Warum sind Low-Dropout-Spannungsregler (LDO) instabil?

LDO-Regler auf Basis von P-Typ-Transistoren scheinen heute die bevorzugte Form von linearen Spannungsreglern zu sein, aber ich höre immer wieder, wie ich die Ausgangskondensatoren sorgfältig auswählen muss, um Stabilität zu gewährleisten. Die älteren High-Dropout-Regler mit N-Typ-Transistoren schienen dieses Problem nicht zu haben. Was führt dazu, dass LDOs weniger stabil sind? Ist es der P-Typ Transistor? Die kleinere Differenz zwischen und ? Beide? Oder etwas ganz anderes? Und warum ist der ESR des Ausgangskondensators so wichtig?$V_{in}$$V_{out}$

Ein LDO ist ein Regelkreis. Und wie bei allen Regelkreisen ist immer Platz für Instabilität.

Wie macht man einen Regelkreis stabil?

1. Sie stellen eine ausreichende Phasendifferenz (Phasendifferenz von 0 dB bis 180 dB) zur Verfügung.
2. Die Steigung des Open-Loop-Diagramms sollte -20 dB / Dez betragen, wenn die 0 dB-Achse überquert wird
3. Sorgen Sie für eine ausreichende Gewinnspanne

Wenn Sie sich ein typisches Open-Loop-Verhalten eines LDO ansehen, sieht es möglicherweise so aus

Es gibt eine Reihe von Polen.

1. Fehlerverstärker-Pol - ein Pol aufgrund des Verstärkers
2. Lastpol - Pol aufgrund des Ausgangskondensators und der Last
3. Parasitärer Pol - normalerweise im Durchgangselement (in diesem Bild nicht dargestellt).

Es gibt auch eine Null in diesem Bild.

1. ESR Zero - eine Null aufgrund des Ausgangskondensators

Wenn Sie sich Punkt 2 einer stabilen Schleife ansehen, heißt es, dass die Steigung -20 dB / Dez betragen sollte.

Was ist, wenn ... die Null nie da war? Das bedeutet, dass die Steigung, wenn sie 0 dB erreicht, -40 dB beträgt (aufgrund der beiden vorherigen Pole). Instabilität.

Das Hinzufügen einer Null vor der 0-dB-Achse macht das System stabil.

Der einfachste Weg, dem System eine Null hinzuzufügen, ist der ESR des Kondensators. Du brauchst sowieso einen Kondensator, also schlägst du hier zwei Fliegen mit einer Klappe.

Der ESR ist wichtig, weil er die Platzierung der Null steuert. Es sollte niedrig genug sein, damit Sie die -20db / dec erhalten, wenn Sie die 0db-Achse überqueren, aber niedrig genug, dass die Verstärkung vor dem nächsten Pol unter 0 dB liegt (normalerweise aufgrund der Parastik).

" Die älteren High-Dropout-Regler mit N-Typ-Transistoren schienen dieses Problem nicht zu haben. "

Die Antwort lautet wie folgt: Der als Steuerelement verwendete npn-Transistor wird in einer Common-Collector-Konfiguration betrieben (Kollektorpotential muss höher sein als das des Emitters). Im Gegensatz dazu hat der pnp-Typ - wie in der Abbildung gezeigt (bereitgestellt von efox29) - einen Kollektorwiderstand (Spannungsteiler) und arbeitet als invertierender Verstärker mit gemeinsamem Emitter und Verstärkung. Daher ist der nicht-inv. Der Opamp-Eingang ist mit der Teilerkette verbunden (für eine negative Schleifenverstärkung).

Das heißt: Der npn-Transistor mit einem Emitterwiderstand arbeitet als Emitterfolger mit einer nicht invertierenden Verstärkung von weniger als eins (und der invertierende Operationsverstärker-Eingangsanschluss muss verwendet werden). In Bezug auf die Stabilität ist es wichtig zu wissen, dass die Gesamtschleifenverstärkung im Vergleich zum pnp-Fall viel kleiner ist. Infolgedessen werden Stabilitätsprobleme verringert (oder verschwinden sogar). Als Nachteil verringert die geringere Schleifenverstärkung jedoch die Regeleigenschaften des gesamten LDO.