Capacitancia parásita

Capacitancia parásita o 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 prácticos de los circuitos, como inductores, diodos y transistores, tienen capacitancia interna, lo que puede provocar que su comportamiento se aparte del de los elementos ideales del circuito. 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 (por ejemplo, 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 circuitos y componentes electrónicos.

Descripción

Cuando dos conductores en diferentes potenciales están cerca uno del otro, se ven afectados por el campo eléctrico del otro y almacenan cargas eléctricas opuestas como un condensador. Cambiar el potencial ${\displaystyle V}$ entre los conductores requiere una corriente ${\displaystyle i}$ en o fuera de los conductores para cargarlos o descargarlos:

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

Donde ${\displaystyle C}$ es la capacitancia entre los conductores. Por ejemplo, un ductor a menudo actúa como si incluyera un condensador paralelo, debido a sus vientos muy espaciados. Cuando existe una diferencia potencial a través de la bobina, los cables que se encuentran adyacentes entre sí están en diferentes potenciales. Actúan como las placas de un condensador, y guardan carga. Cualquier cambio en el voltaje a través de la bobina requiere una corriente extra para cargar y descargar sus pequeñas capacitancias. Cuando el voltaje cambia lentamente, como en circuitos de baja frecuencia, la corriente extra es generalmente insignificante, pero cuando el voltaje cambia rápidamente la corriente extra es mayor y puede afectar la operación 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 se puede combinar 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 autorresonante; 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 separación cuidadosa 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 muy espaciados y buss informáticos, el acoplamiento capacitivo parasitario puede causar crosstalk, lo que significa que la señal de un circuito sangra en otro, causando interferencia y operación 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 de funcionamiento del circuito. Esto se llama extracción parasitaria.

Capacitancia Miller

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

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

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

${\displaystyle i_{\text{Z}=\underbrace {(1+A_{\nu })\,C_{\text{parasitic}}} ¿Por qué? #$

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

Impacto en la respuesta de frecuencia

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

${\displaystyle V_{\text{o}={\frac} {A_{\fn} }{1+j\omega ¿Qué?$

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

${\displaystyle f_{\text{cutoff}={1 \over 2\pi - ¿Qué? ¿Qué?$

La ganancia de voltaje de los transistores modernos puede ser de 10 a 100 o incluso mayor, y para los amplificadores operacionales son órdenes de magnitud mayores, por lo que la capacitancia de Miller (observada por primera vez en 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 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. En los transistores de unión bipolar, las capacitancias parásitas entre la base y el colector o emisor también dependen del voltaje.