jak działa układ bootstrap w układzie wzmacniacza scalonego ul1497
Kluczowe punkty
• zwiększa amplitudę sygnału wyjściowego (blisko VCC)
• podnosi impedancję wejściową i poprawia liniowość
• realizowany jednym zewnętrznym kondensatorem + rezystor wewnętrzny
Kondensator \(C_B\) jest naładowany w stanie spoczynku do
\[
V{CB(DC)} \approx V{B} - V_{OUT} \approx 2 \text{–} 4\text{ V}.
\]
Gdy pojawia się dodatnia połówka:
Podczas ujemnej połówki \(C_B\) przeładowuje się przez wewnętrzny rezystor i przygotowuje na kolejny cykl.
Dla rezystora polaryzującego \(R_B\):
\[
R_{in,\text{ef}} \approx RB \left(1 + \frac{\partial V{OUT}}{\partial V_{IN}}\right) \approx R_B (1 + A_v),
\]
gdzie \(A_v\) – wzmocnienie stopnia VAS. Dzięki temu realna impedancja wejściowa osiąga setki kΩ mimo dużo mniejszych rezystorów w obwodzie bias.
• Swing wyjściowy ↑ o 1 – 1,5 V ⇒ moc na 4 Ω rośnie o ≈ 25 %.
• THD spada (brak przedwczesnego klipowania górnych wierzchołków).
• Prosta pojedyncza linia zasilania – brak osobnego railsplittera lub zasilania symetrycznego.
\[
XC = \frac{1}{2\pi f{\min} CB} \ll R{int} \;(5\text{ kΩ})
\]
Dla 20 Hz i \(C_B = 100 \mu\text{F}\) → \(X_C \approx 80 Ω \ll 5 kΩ\).
Typowo: 47 µF (radio/TV) – 220 µF (audio Hi-Fi), 16 V lub 25 V, ESR < 0,2 Ω.
• Technika bootstrap w UL1497 jest klasycznym pierwowzorem; dziś identyczną zasadę stosuje się:
– w półmostkowych sterownikach MOSFET (TI UCC277xx, OnSemi FAN74xx) – źródła online [TI SLUA887, OnSemi AND9674]
– w wzmacniaczach klasy D (IRS2092, TPA311x) – bootstrap dla high-side drivera.
• Miniaturyzacja: kondensatory bootstrap przenoszone do wnętrza układów (np. w sterownikach GaN) lub zastępowane ładowarkami przełączającymi.
• Trend: wykorzystanie szybkich, nisko-stratnych diod lub MOSFET-ów synchronicznych dla szybszego ładowania \(C_B\).
• Analogia: kondensator działa jak „windy-podnośnik” – zachowuje się jak akumulator doładowujący górny poziom o swoją różnicę potencjałów.
• Symulacja SPICE: wstaw idealny źródło napięciowe \(V1 = V(out) + V_C\) z \(V_C\) ≈ 3 V dostarczające zasilanie driverowi – pozwala prześledzić wzrost napięcia bazy.
• Dla studentów: porównaj identyczny wzmacniacz bez bootstrapu – obserwuj redukcję Peak-to-Peak na wyjściu.
• Naprawa urządzeń audio z UL1497 – wymiana \(C_B\) nie narusza praw autorskich, ale modernizacja urządzeń objętych ochroną wzoru przemysłowego może wymagać zgody.
• Bezpieczeństwo: podczas pomiarów pin 6 może mieć > VCC – używaj sondy 20:1 oraz separowanego zasilacza.
• Przy VCC < 8 V efekt bootstrapu słabnie – nie ma dość zapasu, aby przekroczyć próg drivera.
• Zbyt duże \(C_B\) (≥ 470 µF) → prąd rozruchowy, obciążenie mostka prostowniczego, kliknięcie w głośniku przy włączeniu.
• Analiza wpływu ESR \(C_B\) na intermodulację – pomiary Audio Precision.
• Implementacja aktywnego bootstrapu (MOS-switch + mały ceramiczny kondensator) dla wzmacniaczy z niskim VCC.
• Porównanie klasycznego bootstrapu z topologią charge-pump w układach klasy D.
Układ bootstrap w UL1497 to prosty, ale niezwykle skuteczny kondensatorowy „podnośnik” napięcia dla stopnia sterującego. Pozwala on: