קיבול טפילי

קיבול טפילי (באנגלית: Parasitic capacitance), קיבול פזור (באנגלית: stray capacitance) או קיבול מקרי הוא קיבול בלתי נמנע ולרוב גם בלתי רצוי אשר קיים בין האלמנטים השונים ברכיב אלקטרוני או מעגל חשמלי רק בגלל קרבתם אחד לשני. כאשר שני מוליכים חשמליים במתחים שונים קרובים זה לזה השדה החשמלי ביניהם גורם להצטברות מטענים חשמליים ביניהם; אפקט זה הוא הקיבול הטפילי. בפועל, לכל האלמנטים במעגל כגון סלילים, דיודות וטרנזיסטורים קיימים קיבולים פנימיים אשר יכולים לגרום להתנהגותם לסטות מזו של רכיב "אידיאלי" במעגל. בנוסף, הקיבול תמיד שונה מאפס בין כל שני מוליכים; דבר זה יכול להיות משמעותי בתדרים גבוהים יותר כאשר צפיפות המוליכים גבוהה, למשל בחוטים או במעגל מודפס.

הקיבול הטפילי בין הליפופים של סליל השראה או רכיב דומה מתואר לעיתים קרובות כקיבול עצמי. עם זאת, קיבול עצמי של אובייקט מוליך היא תופעה בפני עצמה המתייחסת לקיבול של האובייקט ללא התייחסות לאובייקט אחר.

תיאור

כאשר שני מוליכים בעלי פוטנציאלים שונים נמצאים בסמיכות אחד לשני הם מושפעים מהשדות החשמליים השונים ביניהם ומאחסנים מטענים חשמליים הפוכים בסימן כמו בקבל. שינוי הפוטנציאל החשמלי $v$ בין המוליכים דורש זרם פנימה או החוצה כדי לטעון או לפרוק את המטענים.

$$i=C{\frac {dv}{dt}}$$

כאשר $C$ מסמל את הקיבול בין המוליכים. לדוגמה, סליל השראה לעיתים מתנהג כמו שני קבלים במקביל^{[דרושה הבהרה]}, בשל צפיפות הליפופים. כאשר קיים מפל מתח לאורך הסליל, חוטים בליפופים סמוכים נמצאים בהפרש פוטנציאלים זה מזה, ולכן מתנהגים כלוחות בקבל לוחות ומאחסנים מטען. כל שינוי במתח לאורך הסליל דורש תוספת זרם כדי לפרוק או לטעון את המטען שהצטבר עליו. כאשר המתח משתנה באיטיות, כמו במעגלי תדר נמוך, תוספת הזרם המתקבלת ניתנת להזנחה, אך כאשר המתח משתנה במהירות תוספת הזרם גדולה יותר ויכולה להשפיע על פעילות המעגל.

עבור סלילים בתדרים גבוהים בדרך כלל משתמשים בטכניקות ליפוף שונות כדי למזער את הקיבול הטפילי.

אפקטים

בתדרים נמוכים, ניתן להזניח קיבול טפילי אך במעגלי תדר גבוה קיבול טפילי זה יכול להוות בעיה משמעותית. במעגלי מגבר עם תגובת תדר מורחבת, קיבול טפילי בין הפלט לקלט יכול לשמש כענף משוב, הגורם למעגל תנודתיות (אוסצילציה) בתדירות גבוהה. תנודות לא רצויות אלה נקראות "תנודות טפיליות" (באנגלית: parasitic oscillations).

במגברים בעלי תדר גבוה, קיבול טפילי יכול להיות משולב עם השראות מקרית, רכיב שכזה מוביל ליצירת מעגל תהודה חשמלי שמוביל גם ליצירת תנודתיות טפילית. בכל הסלילים, הקיבול הטפילי ייצור תהודה עם ההשראות בתדירות גבוהה כלשהי כדי להפוך את הסליל לבעל תהודה עצמית; דבר זה נקרא תדר תהודה עצמית. מעל תדר זה, לסליל ההשראה יש למעשה יש היגב קיבולי.

הקיבול של מעגל העומס המחובר לפלט של מגבר שרת יכול להפחית את רוחב הפס. מעגלי תדר גבוה דורשים טכניקות עיצוב מיוחדות כגון הפרדה זהירה של חוטים ורכיבים, טבעות אבטוח, מישורים מוליכים, סיכוך בין הקלט לפלט ותאום בין קווי התמסורת כדי למזער את השפעות הקיבול הלא רצויות.

בכבלים שהוצבו בצפיפות זה ליד זה ובאפיקי מחשב, קיבול טפילי צימודי עלול לגרום לערב דיבור (Crosstalk), כלומר שאות ממעגל אחד חודר לאחר, דבר הגורם להפרעות וחוסר אמינות בהפעלה.

תוכנות מחשב העוסקות באוטומציה של תכנון אלקטרוני, אשר משתמשים בהן כדי לעצב מעגלים מודפסים מסחריים, יכולות לחשב את הקיבול הטפילי ועוד אפקטים טפיליים לפי עקבות הן של רכיבים והן של מעגלים ולכלול אותם בסימולציות של המעגל המבצעי. פעולה זו נקראת חליצה טפילית.

קיבול מילר

הקיבול הטפילי בין אלקטרודות הקלט לפלט במגבר מהפך למשל בין הבסיס לקולקטור בטרנזיסטור BJT בעייתי במיוחד מאחר שהוא מוכפל בהגבר התקן. אפקט מילר (תועד לראשונה בשפופרות ריק על ידי ג'ון מילטון מילר, 1920) הוא הגורם העיקרי המגביל את ביצועי התדרים הגבוהים של התקנים פעילים כגון שפופרות ריק וטרנזיסטורים. מעין סריג נוסף לטריודה בשנת 1920 כדי להפחית את הקיבול הטפילי בין אלקטרודת הבקרה לאנודה, מה שיצר את הטטריודה אשר העלה משמעותית את תדירות ההפעלה.

האפקט של הקיבול הטפילי Z = C בין הקלט והפלט של מגבר

התרשים מדגים כיצד קיבול מילר קיבולת מתרחשת. נניח שהמגבר המוצג הוא מהפך אידיאלי עם הגבר מתח $A$ ו־$Z=C$ הוא הקיבול בין הקלט לפלט. מתח המוצא של המגבר הוא

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

הזרם לתוך הקלט הוא

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

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

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

אז הקיבול בכניסה למגבר הוא

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

קיבול הפלט מוכפל בהגבר המגבר. זהו קיבול מילר. אם למעגל הקלט יש עכבה ביחס לאדמה של $R$, אז (בהנחה שאין קיטוב עם עוד מגבר) הפלט של המגבר יהיה

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

רוחב הפס של המגבר מוגבל על ידי התדר הגבוה ב:

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

אז רוחב הפס מופחת על ידי פקטור $A+1$, בערך הגבר המתח של ההתקן. הגבר המתח של טרנזיסטורים מודרניים יכול לנוע בין 10–100, ואף גבוה יותר, אז זוהי הגבלה משמעותית.