El bootstrapping es una técnica en el campo de la electrónica en la que se utiliza parte de la salida de un sistema en el arranque.
Un circuito bootstrap es aquel en el que parte de la salida de una etapa amplificadora se aplica a la entrada, de modo de alterar la impedancia de entrada del amplificador. Cuando se aplica deliberadamente, la intención suele ser aumentar la impedancia en lugar de disminuirla. [1]
En el dominio de los circuitos MOSFET , el "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 un tanto más general para alterar dinámicamente el punto de operación de un amplificador operacional (al desplazar tanto su riel de alimentación positivo como negativo) para aumentar su oscilación de voltaje de salida (en relación con la tierra). [4] En el sentido utilizado en este párrafo, "bootstrapping" de un amplificador operacional significa "utilizar una señal para impulsar el punto de referencia de las fuentes de alimentación del amplificador operacional". [5] Un uso más sofisticado de esta técnica de "bootstrapping" de riel es alterar la característica C/V no lineal de las entradas de un amplificador operacional JFET para disminuir su distorsión. [6] [7]
En los diseños de circuitos analógicos , un circuito bootstrap es una disposición de componentes diseñada deliberadamente para alterar la impedancia de entrada de un circuito. Por lo general, se pretende aumentar la impedancia mediante el uso de una pequeña cantidad de retroalimentación positiva , generalmente en dos etapas. Esto solía ser necesario en los primeros días de los transistores bipolares , que inherentemente tienen una impedancia de entrada bastante baja. Debido a que la retroalimentación es positiva, dichos circuitos pueden sufrir de mala estabilidad y rendimiento de ruido en comparación con los que no tienen bootstrap.
La retroalimentación negativa también se puede utilizar para aumentar la impedancia de entrada, lo que hace que se reduzca la impedancia aparente. Sin embargo, esto rara vez se hace deliberadamente y normalmente es un resultado no deseado de un diseño de circuito particular. Un ejemplo bien conocido de esto es el efecto Miller , en el que una capacitancia de retroalimentación inevitable parece aumentar (es decir, su impedancia parece reducirse) por la retroalimentación negativa. Un caso popular en el que 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 capacitor necesario, se coloca entre la entrada y una salida que oscila en la dirección opuesta. Este aumento de potencia hace que actúe como un capacitor más grande a tierra.
Un N- MOSFET / IGBT necesita una carga significativamente positiva ( V GS > V th ) aplicada a la compuerta para encenderse. El uso exclusivo de dispositivos MOSFET/IGBT de canal N es un método común de reducción de costos debido en gran medida a la reducción del tamaño de la matriz (también existen otros beneficios). Sin embargo, el uso de dispositivos nMOS en lugar de dispositivos pMOS significa que se necesita un voltaje más alto que el de la fuente de alimentación (V+) para polarizar el transistor en funcionamiento lineal (limitación mínima de corriente) y así evitar una pérdida de calor significativa.
Un condensador de arranque se conecta desde el riel de alimentación (V+) al voltaje de salida. Por lo general, el terminal de fuente del N- MOSFET está conectado al cátodo de un diodo de recirculación , lo que permite una gestión eficiente de la energía almacenada en la carga típicamente inductiva (consulte Diodo Flyback ). Debido a las características de almacenamiento de carga de un condensador, el voltaje de arranque aumentará por encima de (V+) proporcionando el voltaje de control de compuerta necesario.
Un circuito de arranque se utiliza a menudo en cada medio puente de un puente H totalmente compuesto por N-MOSFET . Cuando el N-FET del 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 ese N-FET del lado bajo. Cuando el N-FET del lado bajo se apaga, el lado bajo del condensador de arranque permanece conectado a la fuente del N-FET del lado alto, y el condensador descarga parte de su energía impulsando la compuerta del N-FET del lado alto a un voltaje suficientemente superior a V+ para encender completamente el N-FET del lado alto; mientras que el diodo de arranque bloquea ese voltaje superior a V+ para que no se filtre de nuevo al riel de alimentación V+. [8]
Un MOSFET / IGBT es un dispositivo controlado por voltaje que, en teoría, no tendrá ninguna corriente de compuerta. Esto hace posible utilizar la carga dentro del capacitor para fines de control. Sin embargo, eventualmente el capacitor perderá su carga debido a la corriente de compuerta parásita y la resistencia interna no ideal (es decir, finita), por lo que este esquema solo se utiliza cuando hay un pulso constante presente. Esto se debe a que la acción de pulsación permite que el capacitor se descargue (al menos parcialmente, si no completamente). La mayoría de los esquemas de control que utilizan un capacitor de arranque fuerzan al controlador del lado alto (N-MOSFET) a apagarse durante un tiempo mínimo para permitir que el capacitor se rellene. Esto significa que el ciclo de trabajo siempre deberá ser menor al 100% para adaptarse a la descarga parásita a menos que la fuga se adapte de otra manera.
En las fuentes de alimentación conmutadas , los circuitos de control se alimentan desde la salida. Para poner en marcha la fuente de alimentación, se puede utilizar una resistencia de fuga para cargar lentamente el riel de alimentación del circuito de control y empezar a oscilar. Este enfoque es menos costoso y más simple que proporcionar una fuente de alimentación lineal independiente solo para poner en marcha el circuito regulador. [9]
Los amplificadores de CA pueden utilizar el método bootstrap para aumentar la oscilación de salida. Se conecta un condensador (normalmente denominado condensador bootstrap ) desde la salida del amplificador al circuito de polarización , lo que proporciona voltajes de polarización que superan el voltaje de la fuente de alimentación. Los seguidores de emisor pueden proporcionar una salida de riel a riel de esta manera, que es una técnica común en los amplificadores de audio de clase AB.
En un circuito integrado se utiliza un método de arranque para permitir que las líneas de distribución de reloj y dirección interna tengan una mayor oscilación de voltaje. El circuito de arranque utiliza un condensador de acoplamiento, formado a partir de la capacitancia de compuerta/fuente de un transistor, para impulsar una línea de señal a un voltaje ligeramente mayor que el de suministro. [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]