Начальная загрузка (электроника)
Начальная загрузка — это метод в области электроники , при котором часть выходных данных системы используется при запуске.
Схема начальной загрузки — это схема, в которой часть выходного сигнала каскада усилителя подается на вход, чтобы изменить входное сопротивление усилителя. При сознательном применении целью обычно является увеличение, а не уменьшение импеданса. [1]
В области схем MOSFET самонастройка обычно используется для обозначения поднятия рабочей точки транзистора над шиной питания. [2] [3] Тот же термин использовался в несколько более общем смысле для динамического изменения рабочей точки операционного усилителя (путем смещения его положительной и отрицательной шины питания) с целью увеличения размаха его выходного напряжения (относительно земли). [4] В смысле, используемом в этом параграфе, начальная загрузка операционного усилителя означает «использование сигнала для управления опорной точкой источников питания операционного усилителя». [5] Более сложное использование этого метода начальной загрузки рельсов заключается в изменении нелинейной характеристики C/V входов операционного усилителя JFET, чтобы уменьшить его искажения. [6] [7]
Входное сопротивление
[ редактировать ]
В аналоговых схемах схема начальной загрузки представляет собой набор компонентов, специально предназначенных для изменения входного сопротивления схемы. Обычно предполагается увеличить импеданс за счет использования небольшого количества положительной обратной связи , обычно в два этапа. Это часто было необходимо на заре появления биполярных транзисторов , которые по своей природе имели довольно низкий входной импеданс. Поскольку обратная связь положительна, такие схемы могут иметь плохую стабильность и шумовые характеристики по сравнению с теми, которые не используют начальную загрузку.
В качестве альтернативы можно использовать отрицательную обратную связь для повышения входного импеданса, вызывая уменьшение кажущегося импеданса. Однако это редко делается намеренно 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 полное сопротивление кажется уменьшенным) из-за отрицательной обратной связи. Одним из популярных случаев, когда это делается намеренно, является метод компенсации Миллера для создания низкочастотного полюса внутри интегральной схемы. Чтобы минимизировать размер необходимого конденсатора, его помещают между входом и выходом, который качается в противоположном направлении. Эта начальная загрузка заставляет его действовать как конденсатор большей емкости по отношению к земле.
Управление МОП-транзисторами
[ редактировать ]N- MOSFET / IGBT требуется значительный положительный заряд ( VGS > Vth ) , Для включения приложенный к затвору. Использование только N-канальных устройств MOSFET/IGBT является распространенным методом снижения затрат, главным образом за счет уменьшения размера кристалла (есть и другие преимущества). Однако использование nMOS-устройств вместо pMOS-устройств означает, что для перевода транзистора в линейный режим работы (минимальное ограничение тока) и, таким образом, избежать значительных тепловых потерь, необходимо напряжение выше, чем напряжение питания шины питания (V+).
Загрузочный конденсатор подключен к шине питания (V+) к выходному напряжению. Обычно вывод истока N- MOSFET подсоединяется к катоду рециркуляционного диода, что позволяет эффективно управлять накопленной энергией в типичной индуктивной нагрузке (см. Обратноходовой диод ). Из-за особенностей накопления заряда конденсатора, начальное напряжение поднимется выше (V+), обеспечивая необходимое напряжение управления затвором.
Схема начальной загрузки часто используется в каждом полумосте H-моста , состоящего только из N-MOSFET . Когда N-FET нижнего плеча включен, ток с шины питания (V+) протекает через бутстреп-диод и заряжает бутстреп-конденсатор через этот N-FET нижнего плеча. Когда N-FET нижнего плеча выключается, нижний вывод бутстрепного конденсатора остается подключенным к истоку N-FET верхнего плеча, и конденсатор разряжает часть своей энергии, приводя в действие затвор N-FET верхнего плеча. на полевом транзисторе напряжение, достаточное выше V+, чтобы полностью включить N-FET верхнего плеча; в то время как бутстрап-диод блокирует утечку напряжения выше V+ обратно на шину питания V+. [8]
MOSFET — это устройство , / IGBT управляемое напряжением, которое теоретически не имеет тока затвора. Это позволяет использовать заряд внутри конденсатора для целей управления. Однако со временем конденсатор потеряет заряд из-за паразитного тока затвора и неидеального (то есть конечного) внутреннего сопротивления, поэтому эта схема используется только там, где присутствует устойчивый импульс. Это связано с тем, что импульсное действие позволяет конденсатору разряжаться (по крайней мере частично, если не полностью). Большинство схем управления, в которых используется бутстреп-конденсатор, принудительно отключают драйвер верхнего плеча (N-MOSFET) на минимальное время, чтобы обеспечить возможность перезарядки конденсатора. Это означает, что рабочий цикл всегда должен быть меньше 100%, чтобы компенсировать паразитный разряд, если утечка не учитывается другим способом.
