Capacitancia parásita

Capacitancia generalmente no deseada en un circuito.

Figura 1: Las capacitancias parásitas suelen representarse con líneas discontinuas. Este circuito equivalente de una parte de una bobina de Tesla tiene capacitancia parásita entre cada devanado y uno a tierra.

La capacitancia parásita o capacitancia parásita es la capacitancia inevitable y generalmente no deseada que existe entre las partes de uno circuito electrónico simplemente debido a su proximidad entre sí. Cuando dos conductores eléctricos con voltajes diferentes están cerca uno del otro, el campo eléctrico entre ellos hace quese almacene carga eléctrica en ellos; este efecto se denomina capacitancia.

Todos los elementos de circuitos prácticos , como inductores , diodos y transistores , tienen capacitancia interna, que puede hacer que su comportamiento se desvíe del de los elementos de circuitos ideales. Además, siempre hay cierta capacitancia entre dos conductores; esto puede ser significativo con conductores muy espaciados, como cables adyacentes o trazas de placas de circuito impreso . La capacitancia parásita entre las espiras de un inductor (por ejemplo, la Figura 1) u otro componente bobinado a menudo se describe como autocapacitancia . Sin embargo, en electromagnetismo, el término autocapacitancia se refiere más correctamente a un fenómeno diferente: la capacitancia de un objeto conductor sin referencia a otro objeto.

La capacitancia parásita es un problema importante en los circuitos de alta frecuencia y a menudo es el factor que limita la frecuencia de funcionamiento y el ancho de banda de los componentes y circuitos electrónicos.

Descripción

Cuando dos conductores con potenciales diferentes están cerca uno del otro, se ven afectados por el campo eléctrico del otro y almacenan cargas eléctricas opuestas , formando un capacitor. ^[1] Cambiar el potencial entre los conductores requiere una corriente que entre o salga de los conductores para cargarlos o descargarlos: ^[2] ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle i}$

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

donde es la capacitancia entre los conductores. Por ejemplo, un inductor a menudo actúa como si incluyera un capacitor paralelo , debido a sus devanados estrechamente espaciados . Cuando existe una diferencia de potencial a través de la bobina, los cables adyacentes entre sí tienen potenciales diferentes. Actúan como las placas de un capacitor y almacenan carga . Cualquier cambio en el voltaje a través de la bobina requiere corriente adicional para cargar y descargar sus pequeñas capacitancias. Cuando el voltaje cambia solo lentamente, como en los circuitos de baja frecuencia, la corriente adicional suele ser insignificante, pero cuando el voltaje cambia rápidamente, la corriente adicional es mayor y puede afectar el funcionamiento del circuito. ${\displaystyle C}$

Las bobinas para altas frecuencias suelen estar bobinadas en forma de canasta para minimizar la capacitancia parásita.

Efectos

En frecuencias bajas , la capacitancia parásita generalmente se puede ignorar, pero en circuitos de alta frecuencia puede ser un problema importante. En circuitos amplificadores con respuesta de frecuencia extendida, la capacitancia parásita entre la salida y la entrada puede actuar como una ruta de retroalimentación , haciendo que el circuito oscile a alta frecuencia. Estas oscilaciones no deseadas se denominan oscilaciones parásitas .

En los amplificadores de alta frecuencia, la capacitancia parásita puede combinarse con inductancia parásita, como las de los conductores de los componentes, para formar circuitos resonantes , lo que también genera oscilaciones parásitas. En todos los inductores, la capacitancia parásita resonará con la inductancia a una frecuencia alta para hacer que el inductor sea autorresonante ; esto se denomina frecuencia autorresonante . Por encima de esta frecuencia, el inductor en realidad tiene reactancia capacitiva .

La capacitancia del circuito de carga conectado a la salida de los amplificadores operacionales puede reducir su ancho de banda . Los circuitos de alta frecuencia requieren técnicas de diseño especiales, como una cuidadosa separación de cables y componentes, anillos de protección, planos de tierra , planos de potencia , blindaje entre la entrada y la salida, terminación de líneas y líneas de banda para minimizar los efectos de la capacitancia no deseada.

En cables y buses de computadora muy poco espaciados , el acoplamiento capacitivo parásito puede causar diafonía , lo que significa que la señal de un circuito se filtra en otro, causando interferencias y un funcionamiento poco confiable.

