Parasitäre Kapazität - Parasitic capacitance

Parasitäre Kapazität oder Streukapazität ist eine unvermeidbare und normalerweise unerwünschte Kapazität , die zwischen den Teilen einer elektronischen Komponente oder Schaltung einfach aufgrund ihrer Nähe zueinander besteht. Wenn zwei elektrische Leiter mit unterschiedlichen Spannungen nahe beieinander liegen, bewirkt das elektrische Feld zwischen ihnen, dass elektrische Ladung auf ihnen gespeichert wird. Dieser Effekt ist die Kapazität.

Alle praktischen Schaltungselemente wie Induktivitäten , Dioden und Transistoren haben eine interne Kapazität, die dazu führen kann, dass ihr Verhalten von dem der idealen Schaltungselemente abweicht. Zusätzlich gibt es immer eine Kapazität ungleich Null zwischen zwei beliebigen Leitern; Dies kann bei eng beieinander liegenden Leitern wie Drähten oder Leiterplattenspuren von Bedeutung sein . Die parasitäre Kapazität zwischen den Windungen eines Induktors oder einer anderen gewickelten Komponente wird häufig als Eigenkapazität bezeichnet . In der Elektromagnetik bezieht sich der Begriff Eigenkapazität jedoch korrekter auf ein anderes Phänomen: die Kapazität eines leitenden Objekts ohne Bezug auf ein anderes Objekt.

Störkapazität ist ein signifikantes Problem in Hochfrequenzschaltungen und ist oft der limitierende Faktor die Betriebsfrequenz und Bandbreite von elektronischen Komponenten und Schaltungen.

Beschreibung

Wenn zwei Leiter mit unterschiedlichen Potentialen nahe beieinander liegen, werden sie vom elektrischen Feld des anderen beeinflusst und speichern entgegengesetzte elektrische Ladungen wie ein Kondensator. Das Ändern des Potentials v zwischen den Leitern erfordert einen Strom i in oder aus den Leitern, um sie zu laden oder zu entladen.

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

wobei C die Kapazität zwischen den Leitern ist. Zum Beispiel kann ein Induktor wirkt oft als ob er einen parallel umfasst Kondensator , wegen seines dichten beabstandeten Wicklungen . Wenn eine Potentialdifferenz über der Spule besteht, liegen nebeneinander liegende Drähte auf unterschiedlichen Potentialen. Sie wirken wie die Platten eines Kondensators und speichern Ladung . Jede Änderung der Spannung an der Spule erfordert zusätzlichen Strom zum Laden und Entladen dieser kleinen "Kondensatoren". Wenn sich die Spannung wie in Niederfrequenzschaltungen nur langsam ändert, ist der zusätzliche Strom normalerweise vernachlässigbar. Wenn sich die Spannung jedoch schnell ändert, ist der zusätzliche Strom größer und kann den Betrieb der Schaltung beeinträchtigen.

Spulen für hohe Frequenzen werden häufig korbgewickelt, um die parasitäre Kapazität zu minimieren.

Auswirkungen

Bei niedrigen Frequenzen kann die parasitäre Kapazität normalerweise ignoriert werden, bei Hochfrequenzschaltungen kann dies jedoch ein Hauptproblem sein. In Verstärkerschaltungen mit erweitertem Frequenzgang kann die parasitäre Kapazität zwischen dem Ausgang und dem Eingang als Rückkopplungspfad wirken , wodurch die Schaltung mit hoher Frequenz schwingt . Diese unerwünschten Schwingungen werden als parasitäre Schwingungen bezeichnet .

In Hochfrequenzverstärkern kann sich die parasitäre Kapazität mit der Streuinduktivität wie Komponentenleitungen verbinden, um Resonanzkreise zu bilden , die ebenfalls zu parasitären Schwingungen führen. In allen Induktoren schwingt die parasitäre Kapazität mit der Induktivität bei einer hohen Frequenz mit, um den Induktor selbstresonant zu machen ; Dies wird als Eigenresonanzfrequenz bezeichnet . Oberhalb dieser Frequenz hat der Induktor tatsächlich eine kapazitive Reaktanz .

Die Kapazität der Lastschaltung, die an den Ausgang von Operationsverstärkern angeschlossen ist, kann deren Bandbreite verringern . Hochfrequenzschaltungen erfordern spezielle Entwurfstechniken wie die sorgfältige Trennung von Drähten und Komponenten, Schutzringen, Masseebenen , Leistungsebenen , Abschirmung zwischen Eingang und Ausgang, Abschluss von Leitungen und Streifenleitungen, um die Auswirkungen unerwünschter Kapazitäten zu minimieren.

In eng beieinander liegenden Kabeln und Computerbussen kann eine parasitäre kapazitive Kopplung ein Übersprechen verursachen , was bedeutet, dass das Signal von einem Stromkreis in einen anderen übergeht, was zu Interferenzen und unzuverlässigem Betrieb führt.

Computerprogramme für die elektronische Entwurfsautomatisierung , die zum Entwerfen kommerzieller Leiterplatten verwendet werden , können die parasitäre Kapazität und andere parasitäre Effekte sowohl von Komponenten als auch von Leiterplattenspuren berechnen und in Simulationen des Schaltungsbetriebs einbeziehen. Dies wird als parasitäre Extraktion bezeichnet .

Miller-Kapazität

Die parasitäre Kapazität zwischen den Eingangs- und Ausgangselektroden invertierender Verstärkungsvorrichtungen, wie beispielsweise zwischen der Basis und dem Kollektor von Transistoren , ist besonders störend, da sie mit der Verstärkung der Vorrichtung multipliziert wird . Diese Miller-Kapazität (erstmals in Vakuumröhren von John Milton Miller , 1920, erwähnt) ist der Hauptfaktor, der die Hochfrequenzleistung aktiver Geräte wie Transistoren und Vakuumröhren einschränkt . Das Siebgitter wurde in den 1920er Jahren zu Triodenvakuumröhren hinzugefügt, um die parasitäre Kapazität zwischen dem Steuergitter und der Platte zu verringern und die Tetrode zu erzeugen , was zu einer starken Erhöhung der Betriebsfrequenz führte.

Einfluss der parasitären Kapazität Z = C zwischen Eingang und Ausgang eines Verstärkers

Das Diagramm rechts zeigt, wie die Miller-Kapazität zustande kommt. Angenommen, der gezeigte Verstärker ist ein idealer invertierender Verstärker mit einer Spannungsverstärkung von A , und Z = C ist eine Kapazität zwischen seinem Eingang und Ausgang. Die Ausgangsspannung des Verstärkers beträgt

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

Angenommen, der Verstärker selbst hat eine hohe Eingangsimpedanz, so dass sein Eingangsstrom vernachlässigbar ist, ist der Strom in den Eingangsanschluss

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

${\ displaystyle i _ {\ text {i}} = C {d \ over dt} (v _ {\ text {i}} + Av _ {\ text {i}}) \,}$

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

Die Kapazität am Eingang des Verstärkers beträgt also

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

Die Eingangskapazität wird mit der Verstärkung des Verstärkers multipliziert. Dies ist die Miller-Kapazität. Wenn die Eingangsschaltung eine Impedanz gegen Masse von R _{i hat} , ist (unter der Annahme, dass keine anderen Verstärkerpole vorhanden sind) der Ausgang des Verstärkers

${\ displaystyle V _ {\ text {o}} = {\ frac {A} {1 + j \ omega R _ {\ text {i}} C _ {\ text {M}}} V _ {\ text {i}} \,}$

Die Bandbreite des Verstärkers wird durch den Hochfrequenzabfall bei begrenzt

${\ displaystyle f = {1 \ über 2 \ pi R _ {\ text {i}} C _ {\ text {M}}} = {1 \ über 2 \ pi R _ {\ text {i}} C (1 + A. )} \,}$

Die Bandbreite wird also um den Faktor (1 + A ) reduziert , ungefähr die Spannungsverstärkung des Geräts. Die Spannungsverstärkung moderner Transistoren kann 10 bis 100 oder sogar mehr betragen, was eine erhebliche Einschränkung darstellt.

Siehe auch

• Parasitäres Element (elektrische Netze)
• Entkopplungskondensator

Verweise