Самозагрузка (электроника) - Википедия - Bootstrapping (electronics)

В области электроника, а бутстрап Схема - это та, в которой часть выхода каскада усилителя подается на вход, чтобы изменить вход сопротивление усилителя. При преднамеренном применении намерение обычно заключается в увеличении, а не уменьшении импеданса.[1] Как правило, любой метод, при котором часть выходных данных системы используется при запуске, называется начальной загрузкой.

В области МОП-транзистор схем, бутстрэппинг обычно используется для обозначения подтягивания рабочая точка транзистора над шиной питания.[2][3] Тот же термин использовался несколько более широко для динамического изменения рабочей точки операционный усилитель (путем сдвига положительной и отрицательной шины питания), чтобы увеличить размах выходного напряжения (относительно земли).[4] В том смысле, используемой в этом пункте, бутстрапирования оперативного средства усилителя «с помощью сигнала для приведения в действии опорной точки источника питания ОУ в».[5] Более сложное использование этого метода самозагрузки шины - изменение нелинейной C / V характеристики входов операционного усилителя с полевым транзистором с полевым транзистором для уменьшения искажений.[6][7]

Входное сопротивление

Конденсаторы начальной загрузки C1 и C2 в цепи эмиттерного повторителя BJT

В аналоговая схема схем начальной загрузки - это набор компонентов, преднамеренно предназначенный для изменения входное сопротивление схемы. Обычно он предназначен для увеличения импеданса, используя небольшое количество положительных Обратная связь, обычно в два этапа. Это часто было необходимо в первые дни биполярный транзисторы, которые по своей сути имеют довольно низкий входной импеданс. Поскольку обратная связь положительна, такие схемы могут страдать от плохой стабильности и шумовых характеристик по сравнению с схемами без начальной загрузки.

Отрицательный В качестве альтернативы обратная связь может использоваться для начальной загрузки входного импеданса, что приводит к уменьшению кажущегося импеданса. Однако это редко делается преднамеренно и обычно является нежелательным результатом конкретной конструкции схемы. Хорошо известным примером этого является Эффект Миллера, при котором неизбежная емкость обратной связи оказывается увеличенной (т. е. ее полное сопротивление кажется уменьшенным) из-за отрицательной обратной связи. Один популярный случай, когда это является сделано намеренно Компенсация Миллера метод обеспечения низкочастотного полюса внутри интегральной схемы. Чтобы минимизировать размер необходимого конденсатора, его помещают между входом и выходом, который вращается в противоположном направлении. Эта самонастройка заставляет его действовать как большой конденсатор на землю.

Схема МОП-транзисторов

A N-МОП-транзистор /IGBT требует значительного положительного заряда (VGS > Vth) прикладывалась к воротам для включения. Использование только N-канальных устройств MOSFET / IGBT является распространенным методом снижения затрат в основном из-за умереть уменьшение размера (есть и другие преимущества). Однако использование устройств nMOS вместо устройств pMOS означает, что требуется напряжение выше, чем напряжение питания шины (V +), чтобы перевести транзистор в линейный режим (минимальное ограничение тока) и, таким образом, избежать значительных тепловых потерь.

Конденсатор начальной загрузки подключен от шины питания (V +) к выходному напряжению. Обычно клемма источника N-МОП-транзистор связан с катод рециркуляции диод позволяя эффективно управлять накопленной энергией при типичной индуктивной нагрузке (см. Обратный диод ). Из-за характеристик накопления заряда конденсатора напряжение начальной загрузки поднимется выше (V +), обеспечивая необходимое напряжение управления затвором.

Схема начальной загрузки, часто используемая в каждом полумосте полностью N-MOSFET H-мост Когда включен полевой транзистор нижнего уровня, ток от шины питания (V +) протекает через диод начальной загрузки и заряжает конденсатор начальной загрузки через этот полевой транзистор нижнего уровня. Когда полевой транзистор нижнего уровня выключается, нижняя сторона загрузочного конденсатора остается подключенной к источнику N-FET верхней стороны, и конденсатор разряжает часть своей энергии, приводя затвор N-FET верхней стороны к напряжению, значительно превышающему V +, чтобы переключить высокий - боковая сторона N-FET полностью включена; в то время как диод начальной загрузки блокирует утечку этого напряжения выше-V + обратно на шину питания V +.[8]