Los programas informáticos de automatización del diseño electrónico , que se utilizan para diseñar placas de circuitos impresos comerciales , pueden calcular la capacitancia parásita y otros efectos parásitos tanto de los componentes como de las trazas de la placa de circuitos, e incluirlos en simulaciones del funcionamiento del circuito. Esto se denomina extracción parásita .

Capacitancia de Miller

Figura 1: El efecto Miller hace que una impedancia de retroalimentación entre la entrada y la salida de un amplificador aparentemente se multiplique por un poco más que la ganancia del amplificador cuando se considera como una impedancia de entrada . ${\displaystyle Z}$ ${\displaystyle A_{v}}$ ${\displaystyle Z_{in}}$

Supongamos que el amplificador inversor ideal con ganancia de la Figura 2 tiene una capacitancia parásita entre la entrada y la salida del amplificador como impedancia de retroalimentación . Si el amplificador en sí tiene una impedancia de entrada infinita , la corriente desde el terminal de entrada a través de es: ${\displaystyle A_{\nu }}$ ${\displaystyle (Z{=}C_{\text{parasitic}})}$ ${\displaystyle Z}$

${\displaystyle i_{\text{Z}}=C_{\text{parasitic}}\,{d \over dt}(V_{\text{i}}-V_{\text{o}})\,}$

${\displaystyle i_{\text{Z}}=C_{\text{parasitic}}\,{d \over dt}(V_{\text{i}}+A_{\nu }\,V_{\text{i}})\,}$

${\displaystyle i_{\text{Z}}=\underbrace {(1+A_{\nu })\,C_{\text{parasitic}}} _{C_{\text{Miller}}}\,{dV_{\text{i}} \over dt}\,.}$

Incluso una pequeña capacitancia parásita es problemática porque el efecto Miller la multiplica por (o aproximadamente para amplificadores con alta ganancia) cuando se ve como una capacitancia de entrada . ${\displaystyle 1+A_{\nu }}$ ${\displaystyle A_{\nu }}$ ${\displaystyle C_{\text{Miller}}}$

Impacto en la respuesta de frecuencia

Si el circuito de entrada tiene una impedancia a tierra de , entonces (asumiendo que no hay otros polos del amplificador) la salida del amplificador es ${\displaystyle R_{i}}$

${\displaystyle V_{\text{o}}={\frac {A_{\nu }}{1+j\omega R_{\text{i}}C_{\text{Miller}}}}V_{\text{i}}\,,}$

que depende de la frecuencia angular . Actúa como un filtro de paso bajo con una frecuencia de corte que limita el ancho de banda del amplificador a: ${\displaystyle \omega =2\pi f}$

${\displaystyle f_{\text{cutoff}}={1 \over 2\pi R_{\text{i}}C_{\text{Miller}}}={1 \over 2\pi R_{\text{i}}C_{\text{parasitic}}\,(1+A_{\nu })}\,.}$

La ganancia de voltaje de los transistores modernos puede ser de 10-100 o incluso mayor, y para los amplificadores operacionales son órdenes de magnitudes mayores, por lo que la capacitancia de Miller (observada por primera vez en los tubos de vacío por John Milton Miller en 1920) es una limitación significativa en el rendimiento de alta frecuencia de los dispositivos amplificadores. La rejilla de pantalla se agregó a los tubos de vacío de triodo en la década de 1920 para reducir la capacitancia parásita entre la rejilla de control y la placa , creando el tetrodo , que resultó en un gran aumento en la frecuencia de operación. ^[3] En los transistores de unión bipolar , las capacitancias parásitas entre la base y el colector o emisor también dependen del voltaje. ^[4]

Véase también

• Elemento parásito (redes eléctricas)
• Condensador de desacoplamiento

Referencias

1. Glisson, Tildon H. (2011). Introducción al análisis y diseño de circuitos. Springer Science and Business Media. pág. 255. ISBN 9789048194438.
2. Sangwine, SJ (1994). Componentes electrónicos y tecnología, 2.ª edición. CRC Press. págs. 115-118. ISBN 9780748740765.
3. Alley, Charles L.; Atwood, Kenneth W. (1973). Ingeniería electrónica, 3.ª edición . Nueva York: John Wiley & Sons. pág. 199. ISBN 0-471-02450-3.
4. https://my.ece.msstate.edu/faculty/winton/CDNuE/SoftCopy/ch12.pdf ^{[ URL básica PDF ]}