Perché i regolatori di tensione a bassa caduta di tensione (LDO) sono instabili?

I regolatori LDO basati su transistor di tipo P sembrano oggi la forma preferita di regolatore di tensione lineare, ma continuo a sentire come devo scegliere attentamente i condensatori di uscita per garantire la stabilità. I vecchi regolatori a dropout elevato con transistor di tipo N non sembravano avere questo problema. Cos'è che rende gli LDO meno stabili? È il transistor di tipo P? La differenza minore tra e ? Tutti e due? O qualcos'altro del tutto? E perché l'ESR del condensatore di uscita è così importante?$V_{in}$$V_{out}$

Un LDO è un circuito di controllo. E come tutti i circuiti di controllo, c'è sempre spazio per l'instabilità.

Quindi, come si fa a rendere stabile un circuito di controllo?

1. Fornisci un margine di fase sufficiente (differenza di fase rispetto a quando il guadagno attraversa l'asse 0 dB e 180.
2. La pendenza del diagramma ad anello aperto dovrebbe essere -20db / dec quando si attraversa l'asse 0dB
3. Fornire un margine di guadagno sufficiente

Se osserviamo una tipica risposta ad anello aperto di un LDO, potrebbe apparire così

Ci sono un numero di poli.

1. Errore dell'amplificatore - un polo dovuto all'amplificatore
2. Palo di carico - polo a causa del condensatore di uscita e del carico
3. Palo parassitario - di solito all'interno dell'elemento pass (non mostrato in questa immagine).

C'è anche uno zero in questa immagine.

1. Zero ESR: uno zero dovuto al condensatore di uscita

Se si osserva il punto 2 di un ciclo stabile, si dice che la pendenza dovrebbe essere -20db / dec.

Bene, e se ... lo zero non fosse mai stato lì. Ciò significa che la pendenza quando raggiunge 0 dB, è -40 dB (a causa dei due poli precedenti). Instabilità.

L'aggiunta di uno zero prima dell'asse 0db rende stabile il sistema.

Il modo più semplice per aggiungere uno zero al sistema è attraverso l'ESR del condensatore. Hai comunque bisogno di un condensatore, quindi stai uccidendo due uccelli con una fava qui.

L'ESR è importante, perché controlla il posizionamento dello zero. Dovrebbe essere abbastanza basso in modo da poter ottenere -20db / dec quando si attraversa l'asse 0db ma abbastanza basso che il guadagno è inferiore a 0 dB prima del polo successivo (di solito a causa della parastica).

" I vecchi regolatori a dropout elevato con transistor di tipo N non sembravano avere questo problema. "

La risposta è la seguente: il transistor di tipo npn utilizzato come elemento di controllo viene utilizzato in una configurazione collettore comune (il potenziale del collettore deve essere superiore a quello dell'emettitore). Al contrario - come mostrato nella figura (fornita da efox29) - il tipo pnp ha una resistenza del collettore (il divisore di tensione) e funziona come un amplificatore a emettitore comune invertente con guadagno. Pertanto, il non inv. l'ingresso opamp è collegato alla catena di divisione (per un guadagno di loop negativo totale).

Ciò significa: il transistor npn con un resistore di emettitore funziona come un seguace di emettitore con un guadagno non invertente inferiore all'unità (e deve essere utilizzato il terminale di ingresso opamp invertente). Per quanto riguarda la stabilità, è importante rendersi conto che, quindi, il guadagno totale del loop è molto più piccolo rispetto al caso pnp. Di conseguenza, i problemi di stabilità sono ridotti (o addirittura scompaiono). Tuttavia, come svantaggio, il guadagno del loop più piccolo riduce le proprietà di regolazione dell'intero LDO.