寄生容量

寄生容量または浮遊容量は、電子部品または回路の部品が互いに近接しているという理由だけで、避けられない、通常は不要な容量です。異なる電圧の 2 つの電気導体が互いに近接している場合、それらの間の電界によってそれらの導体に電荷が蓄積されます。この効果が容量です。

インダクタ、ダイオード、トランジスタなどの実際の回路素子はすべて内部容量を持ち、その動作が理想的な回路素子の動作から外れる原因となることがあります。また、2 つの導体間には常に何らかの容量があり、隣接する配線やプリント基板のトレースなど、間隔の狭い導体ではこれが顕著になることがあります。インダクタ (図 1 など) やその他の巻線コンポーネントの巻き線間の寄生容量は、自己容量と呼ばれることがよくあります。ただし、電磁気学では、自己容量という用語はより正確には別の現象、つまり別の物体を参照しない導電性物体の容量を指します。

寄生容量は高周波回路において重大な問題であり、電子部品や回路の 動作周波数や帯域幅を制限する要因となることがよくあります。

異なる電位にある2つの導体が互いに接近すると、互いの電界の影響を受け、反対の電荷を蓄えてコンデンサを形成します。^[1]導体間の電位を変化させるには、導体に電流を流して充電または放電する必要があります。^[2]${\displaystyle V}$${\displaystyle i}$

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

ここで、 は導体間の静電容量です。たとえば、インダクタは、その間隔の狭い巻線のために、並列コンデンサを含んでいるかのように動作することがよくあります。コイルの両端に電位差がある場合、互いに隣接するワイヤは異なる電位になります。これらはコンデンサのプレートのように動作し、電荷 を蓄えます。コイルの両端の電圧が変化すると、小さな静電容量を充放電するために余分な電流が必要になります。低周波回路のように電圧がゆっくりとしか変化しない場合は、余分な電流は通常無視できますが、電圧が急速に変化する場合は余分な電流が大きくなり、回路の動作に影響を与える可能性があります。 ${\displaystyle C}$

高周波用のコイルは、寄生容量を最小限に抑えるためにバスケット巻きされることが多いです。

低周波数では寄生容量は通常無視できますが、高周波回路では大きな問題となる可能性があります。周波数応答が拡張されたアンプ回路では、出力と入力間の寄生容量がフィードバックパスとして機能し、回路が高周波で振動する原因となる可能性があります。これらの不要な振動は寄生振動と呼ばれます。

高周波増幅器では、寄生容量が部品のリード線などの浮遊インダクタンスと組み合わさって共振回路を形成し、寄生振動を引き起こすことがあります。すべてのインダクタでは、寄生容量がインダクタンスと高い周波数で共振し、インダクタを自己共振させます。これを自己共振周波数と呼びます。この周波数を超えると、インダクタには実際に容量性リアクタンスがあります。

オペアンプの出力に接続された負荷回路の静電容量によって、帯域幅が狭くなる可能性があります。高周波回路では、不要な静電容量の影響を最小限に抑えるために、配線とコンポーネントの慎重な分離、ガード リング、グランド プレーン、電源プレーン、入力と出力間のシールド、ラインの終端、ストリップラインなどの特別な設計手法が必要です。

近接したケーブルやコンピュータ バスでは、寄生容量結合によってクロストークが発生する可能性があります。クロストークとは、ある回路からの信号が別の回路に漏れ、干渉や動作の信頼性の低下を引き起こすことを意味します。

市販のプリント基板の設計に使用される電子設計自動化コンピュータ プログラムは、コンポーネントと回路基板トレースの両方の寄生容量やその他の寄生効果を計算し、それを回路動作のシミュレーションに含めることができます。これを寄生抽出と呼びます。

図 2のゲインを持つ理想的な反転増幅器には、帰還インピーダンス として増幅器の入力と出力の間に寄生容量があると仮定します。増幅器自体の入力インピーダンスが無限大の場合、入力端子から通過する電流は次のようになります。 ${\displaystyle A_{\nu}}$${\displaystyle (Z{=}C_{\text{寄生}})}$${\displaystyle Z}$

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

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

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

寄生容量が小さくても、入力容量として見るとミラー効果によって(または高ゲインのアンプの場合は近似値)倍になるため、問題となります。 ${\displaystyle 1+A_{\nu}}$${\displaystyle A_{\nu}}$${\displaystyle C_{\text{ミラー}}}$

入力回路の対地インピーダンスが の場合、（他のアンプ極がないと仮定すると）アンプの出力は ${\displaystyle R_{i}}$

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

これは角周波数 に依存します。これは、アンプの帯域幅を次のように制限するカットオフ周波数を持つローパスフィルタとして機能します。 ${\displaystyle \omega =2\pi f}$

${\displaystyle f_{\text{カットオフ}}={1 \over 2\pi R_{\text{i}}C_{\text{ミラー}}}={1 \over 2\pi R_{\text{i}}C_{\text{寄生}}\,(1+A_{\nu })}\,.}$

現代のトランジスタの電圧利得は10～100倍、あるいはそれ以上にもなり、オペアンプの場合はさらに桁違いに高いため、ミラー容量（ 1920年にジョン・ミルトン・ミラーが真空管で初めて指摘）は増幅装置の高周波性能に対する大きな制限となっている。1920年代に三極管真空管にスクリーングリッドが追加され、制御グリッドとプレート間の寄生容量が低減されて四極管が誕生し、動作周波数が大幅に向上した。^[3]バイポーラ接合トランジスタでは、ベースとコレクタまたはエミッタ間の寄生容量にも電圧依存性がある。^[4]

• 寄生素子（電気ネットワーク）
• デカップリングコンデンサ