100 lub nawet więcej, więc jest to znaczne ograniczenie.

Zobacz też