capacitancia parásita

Capacitancia generalmente no deseada en un componente del circuito.

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

Todos los elementos de circuito prácticos , como inductores , diodos y transistores, tienen capacitancia interna, lo que puede hacer que su comportamiento se aparte del de los elementos de circuito ideales. Además, siempre hay algo de capacitancia entre dos conductores cualesquiera; Esto puede ser significativo con conductores muy espaciados, como cables adyacentes o trazas de placas de circuito impreso . La capacitancia parásita entre las vueltas de un inductor 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 circuitos y componentes electrónicos.

Descripción

Cuando dos conductores con diferentes potenciales están cerca uno del otro, se ven afectados por el campo eléctrico del otro y almacenan cargas eléctricas opuestas como un condensador. ^[1] Cambiar el potencial v entre los conductores requiere una corriente i que entre o salga de los conductores para cargarlos o descargarlos. ^[2]

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

donde C es la capacitancia entre los conductores. Por ejemplo, un inductor a menudo actúa como si incluyera un capacitor en paralelo , debido a sus devanados muy espaciados . Cuando existe una diferencia de potencial a través de la bobina, los cables que se encuentran uno al lado del otro tienen potenciales diferentes. Actúan como las placas de un condensador y almacenan carga . Cualquier cambio en el voltaje a través de la bobina requiere corriente adicional para cargar y descargar estos pequeños "condensadores". Cuando el voltaje cambia 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.

Las bobinas para altas frecuencias suelen estar enrolladas en cesta para minimizar la capacitancia parásita.

Efectos

En bajas frecuencias , 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 la inductancia parásita , como los cables de los componentes, para formar circuitos resonantes , lo que también produce oscilaciones parásitas. En todos los inductores, la capacitancia parásita resonará con la inductancia a una frecuencia alta para hacer que el inductor sea autoresonante ; esto se llama frecuencia de autorresonancia . Por encima de esta frecuencia, el inductor tiene realmente una 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 entrada y salida, terminación de líneas y líneas de corte para minimizar los efectos de la capacitancia no deseada.

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

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

capacitancia de miller

La capacitancia parásita entre los electrodos de entrada y salida de los dispositivos amplificadores inversores, como entre la base y el colector de los transistores , es particularmente problemática porque se multiplica por la ganancia del dispositivo. Esta capacitancia de Miller (observada por primera vez en tubos de vacío por John Milton Miller , 1920) es el factor principal que limita el rendimiento de alta frecuencia de dispositivos activos como transistores y tubos de vacío . La rejilla de pantalla se añadió a los tubos de vacío triodo en la década de 1920 para reducir la capacitancia parásita entre la rejilla de control y la placa , creando el tetrodo , lo que resultó en un gran aumento en la frecuencia de operación. ^[3]

Efecto de la capacitancia parásita Z = C entre la entrada y salida de un amplificador

El diagrama de la derecha ilustra cómo se produce la capacitancia de Miller. Suponga que el amplificador que se muestra es un amplificador inversor ideal con una ganancia de voltaje de A y Z = C es una capacitancia entre su entrada y salida. El voltaje de salida del amplificador es

${\displaystyle v_{\text{o}}=-Av_{\text{i}}\,}$

Suponiendo que el amplificador en sí tiene una impedancia de entrada alta , por lo que su corriente de entrada es insignificante, la corriente en el terminal de entrada es

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

${\displaystyle i_{\text{i}}=C{d \over dt}(v_{\text{i}}+Av_{\text{i}})\,}$

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

Entonces la capacitancia en la entrada del amplificador es

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

La capacitancia de entrada se multiplica por la ganancia del amplificador. Esta es la capacitancia de Miller. Si el circuito de entrada tiene una impedancia a tierra de Ri _{, entonces (suponiendo que no haya otros polos del} amplificador) la salida del amplificador es

${\displaystyle V_{\text{o}}={\frac {A}{1+j\omega R_{\text{i}}C_{\text{M}}}}V_{\text{i}}\,}$

El ancho de banda del amplificador está limitado por la caída de alta frecuencia en

${\displaystyle f={1 \over 2\pi R_{\text{i}}C_{\text{M}}}={1 \over 2\pi R_{\text{i}}C(1+A)}\,}$

Entonces, el ancho de banda se reduce en el factor (1 + A ), aproximadamente la ganancia de voltaje del dispositivo. La ganancia de voltaje de los transistores modernos puede ser de 10 a 100 o incluso superior, por lo que esta es una limitación importante.

Ver 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. pag. 255.ISBN _ 9789048194438.
2. Sangwine, SJ (1994). Componentes y tecnología electrónicos, segunda edición. Prensa CRC. págs. 115-118. ISBN 9780748740765.
3. Callejón, Charles L.; Atwood, Kenneth W. (1973). Ingeniería Electrónica, 3ª Ed . Nueva York: John Wiley & Sons. pag. 199.ISBN _ 0-471-02450-3.