Введение
Обычно нежелательная ёмкость в схеме.
Паразитная ёмкость, или блуждающая ёмкость, – это неизбежная и обычно нежелательная ёмкость, возникающая между частями электронного компонента или схемы просто из-за их взаимной близости. Когда два электрических проводника с разными потенциалами находятся близко друг к другу, электрическое поле между ними приводит к накоплению электрического заряда на них; этот эффект и является ёмкостью. Все реальные элементы цепей, такие как индуктивности, диоды и транзисторы, обладают внутренней ёмкостью, которая может приводить к отклонению их поведения от поведения идеальных элементов. Кроме того, всегда существует некоторая ёмкость между любыми двумя проводниками; она может быть значительной при близком расположении проводников, например, соседних проводов или дорожек печатной платы. Паразитная ёмкость между витками индуктивности (например, на рисунке 1) или других намотанных компонентов часто описывается как собственная ёмкость. Однако в электромагнетике термин "собственная ёмкость" более корректно относится к другому явлению: ёмкости проводящего объекта, рассматриваемой без привязки к другому объекту. Паразитная ёмкость представляет собой существенную 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, они испытывают влияние электрического поля друг друга и накапливают электрические заряды противоположного знака, подобно конденсатору. Изменение потенциала между проводниками требует поступления или оттока тока для их зарядки или разрядки:
где C – ёмкость между проводниками. Например, индуктивность часто ведёт себя так, как будто включает параллельный конденсатор из-за близкого расположения витков. Когда между витками катушки существует разность потенциалов, соседние провода оказываются под разными потенциалами. Они действуют как обкладки конденсатора и накапливают заряд. Любое изменение напряжения на катушке требует дополнительного тока для зарядки и разрядки их небольших ёмкостей. Если напряжение изменяется медленно, как в низкочастотных схемах, этот дополнительный ток обычно пренебрежимо мал, но при быстром изменении напряжения он становится больше и может влиять на работу схемы. Катушки для высоких частот часто выполняются в виде корзинчатой обмотки для минимизации паразитной ёмкости.
Эффекты
На низких частотах паразитная ёмкость обычно может быть проигнорирована, но в высокочастотных схемах она может стать серьёзной проблемой. В схемах усилителей с расширенным частотным диапазоном паразитная ёмкость между выходом и входом может выступать в качестве контура обратной связи, вызывая самовозбуждение схемы на высокой частоте. Эти нежелательные колебания называются паразитическими колебаниями. В высокочастотных усилителях паразитная ёмкость может в сочетании с паразитной индуктивностью, такой как выводы компонентов, формировать резонансные контуры, что также приводит к паразитическим колебаниям. Во всех индуктивностях паразитная ёмкость будет резонировать с индуктивностью на некоторой высокой частоте, делая индуктивность саморезонансной; это называется собственной резонансной частотой. Выше этой частоты индуктивность фактически обладает ёмкостным сопротивлением. Ёмкость нагрузки, подключённой к выходу операционных усилителей, может уменьшить их полосу пропускания. Высокочастотные схемы требуют специальных методов проектирования, таких как тщательное разделение проводов и компонентов, защитных колец, земляных плоскостей, силовых плоскостей, экранирование между входом и выходом, согласование линий и полосковых линий, чтобы минимизировать влияние нежелательной ёмкости. В плотно расположенных кабелях и компьютерных шинах паразитное ёмкостное соединение может вызывать перекрёстные помехи, что означает, что сигнал из одной схемы проникает в другую, вызывая интерференцию и нестабильную работу. Компьютерные программы автоматизированного проектирования электроники, используемые для разработки коммерческих печатных плат, могут рассчитывать паразитную ёмкость и другие паразитные эффекты как компонентов, так и проводников печатной платы, и учитывать их при моделировании работы схемы. Этот процесс называется паразитной экстракцией.
Вместимость Миллера
Предположим, что идеальный инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления, показанный на рисунке 2, имеет паразитическую емкость между входом и выходом усилителя, действующую как импеданс обратной связи. Если входной импеданс самого усилителя бесконечен, то ток от входной клеммы через равен:
Даже небольшая паразитическая емкость является проблемой, поскольку эффект Миллера увеличивает ее в раз (или приблизительно в раз для усилителей с высоким коэффициентом усиления), когда она рассматривается как входная емкость.