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Arranque automático (electrónica)

El arranque en frío es una técnica del campo de la electrónica en la que parte de la salida de un sistema se utiliza durante el arranque. Un circuito bootstrap es aquel en el qu...

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El arranque en frío es una técnica del campo de la electrónica en la que parte de la salida de un sistema se utiliza durante el arranque.

Un circuito bootstrap es aquel en el que parte de la salida de una etapa amplificadora se aplica a la entrada, con el fin de modificar la impedancia de entrada del amplificador. Cuando se aplica deliberadamente, la intención suele ser aumentar, no disminuir, la impedancia. [ 1 ]

En el ámbito de los circuitos MOSFET , el término "bootstrapping" se utiliza comúnmente para referirse a elevar el punto de operación de un transistor por encima del riel de alimentación. [ 2 ] [ 3 ] El mismo término se ha utilizado de forma más general para referirse a la modificación dinámica del punto de operación de un amplificador operacional (mediante el desplazamiento de sus rieles de alimentación positivo y negativo) con el fin de aumentar su oscilación de voltaje de salida (en relación con tierra). [ 4 ] En el sentido utilizado en este párrafo, "bootstrapping" de un amplificador operacional significa "utilizar una señal para controlar el punto de referencia de las fuentes de alimentación del amplificador operacional". [ 5 ] Un uso más sofisticado de esta técnica de bootstrapping de riel consiste en modificar la característica C/V no lineal de las entradas de un amplificador operacional JFET para disminuir su distorsión. [ 6 ] [ 7 ]

impedancia de entrada

Condensadores de arranque C1 y C2 en un circuito seguidor de emisor BJT

En el diseño de circuitos analógicos , un circuito bootstrap es una disposición de componentes diseñada para modificar la impedancia de entrada de un circuito. Generalmente, se busca aumentar la impedancia mediante una pequeña cantidad de retroalimentación positiva , normalmente en dos etapas. Esto era frecuente en los inicios de los transistores bipolares , que intrínsecamente tienen una impedancia de entrada bastante baja. Debido a que la retroalimentación es positiva, estos circuitos pueden presentar una estabilidad y un rendimiento de ruido deficientes en comparación con los que no utilizan bootstrap.

La retroalimentación negativa también puede utilizarse para aumentar la impedancia de entrada, reduciendo así la impedancia aparente. Sin embargo, esto rara vez se hace deliberadamente y suele ser un resultado no deseado del diseño del circuito. Un ejemplo conocido es el efecto Miller , en el que una capacitancia de retroalimentación inevitable parece aumentar (es decir, su impedancia parece reducirse) debido a la retroalimentación negativa. Un caso común donde esto se hace deliberadamente es la técnica de compensación de Miller para proporcionar un polo de baja frecuencia dentro de un circuito integrado . Para minimizar el tamaño del condensador necesario, este se coloca entre la entrada y una salida que oscila en la dirección opuesta. Este aumento hace que actúe como un condensador de mayor capacidad conectado a tierra.

Control de transistores MOS

Un MOSFET / IGBT de canal N requiere una carga positiva significativa ( VGS > Vth ) aplicada a la compuerta para activarse. El uso exclusivo de dispositivos MOSFET/IGBT de canal N es un método común para reducir costos, debido principalmente a la reducción del tamaño del chip (aunque también ofrece otras ventajas). Sin embargo, el uso de dispositivos nMOS en lugar de dispositivos pMOS implica que se necesita una tensión superior a la de la fuente de alimentación (V+) para polarizar el transistor en operación lineal ( limitación de corriente mínima ) y, por lo tanto, evitar pérdidas de calor significativas.

Un condensador de arranque se conecta desde la línea de alimentación (V+) a la tensión de salida. Generalmente, el terminal de fuente del MOSFET N se conecta al cátodo de un diodo de recirculación, lo que permite una gestión eficiente de la energía almacenada en la carga, típicamente inductiva (véase diodo Flyback ). Debido a las características de almacenamiento de carga de un condensador, la tensión de arranque superará (V+), proporcionando la tensión de control de puerta necesaria.

