Бутстрэппинг — это метод в области электроники , при котором часть выходных данных системы используется при запуске.
Схема бутстрепа — это схема, в которой часть выходного сигнала усилительного каскада подается на вход, чтобы изменить входное сопротивление усилителя. При преднамеренном применении обычно преследуется цель увеличить, а не уменьшить сопротивление. [1]
В области схем MOSFET , бутстреппинг обычно используется для обозначения подтягивания рабочей точки транзистора выше шины питания. [2] [3] Тот же термин использовался несколько более широко для динамического изменения рабочей точки операционного усилителя (путем смещения как его положительной, так и отрицательной шины питания) с целью увеличения размаха его выходного напряжения (относительно земли). [4] В смысле, используемом в этом параграфе, бутстреппинг операционного усилителя означает «использование сигнала для управления опорной точкой источников питания операционного усилителя». [5] Более сложным использованием этой техники бутстреппинг рельс является изменение нелинейной характеристики C/V входов операционного усилителя JFET с целью уменьшения его искажений. [6] [7]
В аналоговых схемах схема самозагрузки представляет собой расположение компонентов, намеренно предназначенных для изменения входного импеданса схемы. Обычно она предназначена для увеличения импеданса с помощью небольшого количества положительной обратной связи , как правило, на двух каскадах. Это часто было необходимо в ранние дни биполярных транзисторов , которые изначально имели довольно низкий входной импеданс. Поскольку обратная связь положительная, такие схемы могут страдать от плохой стабильности и шумовых характеристик по сравнению с теми, которые не используют самозагрузки.
Отрицательная обратная связь может также использоваться для бутстрепа 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 кажется увеличенной (т. е. ее импеданс кажется уменьшенным) из-за отрицательной обратной связи. Одним из популярных случаев, когда это делается преднамеренно, является метод компенсации Миллера для обеспечения низкочастотного полюса внутри интегральной схемы. Чтобы минимизировать размер необходимого конденсатора, он помещается между входом и выходом, который качается в противоположном направлении. Этот бутстреп заставляет его действовать как больший конденсатор на землю.
N - MOSFET / IGBT требует значительного положительного заряда ( V GS > V th ), приложенного к затвору, чтобы включиться. Использование только N-канальных MOSFET / IGBT устройств является распространенным методом снижения затрат, в основном из-за уменьшения размера кристалла (есть и другие преимущества). Однако использование nMOS устройств вместо pMOS устройств означает, что необходимо напряжение выше, чем напряжение питания шины питания (V+), чтобы сместить транзистор в линейный режим работы (минимальное ограничение тока) и, таким образом, избежать значительных тепловых потерь.
Бутстрепный конденсатор подключается от шины питания (V+) к выходному напряжению. Обычно клемма источника N- MOSFET подключается к катоду рециркуляционного диода, что позволяет эффективно управлять накопленной энергией в типично индуктивной нагрузке (см. Flyback-диод ). Благодаря характеристикам накопления заряда конденсатора, бустстрепное напряжение поднимется выше (V+), обеспечивая необходимое напряжение управления затвором.
Схема бутстрепа часто используется в каждом полумосте полностью N-MOSFET H-моста . Когда нижний полевой транзистор N-FET включен, ток от шины питания (V+) протекает через диод бутстрепа и заряжает конденсатор бутстрепа через этот нижний полевой транзистор N-FET. Когда нижний полевой транзистор N-FET выключается, нижняя сторона конденсатора бутстрепа остается подключенной к источнику верхнего полевого транзистора N-FET, и конденсатор разряжает часть своей энергии, управляя затвором верхнего полевого транзистора N-FET до напряжения, достаточно превышающего V+, чтобы полностью включить верхний полевой транзистор N-FET; в то время как диод бутстрепа блокирует утечку этого напряжения выше V+ обратно на шину питания V+. [8]
MOSFET / IGBT — это управляемое напряжением устройство, которое, в теории, 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 ( т . е. конечного) внутреннего сопротивления, поэтому эта схема используется только там, где присутствует устойчивый импульс. Это связано с тем, что импульсное действие позволяет конденсатору разрядиться (по крайней мере частично, если не полностью). Большинство схем управления, которые используют бутстрепный конденсатор, выключают драйвер высокой стороны (N-MOSFET) на минимальное время, чтобы позволить конденсатору перезарядиться. Это означает, что рабочий цикл всегда должен быть меньше 100%, чтобы компенсировать паразитный разряд, если только утечка не компенсируется другим способом.
В импульсных источниках питания схемы управления питаются от выхода. Для запуска источника питания можно использовать сопротивление утечки для подзарядки шины питания для схемы управления, чтобы она начала колебаться. Такой подход менее затратен и проще, чем предоставление отдельного линейного источника питания только для запуска схемы регулятора. [9]
Усилители переменного тока могут использовать бутстреп для увеличения выходного размаха. Конденсатор (обычно называемый бутстрепным конденсатором ) подключается от выхода усилителя к цепи смещения , обеспечивая напряжение смещения, превышающее напряжение источника питания. Эмиттерные повторители могут обеспечить выход rail-to-rail таким образом, что является распространенной техникой в аудиоусилителях класса AB.
В интегральной схеме метод бутстрепа используется для того, чтобы внутренние линии адресации и распределения часов имели увеличенный размах напряжения. Схема бутстрепа использует конденсатор связи, сформированный из емкости затвора/истока транзистора, для управления сигнальной линией до уровня, немного превышающего напряжение питания. [10]
Некоторые интегральные схемы, полностью выполненные на pMOS-структурах, такие как Intel 4004 и Intel 8008, используют эту двухтранзисторную схему «бутстрепной нагрузки». [11] [12] [13]