capacitancia parásita

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

Todos los elementos prácticos de los circuitos, como inductores , diodos y transistores, poseen capacitancia interna, lo que puede provocar que su comportamiento se desvíe del de los elementos ideales. Además, siempre existe cierta capacitancia entre dos conductores cualesquiera; esta puede ser significativa en conductores muy próximos, como cables adyacentes o pistas de circuitos impresos . La capacitancia parásita entre las espiras de un inductor (por ejemplo, la Figura 1) u otro componente bobinado se suele denominar autocapacitancia . Sin embargo, en electromagnetismo, el término autocapacitancia se refiere con mayor precisión 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.

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${\displaystyle V}$entre los conductores se requiere una corriente${\displaystyle i}$dentro o fuera de los conductores para cargarlos o descargarlos: ^{[ 2 ]}

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

dónde${\displaystyle C}$es la capacitancia entre los conductores. Por ejemplo, un inductor suele comportarse como si incluyera un condensador en paralelo , debido a la proximidad de sus espiras . Cuando existe una diferencia de potencial a través de la bobina, los cables adyacentes se encuentran a potenciales diferentes. Actúan como las placas de un condensador y almacenan carga . Cualquier cambio en la tensión a través de la bobina requiere una corriente adicional para cargar y descargar sus pequeñas capacitancias. Cuando la tensión cambia lentamente, como en los circuitos de baja frecuencia, la corriente adicional suele ser insignificante, pero cuando cambia rápidamente, la corriente adicional es mayor y puede afectar el funcionamiento del circuito.

Las bobinas para altas frecuencias suelen tener un bobinado en cesta para minimizar la capacitancia parásita.

A bajas frecuencias, la capacitancia parásita suele ser despreciable, pero en circuitos de alta frecuencia puede representar un problema importante. En circuitos amplificadores con respuesta en frecuencia extendida, la capacitancia parásita entre la salida y la entrada puede actuar como una vía de retroalimentación , provocando 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 la de los conductores 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 elevada, lo que provocará la autorresonancia del inductor ; esta frecuencia se denomina frecuencia de autorresonancia . Por encima de esta frecuencia, el inductor presenta 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 la separación cuidadosa de cables y componentes, anillos de guarda, planos de tierra , planos de alimentación , blindaje entre la entrada y la salida, terminación de líneas y líneas de transmisión para minimizar los efectos de la capacitancia no deseada.

En cables y buses de computadora muy próximos entre sí , el acoplamiento capacitivo parásito puede causar diafonía , lo que significa que la señal de un circuito se filtra a otro, causando interferencias y un funcionamiento poco fiable.

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 pistas de la placa de circuitos, e incluirlos en simulaciones del funcionamiento del circuito. Esto se denomina extracción de parásitos .

capacitancia de Miller

La capacitancia parásita en un componente amplificador inversor como un transistor es especialmente problemática porque se multiplica por la ganancia del amplificador debido al efecto Miller . Supongamos que el amplificador inversor ideal tiene una ganancia de${\displaystyle A_{\nu }}$En la Figura 2 hay una capacitancia parásita entre la entrada y la salida del amplificador como impedancia de retroalimentación.${\displaystyle (Z{=}C_{\text{parasitario}})}$. Si el amplificador en sí tiene una impedancia de entrada infinita , la corriente desde el terminal de entrada a través de${\displaystyle Z}$es:

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

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

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

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

Impacto en la respuesta en frecuencia

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

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

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

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

La ganancia de voltaje de los transistores modernos puede ser de 10 a 100 o incluso mayor, y para los amplificadores operacionales es de órdenes de magnitud mayor, 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 de 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 de la frecuencia de operación. ^{[ 3 ]} En los transistores de unión bipolar , las capacitancias parásitas entre la base y el colector o emisor también tienen dependencia de voltaje. ^{[ 4 ]}

• impedancia parásita
• Condensador de desacoplamiento