アナログ回路

アナログ・デバイセズ株式会社　石井　聡

2010.12.16

コンデンサはカップリング（交流信号を通し、直流を遮断する）、デカップリング（電源回路と信号回路間で直流電圧に重畳した交流成分を除去する）、フィルタや周波数選択回路の実現、「サンプル＆ホールド」回路（「トラック＆ホールド」回路、SHA; Sample Hold Amplifierとも言います）での電荷蓄積などに使用されるものです。

本連載の第3回に示しましたが、「抵抗素子」が完璧な「抵抗成分」だと思い込みがちなのと同じように、コンデンサの寄生成分についても過小に評価しがちです。図5-1に理想的なコンデンサのモデル、実際のコンデンサの詳細モデル、そして回路シミュレーション解析を行う際の多くの場合において、現実的に解析に十分なレベルにまで単純化したモデルをいくつか示します。
以降ではこれらのモデルをベースにして説明していきます。

図5-1 コンデンサのモデル

カップリングやサンプル＆ホールド回路の用途では、コンデンサのリーク電流が大きな問題になることがあります。

■電解コンデンサはリーク電流が比較的高い
図5-2の左の電解コンデンサは、電気化学反応による誘電体が内蔵されています。そのためリーク電流が比較的高く（マイクロアンペア以上）、リーク電流を問題とする用途では使用できません。
また電解コンデンサは、一定の非導通期間が経過した後に電圧を加えた場合、その最初の数分間に、リーク電流が大きくなります。これはコンデンサの誘電体特性が、動作時にはリーク電流により良い状態に維持されていますが、保管中（非動通中）はわずかに劣化することがあるためです。長い休止期間の後に正しく動作しなければならない電子機器では、この特性が問題になることがあります。

■タンタル・コンデンサはリーク電流が比較的低い
図5-2の右のタンタル・コンデンサのリーク電流は、アルミニウム電解コンデンサより低いものです。数十μF以上（電解コンデンサなら簡単に実現できる容量です）の容量が必要で、リーク電流を特に低く抑えなければならない用途の場合には、コスト増にはなりますが、タンタル・コンデンサを使用しなければなりません。
アルミニウム電解コンデンサのリーク電流は、室温で20nA/μF程度もあり、一方タンタル・コンデンサは5nA/μF程度を実現できます。
なおタンタル・コンデンサは、耐圧特性に十分マージンをもたせてください（故障時にはショート・モードになります）。

図5-2 電解コンデンサとタンタル・コンデンサ

■これらのコンデンサは「極性」を持っている
アルミニウム／タンタル・コンデンサのもう1つの特徴は、そのほとんどが極性を持っていることで、正しくコンデンサを動作させるためにはDCバイアスが必要です。逆バイアスをかけるとコンデンサが損傷してしまうことがあり、リーク電流が間違いなく増大してしまいます。
どちらの方向にもバイアスできる、無極性電解コンデンサもありますが、これはあまり一般的ではなく、極性のある電解コンデンサに比べても、かなり大型になります。
ほかのほとんどの種類のコンデンサは、リーク抵抗が数百GΩを上回っているため、大体の用途でリーク電流は無視することができます。

波高値の高い交流電流がコンデンサに流入すると、コンデンサの直列抵抗による電力でコンデンサ自体が発熱します。
このためリップル電流が大きいデカップリング用電源コンデンサや高周波回路では、深刻な問題が生じることがあります。
しかし高精度アナログ回路の場合は、それほど影響はないでしょう。ただし以降にしめすように、直列インダクタンス成分が、かなりの悪影響を与えてしまうことがありますので、一方で注意が必要です。