Импульсные источники питания
[ редактировать ]В импульсных источниках питания цепи управления питаются от выхода. Чтобы запустить источник питания, можно использовать сопротивление утечки для капельного заряда шины питания для схемы управления, чтобы запустить ее колебания. Этот подход менее затратен и проще, чем обеспечение отдельного линейного источника питания только для запуска схемы регулятора. [9]
Выходной размах
[ редактировать ]Усилители переменного тока могут использовать начальную загрузку для увеличения размаха выходного сигнала. Конденсатор (обычно называемый бутстрепным конденсатором ) подключается к выходу усилителя к цепи смещения , обеспечивая напряжения смещения, превышающие напряжение источника питания. Таким образом, эмиттерные повторители могут обеспечить выходной сигнал с напряжением от шины к напряжению, что является обычным методом в аудиоусилителях класса AB.
Цифровые интегральные схемы
[ редактировать ]В интегральной схеме используется метод начальной загрузки, позволяющий внутренним линиям распределения адреса и тактовой частоты иметь увеличенный размах напряжения. В схеме начальной загрузки используется разделительный конденсатор, образованный из емкости затвора/истока транзистора, для возбуждения сигнальной линии до напряжения, немного превышающего напряжение питания. [10]
Некоторые интегральные схемы, полностью состоящие из pMOS, такие как Intel 4004 и Intel 8008, используют эту двухтранзисторную схему «начальной загрузки». [11] [12] [13]
См. также
[ редактировать ]- Приложения теоремы Миллера (создание виртуального бесконечного импеданса)
- Загрузка , первоначальная загрузка программы для компьютера
Ссылки
[ редактировать ]- ^ IEEE Standard 100 Авторитетный словарь терминов стандартов IEEE (7-е изд.). IEEE Пресс. 2000. с. 123. ИСБН 0-7381-2601-2 .
- ^ Уемура, Джон П. (1999). Проектирование логических схем КМОП . Спрингер. п. 319. ИСБН 978-0-7923-8452-6 .
- ^ Пелгром, Марсель Ж.М. (2012). Аналого-цифровое преобразование (2-е изд.). Спрингер. стр. 210–211. ISBN 978-1-4614-1371-4 .
- ^ Кинг, Грейсон; Уоткинс, Тим (13 мая 1999 г.). «Начальная настройка операционного усилителя приводит к большим перепадам напряжения» (PDF) . ЭДН : 117–129.
- ^ Грэм, Джеральд (1994). «Измерение искажений на операционном усилителе обходит ограничения испытательного оборудования». В Хикмане, Ян; Трэвис, Билл (ред.). Помощник дизайнера EDN . Баттерворт-Хайнеманн. п. 205. ИСБН 978-0-7506-1721-5 .
- ^ Юнг, Уолт. «Подложка микросхемы с начальной загрузкой снижает искажения в операционных усилителях JFET» (PDF) . Рекомендации по применению Analog Devices AN-232.
- ^ Дуглас Селф (2014). Дизайн аудио для малых сигналов (2-е изд.). Фокальная пресса. стр. 136–142. ISBN 978-1-134-63513-9 .
- ^ Диалло, Мамаду (2018). «Выбор схемы начальной загрузки для конфигураций полумоста» (PDF) . Техасские инструменты.
- ^ Мак, Раймонд А. (2005). Демистификация импульсных источников питания . Ньюнес. п. 121. ИСБН 0-7506-7445-8 .
- ^ Далли, Уильям Дж.; Поултон, Джон В. (1998). Цифровая системная инженерия . Издательство Кембриджского университета. стр. 190–1. ISBN 0-521-59292-5 .
- ^ Фаггин, Федерико . «Новая методология проектирования случайной логики» . Проверено 3 июня 2017 г.
- ^ Фаггин, Федерико. «Самозагрузочная нагрузка» . Проверено 3 июня 2017 г.
- ^ Ширрифф, Кен (октябрь 2020 г.). «Как начальная загрузка сделала возможным появление исторического процессора Intel 8008» .