부트스트래핑(전자공학)

Bootstrapping (electronics)

전자공학 분야에서는 시스템 출력의 일부를 스타트업에 사용하는 기술을 부트스트래핑이라고 할 수 있다.

부트스트랩 회로는 증폭기의 입력 임피던스를 변경하기 위해 증폭기 단계의 출력의 일부가 입력에 적용되는 회로다.고의적으로 적용할 경우 임피던스를 감소시키기보다는 증가시키는 것이 보통이다.[1]

MOSFET 회로 영역에서 부트스트래핑은 일반적으로 트랜지스터의 작동 지점을 전원 공급 레일 위로 끌어올리는 것을 의미한다.[2][3]동일한 용어가 출력 전압 스윙(지면에 상대적)을 증가시키기 위해 운용 증폭기의 운용 지점을 동적으로 변경(양전압 레일과 음전압 공급 레일을 모두 이동시킴)하는 데 다소 일반적으로 사용되어 왔다.[4]이 항에서 사용되는 의미에서, 작동 증폭기 부트스트래핑은 "op-amp의 전원 공급기의 기준점을 구동하기 위해 신호를 사용"[5]을 의미한다.이 레일 부트스트래핑 기법의 보다 정교한 사용은 왜곡을 줄이기 위해 JFET op-amp 입력의 비선형 C/V 특성을 변경하는 것이다.[6][7]

입력 임피던스

BJT 이미터 팔로워 회로의 부트스트랩 캐패시터 C1 및 C2

아날로그 회로 설계에서 부트스트랩 회로는 회로의 입력 임피던스를 변경하기 위해 의도적으로 설계된 구성 요소의 배열이다.일반적으로 그것은 적은 양의 양의 긍정적인 피드백을 사용함으로써 임피던스를 증가시키기 위한 것으로 보통 두 단계에 걸쳐 의도되었다.이것은 본질적으로 입력 임피던스가 상당히 낮은 양극성 트랜지스터의 초기에는 종종 필요했다.피드백이 긍정적이기 때문에 그러한 회로는 부트스트랩을 하지 않는 회로에 비해 안정성과 소음 성능이 저하될 수 있다.

음성 피드백은 대체적으로 입력 임피던스를 부트스트랩하는 데 사용되어 겉보기 임피던스가 감소될 수 있다.그러나 이는 의도적으로 이루어지는 경우가 거의 없으며, 일반적으로 특정 회로 설계의 원치 않는 결과물이다.이에 대한 잘 알려진 예는 Miller 효과로, 피할 수 없는 피드백 캐패시턴스가 음의 피드백에 의해 증가(즉, 임피던스가 감소된 것으로 나타남)하는 것이다.이것을 의도적으로 행하는 한 가지 일반적인 경우는 집적회로 내부에 저주파 극을 제공하기 위한 밀러 보상 기법이다.필요한 캐패시터의 크기를 최소화하기 위해 입력과 출력 사이에 배치하여 반대 방향으로 회전한다.이 부트스트래핑은 접지에 더 큰 커패시터 역할을 하게 한다.

MOS 트랜지스터 구동

N-MOSFET/IGBT를 켜려면 게이트에 상당히 양의 충전(VGSth > V)을 적용해야 한다.N-채널 MOSFET/IGBT 장치만 사용하는 것은 다이의 크기 감소에 따른 일반적인 비용 절감 방법이다(다른 장점도 있다).그러나 pMOS 장치 대신 nMOS 장치를 사용하는 것은 트랜지스터를 선형 작동(최소 전류 제한)으로 바이어스하여 상당한 열 손실을 피하기 위해 전력 레일 공급 장치(V+)보다 높은 전압이 필요하다는 것을 의미한다.

부트스트랩 캐패시터는 공급 레일(V+)에서 출력 전압으로 연결된다.일반적으로 N-MOSFET의 소스 단자는 재순환 다이오드의 음극에 연결되어 일반적인 유도 부하에서 저장된 에너지를 효율적으로 관리할 수 있다(플라이백 다이오드 참조).캐패시터의 충전 저장 특성으로 인해 필요한 게이트 드라이브 전압을 제공하는 부트스트랩 전압이 (V+) 이상으로 상승한다.

부트스트랩 회로는 종종 올-N-MOSFET H-브리지의 각 하프 브리지에 사용된다.로우사이드 N-FET가 켜지면 파워 레일(V+)에서 나오는 전류가 부트스트랩 다이오드를 통해 흐르고, 로사이드 N-FET를 통해 부트스트랩 캐패시터를 충전한다.로우사이드 N-FET가 꺼지면 부트스트랩 캐패시터의 로우사이드 N-FET의 소스에 연결된 상태를 유지하며, 커패시터는 하이사이드 N-FET의 게이트를 V+보다 충분히 높은 전압으로 구동하여 하이사이드 N-FET의 전원을 완전히 켜도록 하는 에너지 일부를 방출한다. 반면, 부트스트랩 다이오드는 FRV+ 이상의 전압을 차단한다.파워 레일 V+[8]로 다시 누출될 수 있음.

