Pourquoi les régulateurs de tension à faible chute de tension (LDO) sont-ils instables?

Les régulateurs LDO basés sur des transistors de type P semblent être la forme préférée de régulateur de tension linéaire aujourd'hui, mais j'entends toujours comment je dois choisir le ou les condensateurs de sortie avec soin pour garantir la stabilité. Les anciens régulateurs à haut taux de chute avec transistors de type N ne semblaient pas avoir ce problème. Qu'est-ce qui fait que les LDO sont moins stables? Est-ce le transistor de type P? La plus petite différence entre et ? Tous les deux? Ou autre chose? Et pourquoi l'ESR du condensateur de sortie est-il si important?$V_{in}$$V_{out}$

Un LDO est une boucle de contrôle. Et comme toutes les boucles de contrôle, il y a toujours de la place pour l'instabilité.

Alors, comment rendre stable une boucle de contrôle?

1. Vous fournissez une marge de phase suffisante (différence de phase par rapport au moment où le gain traverse l'axe 0 dB et 180.
2. La pente du tracé en boucle ouverte doit être de -20 dB / déc lors du franchissement de l'axe 0 dB
3. Fournir une marge de gain suffisante

Si vous regardez une réponse en boucle ouverte typique d'un LDO, cela peut ressembler à ceci

Il y a un certain nombre de pôles.

1. Erreur pôle ampli - un pôle dû à l'amplificateur
2. Pôle de charge - pôle dû au condensateur de sortie et à la charge
3. Pôle parasite - généralement à l'intérieur de l'élément de passage (non illustré sur cette image).

Il y a aussi un zéro dans cette image.

1. ESR Zero - un zéro dû au condensateur de sortie

Si vous regardez le point 2 d'une boucle stable, il indique que la pente doit être de -20 dB / déc.

Et si ... le zéro n'était jamais là. Cela signifie que la pente lorsqu'elle atteint 0 dB est de -40 dB (en raison des deux pôles précédents). Instabilité.

L'ajout d'un zéro avant l'axe 0 dB rend le système stable.

La façon la plus simple d'ajouter un zéro au système consiste à utiliser l'ESR du condensateur. Vous avez besoin d'un condensateur de toute façon, donc vous tuez deux oiseaux avec une pierre ici.

L'ESR est important, car il contrôle le placement du zéro. Il devrait être suffisamment bas pour que vous puissiez obtenir le -20db / dec lorsque vous traversez l'axe 0db mais suffisamment bas pour que le gain soit inférieur à 0 dB avant le pôle suivant (généralement en raison des parastiques).

" Les anciens régulateurs à haut taux de chute avec transistors de type N ne semblaient pas avoir ce problème. "

La réponse est la suivante: le transistor de type npn utilisé comme élément de contrôle fonctionne dans une configuration à collecteur commun (le potentiel du collecteur doit être supérieur à celui de l'émetteur). En revanche - comme le montre la figure (fournie par efox29) - le type pnp a une résistance de collecteur (le diviseur de tension) et fonctionne comme un amplificateur à émetteur commun inverseur avec gain. Par conséquent, le non-inv. l'entrée opamp est connectée à la chaîne du diviseur (pour un gain total de boucle négative).

Cela signifie que le transistor npn avec une résistance d'émetteur fonctionne comme un émetteur suiveur avec un gain non inverseur inférieur à l'unité (et la borne d'entrée opamp inverseuse doit être utilisée). En ce qui concerne la stabilité, il est important de réaliser que, par conséquent, le gain total de la boucle est beaucoup plus petit par rapport au cas pnp. En conséquence, les problèmes de stabilité sont réduits (voire disparaissent). Cependant, comme inconvénient, le gain de boucle plus petit réduit les propriétés de régulation de l'ensemble LDO.