寄生电容产生的原因_寄生电容产生的危害

电气知识 2022-08-06

  什么是寄生电容

  寄生电容一般是指电感电阻,芯片引脚等在高频情况下表现出来的电容特性。实际上,一个电阻等效于一个电容,一个电感,和一个电阻的串联,在低频情况下表现不是很明显,而在高频情况下,等效值会增大,不能忽略。在计算中我们要考虑进去。ESL就是等效电感,ESR就是等效电阻。不管是电阻,电容,电感,还是二极管三极管,MOS管,还有IC,在高频的情况下我们都要考虑到它们的等效电容值,电感值。

寄生电容产生的原因_寄生电容产生的危害

  寄生电容产生的原因

  大家知道,同性电荷相排斥,异性电荷相吸引。如果有两个相距不远的金属板,甲板电位比乙板高,即甲板上的正电荷比乙板多。那么,乙板的自由电子(带负电)就有一部分被甲板的正电荷所吸引,这些正负电荷集中于两板相邻的表面而不再随意运动,因而称作“束缚电荷”。这种现象可以看成是电荷的储存,也叫电容现象。甲乙两平行板就是储存电荷的容器,因而叫做电容器。很明显,甲乙两板间的电位差U愈大,束缚电荷Q就愈多。事实上,Q与U成正比,即Q=CU。这里的比例常数C通常称为“电容量”。两板的面积越大、距离越近,电容量就越大。

  在无线电设备中,由于有许多相邻近而又不同电位的金属导体,它们之间必定有着一定的电容量。又由于这些导体并不是特意为了产生这样的电容而存在,所以我们称这些意外出现的电容为“寄生电容”。即是说,这种电容没有独立存在的价值,它“寄生”在起其他作用的金属导体的身上。这就是寄生电容产生的原因。

寄生电容产生的原因_寄生电容产生的危害

  寄生电容的危害

  (一)人身效应:如果收音机可变电容器的定片接地而动片不接地,那么,由于动片是与轴焊在一起的,因此当人的手与轴接触时,就会有一个寄生电容Cn并联在振荡回路中(图4)。Cn可以认为是人体与地球之间填充着鞋底或皮肤(介质)所构成的。这样,调谐就是在并联了Cn的情况下进行的。调谐完成后,人的手离开轴,Cn也就没有了,因而回路又失谐了。这在长(中)波段表现为音量减弱,在短波段则常常使电台“跑掉”。这种现象称为“人身效应”。为了避免它,收音机的动片轴一般要接地,而定片则用绝缘柱子支起来离开底壳。

  (二)起始电容:可变电容器的动片完全旋转出来之后,电容量并不为零,甚至还相当大。这是因为一般可变电容器的动片、轴、底壳是相通的,动片虽然完全旋出来了,但轴与定片之间,定片通过绝缘子与底壳之间都还有相当大的寄生电容存在。定片对轴和对底壳的电容并联起来称为可变电容器的“起始电容”,一般为10到50微微法。起始电容使振荡回路的调谐范围变窄,特别是使它不能用到更高的频段。起始电容随温度而变化也成为振荡频率不稳定的主要原因。

  (三)寄生振荡:有时收音机会发出一种刺耳的叫声,这常常是由于低频部分的寄生电容或寄生电感引起正反馈所造成的寄生振荡。例如,当输出变压器的引线与第一低放级的引线相近时,通过寄生电容和两次放大倒相,就成了正反馈,由于经过放大,因而容易满足振荡条件。如果我们把最关紧要的两根线拉开,消除寄生电容,正反馈途径被切断,啸叫声也就消失了。

  (四)接线柱的考究:许多仪表的输入端都做成接线柱的形式。前面曾经指出,接线柱的安装电容较大,因而仪表的输入电容也将很大。对于低频信号,安装电容的危害倒不显著,可是在信号频率很高时,安装电容相当于一个低阻抗,分去许多信号电流,仪表的灵敏度就大大下降。因此用接线柱做输入端的仪表不能用来测量高频率的弱信号。一般的电子管伏特计,特别是高频毫伏表和高频微伏表,必须用特别的探头式输入端。高频信号首先进入探头内,经过输入电容极小的一种二极管检波后,再进行放大和测量。如果把一个用接线柱做输入端的电流表串接在高频振荡回路的高压部分(即图5的1、2两点间),两个接线柱的安装电容CC2将和回路电容C相并联,这样势必改变回路的振荡频率,而测量的误差也会因C1C2分流而变得很大。如果电流表A串接在低压部郑碼、b两点之间,则安装电容C2被A表内阻短路,C1则根本不存在,所以测量才是准确的,回路频率也没有发生变化。

  (五)高频增益跌落:一般低频放大器的增益都随着频率的增加而降低,这是因为放大器的负载上并联着寄生电容(包括下级电子管的极间电容、安装电容、引线电容等)。频率愈高,电容阻抗愈低,从寄生电容直接入地的高频电流愈多,因而高频增益(放大量)会跌落下来。前面曾经指出屏蔽线内外导体间寄生电容较大,如果在高频放大器的栅极接上屏蔽线,无异于增加其输入电容,可想放大倍数是会大大降低的,因而放大器灵敏度下降。

  (六)变压器的附加设施:制作或修理过扩音机的人,也许曾经注意到扩音机强放级的变压器的两端常常并联着一个阻值不大的电阻。如果取掉这个电阻,扩音机的高频响应就特别刺耳,有时还发现强放管有过载现象。为什么会这样呢?只要想想变器两端都存在着较大的寄生电容就不难明白了。如果变压器初级电感是10亨,寄生电容是50微微法,则在初级构成谐振频率为7150赫的振荡回路。当信号频率在7千赫附近时,放大量就大大增加,于是声音变得尖锐刺耳,有时也使电子管过载。如果给这个振荡回路并联一个电阻,谐振现象就不会发生,因为回路衰减大,振荡被阻尼了。前曾述及变压器初次级间寄生电容很大,这个电容会造成高频的直通,破坏变压的匹配功能和对称性,而且使得一些脉冲干扰信号畅通无阻。这种情况对于工作在干线通信、测量、核子物理等方面的设备中的电源变压器耦合变压器或匹配变压器都是不能容许的。为了消除这个电容,在初次级间应加一层金属箔(注意,切不可构成短路环!)用引线使之接地,这样级间电容就被“屏蔽”掉了,亦即变成两个对地的电容了。为了尽量减小初次级的动态电容,运用在脉冲设备中的变压器常常采用分段绕法,因为许多个分段的总电容将是各段电容的串联,数值会下降。

  (七)电感线圈的极限频率:如果考虑到并联在线圈两端的寄生电容,线圈实际上是一个振荡回路,其谐振频率f0=1/2πLC0(1/2)。C0是寄生电容。如果工作频率等于f0,线圈就相当于电阻;工作频率高于f0,线圈就成了一个电容器。所以通常用f0的1/5或1/10为极限工作频率。要提高线圈的极限工作频率,必须减小寄生电容,因而采用蜂房式绕组、分段绕组等形式。但是,一般多层线圈的极限频率还是难于达到1兆赫以上。对于单层线圈,为减少寄生电容,应该绕得稀,最好不用骨架,或用介电常数ε值小的筋条式骨架。

  在无线电设备中,寄生电容的危害以及与之作斗争的事例真是多得不胜枚举。总之,当我们使用高频信号时,采用新结构,试制新设备时,必须对存在于元件、器件、机械安装各部分的寄生电容予以重视。在必要时可采用屏蔽、补偿等附加设施。近来有不少高频或超高频电路,甚至直接利用元件或器件中的寄生电容作有用元件,这更是出路之一。