Bootstrapping (Elektronik) - Bootstrapping (electronics)

Auf dem Gebiet der Elektronik kann eine Technik, bei der ein Teil der Ausgabe eines Systems beim Start verwendet wird, als Bootstrapping bezeichnet werden .

Eine Bootstrap - Schaltung ist ein , wo ein Teil des Ausgangs einer Verstärkerstufe an den Eingang angelegt wird, um so die Eingabe zu verändern Impedanz des Verstärkers. Bei bewusster Anwendung besteht die Absicht normalerweise darin, die Impedanz eher zu erhöhen als zu verringern.

Im Bereich der MOSFET- Schaltungen wird Bootstrapping häufig verwendet, um den Arbeitspunkt eines Transistors über die Stromversorgungsschiene hochzuziehen. Der gleiche Begriff wurde etwas allgemeiner verwendet, um den Arbeitspunkt eines Operationsverstärkers dynamisch zu ändern (durch Verschieben sowohl seiner positiven als auch seiner negativen Versorgungsschiene), um seinen Ausgangsspannungshub (relativ zur Masse) zu erhöhen. Im Sinne dieses Absatzes bedeutet Bootstrapping eines Operationsverstärkers "Verwenden eines Signals zum Ansteuern des Referenzpunkts der Stromversorgungen des Operationsverstärkers". Eine anspruchsvollere Anwendung dieser Rail-Bootstrapping-Technik besteht darin, die nichtlineare C/V-Charakteristik der Eingänge eines JFET-Operationsverstärkers zu ändern, um seine Verzerrung zu verringern.

Eingangsimpedanz

Bootstrap-Kondensatoren C1 und C2 in einer BJT-Emitter-Folger-Schaltung

In analogen Schaltungsdesigns ist eine Bootstrap-Schaltung eine Anordnung von Komponenten, die absichtlich die Eingangsimpedanz einer Schaltung ändern soll . Normalerweise ist es beabsichtigt, die Impedanz zu erhöhen, indem eine kleine Menge positiver Rückkopplung verwendet wird , normalerweise über zwei Stufen. Dies war oft notwendig , in den frühen Tagen der bipolaren Transistoren , die von Natur aus recht eine niedrige Eingangsimpedanz haben. Da das Feedback positiv ist, können solche Schaltungen im Vergleich zu solchen ohne Bootstrap unter einer schlechten Stabilität und Rauschleistung leiden.

Alternativ kann eine negative Rückkopplung verwendet werden, um eine Eingangsimpedanz zu booten, wodurch die scheinbare Impedanz reduziert wird. Dies geschieht jedoch selten absichtlich und ist normalerweise ein unerwünschtes Ergebnis eines bestimmten Schaltungsdesigns. Ein bekanntes Beispiel hierfür ist der Miller-Effekt , bei dem eine unvermeidbare Rückkopplungskapazität durch Gegenkopplung vergrößert (dh ihre Impedanz reduziert erscheint) erscheint. Eine populäre Fall , in dem dies ist bewusst gemacht ist die Miller - Kompensationsverfahren zur Bereitstellung eines niederfrequenten Pol im Inneren einer integrierten Schaltung. Um die Größe des benötigten Kondensators zu minimieren, wird dieser zwischen Eingang und Ausgang platziert, der in die entgegengesetzte Richtung schwingt. Durch dieses Bootstrapping verhält es sich wie ein größerer Kondensator zur Erde.

Ansteuerung von MOS-Transistoren

Ein N- MOSFET / IGBT benötigt eine deutlich positive Ladung ( V GS > V th ), die an das Gate angelegt wird, um einzuschalten. Die ausschließliche Verwendung von N-Kanal-MOSFET/IGBT-Bauelementen ist eine gängige Methode zur Kostensenkung, die hauptsächlich auf die Reduzierung der Chipgröße zurückzuführen ist (es gibt auch andere Vorteile). Die Verwendung von nMOS-Bauelementen anstelle von pMOS-Bauelementen bedeutet jedoch, dass eine höhere Spannung als die Stromschienenversorgung (V+) benötigt wird, um den Transistor in einen linearen Betrieb vorzuspannen (minimale Strombegrenzung) und somit einen erheblichen Wärmeverlust zu vermeiden.