А МОП-транзистор /IGBT это устройство, управляемое напряжением, которое теоретически не будет иметь никакого тока затвора. Это позволяет использовать заряд внутри конденсатора для целей управления. Однако в конечном итоге конденсатор потеряет свой заряд из-за паразитного тока затвора и неидеального (то есть конечного) внутреннего сопротивления, поэтому эта схема используется только при наличии постоянного импульса. Это связано с тем, что импульсное действие позволяет конденсатору разрядиться (по крайней мере, частично, если не полностью). В большинстве схем управления, в которых используется конденсатор начальной загрузки, драйвер верхнего плеча (N-MOSFET) отключается на минимальное время, чтобы дать возможность конденсатору пополниться. Это означает, что рабочий цикл всегда должно быть меньше 100%, чтобы приспособиться к паразитному разряду, если только утечка не будет устранена другим способом.

Импульсные источники питания

В импульсные источники питания, цепи регулирования питаются от выхода. Чтобы запустить источник питания, можно использовать сопротивление утечки, чтобы подзарядить шину питания для цепи управления, чтобы она начала колебаться. Такой подход менее затратен и более эффективен, чем предоставление отдельного линейного источника питания только для запуска схемы регулятора. [9]

Размах выхода

Усилители переменного тока могут использовать начальную загрузку для увеличения размаха выходного сигнала. Конденсатор (обычно называемый начальный конденсатор) подключается от выхода усилителя к цепь смещения, обеспечивающие напряжения смещения, превышающие напряжение источника питания. Эмиттерные повторители могут таким образом обеспечивать выход Rail-to-Rail, что является распространенной техникой в ​​аудиоусилителях класса AB.

Цифровые интегральные схемы

Внутри интегральной схемы используется метод начальной загрузки, позволяющий внутренним линиям распределения адреса и тактовой частоты иметь повышенный размах напряжения. В схеме начальной загрузки используется конденсатор связи, сформированный из емкости затвор / исток транзистора, для управления сигнальной линией до напряжения, немного превышающего напряжение питания. [10]

Некоторые интегральные схемы на базе pMOS, такие как Intel 4004 и Intel 8008 используйте эту 2-транзисторную схему "начальной загрузки".[11][12][13]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ IEEE Standard 100 Авторитетный словарь терминов стандартов IEEE (7-е изд.). IEEE Press. 2000. с. 123. ISBN  0-7381-2601-2.
  2. ^ Уэмура, Джон П. (1999). КМОП логическая схема. Springer. п. 319. ISBN  978-0-7923-8452-6.
  3. ^ Пелгром, Марсель Дж. М. (2012). Аналого-цифровое преобразование (2-е изд.). Springer. С. 210–211. ISBN  978-1-4614-1371-4.
  4. ^ Кинг, Грейсон; Уоткинс, Тим (13 мая 1999 г.). «Загрузка вашего операционного усилителя приводит к большим колебаниям напряжения» (PDF). EDN: 117–129.
  5. ^ Грэм, Джеральд (1994). «Измерение искажений операционного усилителя обходит ограничения испытательного оборудования». В Хикмане, Йен; Трэвис, Билл (ред.). Компаньон дизайнера EDN. Баттерворт-Хайнеманн. п. 205. ISBN  978-0-7506-1721-5.
  6. ^ Юнг, Уолт. «Подложка ИС с начальной загрузкой снижает искажения в операционных усилителях с полевым транзистором» (PDF). Замечание по применению Analog Devices AN-232.
  7. ^ Дуглас Селф (2014). Малосигнальный аудио дизайн (2-е изд.). Focal Press. С. 136–142. ISBN  978-1-134-63513-9.
  8. ^ Диалло, Мамаду (2018). «Выбор схемы начальной загрузки для полумостовых конфигураций» (PDF). Инструменты Техаса.
  9. ^ Мак, Раймонд А. (2005). Демистификация импульсных источников питания. Newnes. п. 121. ISBN  0-7506-7445-8.
  10. ^ Далли, Уильям Дж .; Поултон, Джон В. (1998). Цифровая системная инженерия. Издательство Кембриджского университета. С. 190–1. ISBN  0-521-59292-5.
  11. ^ Фаггин, Федерико. «Новая методология проектирования случайной логики». Получено 3 июня, 2017.
  12. ^ Фаггин, Федерико. "Загрузочная загрузка". Получено 3 июня, 2017.
  13. ^ Ширрифф, Кен (октябрь 2020 г.). «Как загрузочная загрузка сделала возможным исторический процессор Intel 8008».