Un circuito de arranque (bootstrap) se utiliza a menudo en cada semipuente de un puente H compuesto exclusivamente por MOSFET de tipo N. Cuando el N-FET de lado bajo está encendido, la corriente del riel de alimentación (V+) fluye a través del diodo de arranque y carga el condensador de arranque a través de dicho N-FET. Cuando el N-FET de lado bajo se apaga, el lado bajo del condensador de arranque permanece conectado a la fuente del N-FET de lado alto, y el condensador descarga parte de su energía, impulsando la puerta del N-FET de lado alto a una tensión suficientemente superior a V+ para encenderlo completamente; mientras tanto, el diodo de arranque bloquea esa tensión superior a V+, impidiendo que se filtre de vuelta al riel de alimentación V+. [ 8 ]

Un MOSFET / IGBT es un dispositivo controlado por voltaje que, en teoría, no presenta corriente de puerta. Esto permite utilizar la carga del condensador para fines de control. Sin embargo, con el tiempo, el condensador pierde su carga debido a la corriente de puerta parásita y a una resistencia interna no ideal (es decir, finita), por lo que este esquema solo se utiliza en presencia de un pulso constante. Esto se debe a que la pulsación permite la descarga del condensador (al menos parcial, si no completa). La mayoría de los esquemas de control que utilizan un condensador de arranque fuerzan el apagado del controlador de lado alto (N-MOSFET) durante un tiempo mínimo para permitir la recarga del condensador. Esto significa que el ciclo de trabajo siempre deberá ser inferior al 100 % para compensar la descarga parásita, a menos que la fuga se compense de otra manera.

Fuentes de alimentación conmutadas

En las fuentes de alimentación conmutadas , los circuitos de control se alimentan desde la salida. Para arrancar la fuente de alimentación, se puede usar una resistencia de fuga para cargar lentamente el riel de alimentación y así iniciar la oscilación del circuito de control. Este método es menos costoso y más sencillo que proporcionar una fuente de alimentación lineal independiente solo para arrancar el circuito regulador. [ 9 ]

Oscilación de salida

Los amplificadores de CA pueden utilizar el arranque en frío para aumentar la amplitud de la señal de salida. Un condensador (generalmente denominado condensador de arranque en frío ) se conecta desde la salida del amplificador al circuito de polarización , proporcionando voltajes de polarización superiores al voltaje de la fuente de alimentación. De esta forma, los seguidores de emisor pueden proporcionar una salida de riel a riel, una técnica común en los amplificadores de audio de clase AB.

circuitos integrados digitales

En un circuito integrado, se utiliza un método de arranque (bootstrap) para permitir que las líneas de distribución de dirección y reloj internas tengan una mayor amplitud de voltaje. El circuito de arranque utiliza un condensador de acoplamiento, formado a partir de la capacitancia puerta/fuente de un transistor, para elevar ligeramente el voltaje de una línea de señal. [ 10 ]

Algunos circuitos integrados totalmente pMOS, como el Intel 4004 y el Intel 8008, utilizan ese circuito de "carga de arranque" de 2 transistores. [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ Norma IEEE 100. Diccionario autorizado de términos de las normas IEEE (7.ª  ed.). IEEE Press. 2000. pág.  123. ISBN 0-7381-2601-2.
  2. ↑ Uyemura, John P. (1999). Diseño de circuitos lógicos CMOS . Springer. pág. 319. ISBN  978-0-7923-8452-6.
  3. ↑ Pelgrom, Marcel JM (2012). Conversión analógica-digital (2.ª ed.). Springer. págs. 210–211 . ISBN   978-1-4614-1371-4.
  4. ↑ King, Grayson; Watkins, Tim (13 de mayo de 1999). "El arranque de su amplificador operacional produce amplias oscilaciones de voltaje" (PDF) . EDN : 117–129 .
  5. ↑ Graeme, Jerald (1994). "La medición de la distorsión del amplificador operacional evita las limitaciones del equipo de prueba". En Hickman, Ian; Travis, Bill (eds.). The EDN Designer's Companion . Butterworth-Heinemann. pág. 205. ISBN  978-0-7506-1721-5.
  6. ↑ Jung, Walt. "El sustrato de circuitos integrados con realimentación reduce la distorsión en los amplificadores operacionales JFET" (PDF) . Nota de aplicación AN-232 de Analog Devices.
  7. ↑ Douglas Self (2014). Diseño de audio de pequeña señal (2.ª ed.). Focal Press. págs. 136–142 . ISBN   978-1-134-63513-9.
  8. ↑ Diallo, Mamadou (2018). "Selección de circuitos de arranque para configuraciones de medio puente" (PDF) . Texas Instruments.
  9. ↑ Mack, Raymond A. (2005). Desmitificando las fuentes de alimentación conmutadas . Newnes. pág. 121. ISBN  0-7506-7445-8.
  10. ↑ Dally, William J.; Poulton, John W. (1998). Ingeniería de sistemas digitales . Cambridge University Press. págs. 190–191 . ISBN  0-521-59292-5.
  11. ↑ Faggin, Federico . "La nueva metodología para el diseño de lógica aleatoria" . Consultado el 3 de junio de 2017 .
  12. ↑ Faggin, Federico. "The Bootstrap Load" . Consultado el 3 de junio de 2017 .
  13. ↑ Shirriff, Ken (octubre de 2020). "Cómo la carga de arranque hizo posible el histórico procesador Intel 8008" .