Ein Bootstrap-Kondensator ist von der Versorgungsschiene (V+) mit der Ausgangsspannung verbunden. Normalerweise ist der Source - Anschluß des N- MOSFET ist mit dem Kathode einer Rezirkulation Diode so dass für eine effiziente Verwaltung der gespeicherten Energie in der Regel induktiven Last (siehe Flyback - Diode ). Aufgrund der Ladungsspeichereigenschaften eines Kondensators wird die Bootstrap-Spannung über (V+) ansteigen, um die erforderliche Gate-Ansteuerspannung bereitzustellen.

Eine Bootstrap-Schaltung wird oft in jeder Halbbrücke einer All-N-MOSFET- H-Brücke verwendet . Wenn der Low-Side-N-FET eingeschaltet ist, fließt Strom von der Stromschiene (V+) durch die Bootstrap-Diode und lädt den Bootstrap-Kondensator über diesen Low-Side-N-FET. Wenn der Low-Side-N-FET abschaltet, bleibt die Low-Side des Bootstrap-Kondensators mit der Source des High-Side-N-FET verbunden, und der Kondensator entlädt einen Teil seiner Energie, indem er das Gate des High-Side-N- antreibt. FET auf eine Spannung, die ausreichend über V+ liegt, um den High-Side-N-FET vollständig einzuschalten; während die Bootstrap-Diode blockiert, dass die Spannung über V+ zurück zur Stromschiene V+ leckt.

Ein MOSFET / IGBT ist ein spannungsgesteuertes Gerät, das theoretisch keinen Gate-Strom hat. Dadurch ist es möglich, die Ladung innerhalb des Kondensators für Steuerungszwecke zu nutzen. Jedoch verliert der Kondensator schließlich seine Ladung aufgrund des parasitären Gate-Stroms und des nicht idealen (dh endlichen) Innenwiderstands, so dass dieses Schema nur verwendet wird, wenn ein stetiger Impuls vorhanden ist. Dies liegt daran, dass die Impulswirkung eine Entladung des Kondensators (zumindest teilweise, wenn nicht vollständig) ermöglicht. Die meisten Steuerschemata, die einen Bootstrap-Kondensator verwenden, erzwingen das Ausschalten des High-Side-Treibers (N-MOSFET) für eine minimale Zeit, damit sich der Kondensator wieder füllen kann. Dies bedeutet, dass der Arbeitszyklus immer weniger als 100 % betragen muss, um die parasitäre Entladung aufzunehmen, es sei denn, die Leckage wird auf andere Weise berücksichtigt.

Schaltnetzteile

Bei Schaltnetzteilen werden die Steuerkreise vom Ausgang gespeist. Um die Stromversorgung zu starten, kann ein Ableitwiderstand verwendet werden, um die Versorgungsschiene für den Steuerkreis zu erhalten, um sie in Schwingung zu versetzen. Dieser Ansatz ist weniger kostspielig und einfacher als die Bereitstellung einer separaten linearen Stromversorgung, nur um die Reglerschaltung zu starten.

Ausgangsschwingung

AC-Verstärker können Bootstrapping verwenden, um die Ausgangsschwingung zu erhöhen. Ein Kondensator (üblicherweise als Bootstrap-Kondensator bezeichnet ) ist vom Ausgang des Verstärkers mit der Vorspannungsschaltung 10 verbunden und liefert Vorspannungen, die die Versorgungsspannung übersteigen. Emitterfolger können auf diese Weise einen Rail-to-Rail-Ausgang bereitstellen, was bei Audioverstärkern der Klasse AB eine gängige Technik ist.

Digitale integrierte Schaltkreise

Innerhalb einer integrierten Schaltung wird ein Bootstrap-Verfahren verwendet, um internen Adress- und Taktverteilungsleitungen einen erhöhten Spannungshub zu ermöglichen. Die Bootstrap-Schaltung verwendet einen Koppelkondensator, der aus der Gate/Source-Kapazität eines Transistors gebildet wird, um eine Signalleitung etwas höher als die Versorgungsspannung zu treiben.

Einige integrierte Voll-pMOS-Schaltungen wie der Intel 4004 und der Intel 8008 verwenden diese 2-Transistor-"Bootstrap-Last"-Schaltung.

Siehe auch

Verweise