¿Por qué los reguladores de voltaje de baja caída (LDO) son inestables?

Los reguladores LDO basados ​​en transistores de tipo P parecen ser la forma preferida de regulador de voltaje lineal en la actualidad, pero sigo escuchando sobre cómo tengo que elegir los condensadores de salida con cuidado para garantizar la estabilidad. Los antiguos reguladores de alto abandono con transistores de tipo N no parecían tener este problema. ¿Qué es lo que hace que los LDO sean menos estables? ¿Es el transistor de tipo P? La diferencia más pequeña entre y V o u $V_{in}$$V_{out}$ ? ¿Ambos? ¿O algo completamente distinto? ¿Y por qué es tan importante la ESR del condensador de salida?

Un LDO es un bucle de control. Y como todos los lazos de control, siempre hay espacio para la inestabilidad.

Entonces, ¿cómo hacer que un bucle de control sea estable?

1. Proporciona un margen de fase suficiente (diferencia de fase desde cuando la ganancia cruza el eje de 0 dB y 180.
2. La pendiente del diagrama de bucle abierto debe ser -20db / dec al cruzar el eje 0dB
3. Proporcione suficiente margen de ganancia

Si observamos una respuesta típica de bucle abierto de un LDO, puede verse así

Hay varios polos.

1. Error amp pole - un polo debido al amplificador
2. Polo de carga: polo debido al condensador de salida y a la carga
3. Polo parasitario: generalmente dentro del elemento de paso (no se muestra en esta imagen).

También hay un cero en esta imagen.

1. ESR Zero: un cero debido al condensador de salida

Si observa el punto 2 de un bucle estable, dice que la pendiente debería ser -20db / dec.

Bueno, y si ... el cero nunca estuvo allí. Eso significa que la pendiente cuando alcanza 0db, es -40db (debido a los dos polos anteriores). Inestabilidad.

Agregar un cero antes del eje 0db hace que el sistema sea estable.

La forma más fácil de agregar un cero al sistema es a través de la ESR del condensador. Necesitas un condensador de todos modos, así que estás matando dos pájaros de un tiro aquí.

El ESR importa, porque controla la colocación del cero. Debe ser lo suficientemente bajo para que pueda obtener -20db / dec cuando cruce el eje de 0db, pero lo suficientemente bajo como para que la ganancia esté por debajo de 0 dB antes del siguiente polo (generalmente debido a los parasticos).

" Los antiguos reguladores de alto abandono con transistores de tipo N no parecían tener este problema " .

La respuesta es la siguiente: el transistor de tipo npn utilizado como elemento de control funciona en una configuración de colector común (el potencial del colector debe ser mayor que el del emisor). En contraste, como se muestra en la figura (proporcionada por efox29), el tipo pnp tiene una resistencia de colector (el divisor de voltaje) y funciona como un amplificador inversor de emisor común con ganancia. Por lo tanto, el no inv. La entrada opamp está conectada a la cadena divisoria (para una ganancia de bucle negativo total).

Eso significa: el transistor npn con una resistencia de emisor funciona como un seguidor de emisor con una ganancia no inversora inferior a la unidad (y se debe usar el terminal de entrada de opamp inversor). Con respecto a la estabilidad, es importante darse cuenta de que, por lo tanto, la ganancia de bucle total es mucho menor si se compara con el caso pnp. Como consecuencia, los problemas de estabilidad se reducen (o incluso desaparecen). Sin embargo, como desventaja, la ganancia de bucle más pequeña reduce las propiedades reguladoras de todo el LDO.