MOSFET/IGBT는 이론적으로 게이트 전류가 없는 전압 제어 장치다.이를 통해 콘덴서 내부의 전하를 제어 목적으로 활용할 수 있다.그러나 결국 캐패시터는 기생 게이트 전류와 비이상적(즉, 유한한) 내부 저항으로 인해 전하가 손실되므로 이 체계는 일정한 펄스가 존재하는 경우에만 사용된다.이는 펄스 작용으로 캐패시터가 방전될 수 있기 때문이다(최소한 완전하지 않으면 부분적으로 방전).부트스트랩 캐패시터를 사용하는 대부분의 제어 체계는 커패시터가 재충전될 수 있도록 하이사이드 드라이버(N-MOSFET)를 최소 시간 동안 강제로 끄십시오.이는 누출이 다른 방식으로 수용되지 않는 한, 기생 방출을 수용하려면 듀티 사이클이 항상 100% 미만이 되어야 한다는 것을 의미한다.

스위치 모드 전원 공급 장치

스위치 모드 전원 공급 장치에서는 제어 회로가 출력에서 전원이 공급된다.전원 공급을 시작하기 위해 누출 저항을 사용하여 제어 회로가 진동을 시작할 수 있도록 공급 레일을 급전하할 수 있다.이 접근방식은 레귤레이터 회로를 시작하기 위한 별도의 선형 전원 공급 장치보다 비용이 적게 들고 간단하다.[9]

출력 스윙

AC 앰프는 출력 스윙을 증가시키기 위해 부트스트래핑을 사용할 수 있다.커패시터(일반적으로 부트스트랩 커패시터라고 함)는 앰프의 출력에서 바이어스 회로로 연결되어 전원 공급 전압을 초과하는 바이어스 전압을 제공한다.이미터 팔로워는 이러한 방식으로 레일 대 레일 출력을 제공할 수 있는데, 이는 클래스 AB 오디오 앰프에서 흔히 사용되는 기법이다.

디지털 집적회로

통합 회로 내에서 부트스트랩 방법을 사용하여 내부 주소와 클럭 분배 라인의 전압 스윙이 증가하도록 한다.부트스트랩 회로는 트랜지스터의 게이트/소스 캐패시턴스에서 형성된 커플링 캐패시터를 사용하여 신호 라인을 공급 전압보다 약간 더 큰 값으로 구동한다.[10]

Intel 4004 및 Intel 8008과 같은 일부 올-pMOS 통합 회로는 2-트랜지스터 "부트스트랩 로드" 회로를 사용한다.[11][12][13]

참고 항목

참조

  1. ^ IEEE Standard 100 Authoritative Dictionary of IEEE Standards Terms (7th ed.). IEEE Press. 2000. p. 123. ISBN 0-7381-2601-2.
  2. ^ Uyemura, John P. (1999). CMOS Logic Circuit Design. Springer. p. 319. ISBN 978-0-7923-8452-6.
  3. ^ Pelgrom, Marcel J.M. (2012). Analog-to-Digital Conversion (2nd ed.). Springer. pp. 210–211. ISBN 978-1-4614-1371-4.
  4. ^ King, Grayson; Watkins, Tim (May 13, 1999). "Bootstrapping your op amp yields wide voltage swings" (PDF). EDN: 117–129.
  5. ^ Graeme, Jerald (1994). "Op-amp distortion measurement bypasses test-equipment limitations". In Hickman, Ian; Travis, Bill (eds.). The EDN Designer's Companion. Butterworth-Heinemann. p. 205. ISBN 978-0-7506-1721-5.
  6. ^ Jung, Walt. "Bootstrapped IC Substrate Lowers Distortion in JFET Op Amps" (PDF). Analog Devices application note AN-232.
  7. ^ Douglas Self (2014). Small Signal Audio Design (2nd ed.). Focal Press. pp. 136–142. ISBN 978-1-134-63513-9.
  8. ^ Diallo, Mamadou (2018). "Bootstrap Circuitry Selection for Half-Bridge Configurations" (PDF). Texas Instruments.
  9. ^ Mack, Raymond A. (2005). Demystifying switching power supplies. Newnes. p. 121. ISBN 0-7506-7445-8.
  10. ^ Dally, William J.; Poulton, John W. (1998). Digital systems engineering. Cambridge University Press. pp. 190–1. ISBN 0-521-59292-5.
  11. ^ Faggin, Federico. "The New Methodology for Random Logic Design". Retrieved June 3, 2017.
  12. ^ Faggin, Federico. "The Bootstrap Load". Retrieved June 3, 2017.
  13. ^ Shirriff, Ken (October 2020). "How the bootstrap load made the historic Intel 8008 processor possible".