寄生容量

寄生容量（きせいようりょう）

寄生容量とは、浮遊容量や漂遊容量とも呼ばれ、電子部品や電子回路の設計上意図しない形で現れる容量成分のことを指します。この容量は、コンデンサのように、導体と絶縁体の構造から生じるもので、通常は電子部品内部やモーターコイルとフレーム、電源ケーブルと地面の間に見られます。特に長い電源ケーブルは、大きな静電容量を持ち、電流をスイッチング制御する際に高周波の強いEMI（電磁干渉）を生成します。その結果、対地間の寄生容量に大きな電荷が蓄積されることがあります。

金属筐体を接地する主な目的は、人体を感電から守るための保護接地ですが、誘導された電荷を大地へ逃がすための機能接地も重要です。また、電磁波を発生しやすい素子を静電シールドして筐体と接続することも、寄生容量から電荷を逃がす目的で行われます。

寄生容量の発生メカニズム

電子部品の中でも、インダクタやトランジスタ、ダイオード、抵抗などは、理想的な素子として回路図上では表現されますが、実際の部品には、元々の機能を果たすだけではなく、抵抗成分、容量成分、誘導成分なども自然に現れます。特にプリント基板上で導線パターンが近接している際には、導線間に微小な容量が形成され、それが寄生容量として振る舞います。例えば、フォトカプラに用いられるLEDは、スイッチングノイズを素子内の寄生容量に誘導し、誤動作を引き起こすことがあります。そのため、誤点弧に弱い構造を改善するために、分離構造型のフォトカプラが開発されています。

電位による寄生容量の影響

異なる電位を持つ二つの導体が近接している場合、これらは互いの電場によって影響を受け、電荷を蓄えることになります。この時、導体間の電位の変化に応じて電流が流れる関係が生まれます。この現象は、電圧の変化に対して流れる余分な電流が、回路の動作に影響を与える可能性があり、特に高周波回路では顕著です。

寄生容量は、通常低周波回路では無視されがちですが、高周波回路においては重要なファクターとして扱われます。たとえば、増幅回路の入出力間の寄生容量が意図せざる発振を引き起こすことがあり、これは寄生発振と呼ばれます。オペアンプの出力と負荷回路の間に形成される容量は、回路の帯域を制約します。高周波回路では、寄生容量の影響を抑えるために、配線や部品を適切に分離する特別な実装技術が必要となります。具体的には、ガードリングやグラウンドプレーン、シールドなどの手法が採用されます。

ミラー容量と集積回路

トランジスタのベースとコレクターの間の寄生容量は、回路の利得によって増加するため特に厄介です。このタイプの寄生容量は「ミラー容量」と呼ばれ、特に高周波特性に悪影響を与える要因として知られています。1930年代には、真空管においてスクリーングリッドが導入され、周波数の増大が可能になりました。

集積回路の初期は、動作周波数と集積度が低いため、配線の影響は見過ごされていました。しかし、0.5ミクロンプロセス以降、内部の抵抗や容量が回路の性能に重要な影響を与えるようになり、特に信号ノイズや信号遅延の問題が顕在化しています。

寄生容量は、電子回路の設計や実装において避けては通れない課題であり、特に高周波においてその影響が顕著となるため、エンジニアはこの問題に真剣に取り組む必要があります。

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