Dynamik des linearen Regelkreises

Ist die Output-Anpassung nicht immer einen Schritt hinter der Input-Änderung? Gibt es eine Eingangsfrequenz oder dVin/dt, bei der der Operationsverstärker die Ausgangsfrequenz nicht stabilisieren könnte?

Ja, das ist es und es läuft auf ein Kriterium namens Phasenreserve hinaus - dies ist ein Maß für die Stabilität des Operationsverstärkers über den Frequenzbereich, für den er nützlich ist.

Auf die Spitze getrieben könnte der Operationsverstärker langsam genug sein, so dass jede von ihm ergriffene Gegenmaßnahme zum Aufheben einer unerwünschten Änderung des Ausgangs tatsächlich eine positive Rückkopplung erzeugen könnte. So funktioniert ein Oszillator und die meisten von uns haben hin und wieder von Ausgangsinstabilitäten in Operationsverstärkern gehört.

Phasenreserve ist also der Schlüssel zur Stabilität. Wenn Sie sich die Open-Loop-Antwort des Operationsverstärkers unten ansehen, sehen Sie vielleicht, was ich meine: -

Sie können sehen, dass die Open-Loop-Phasenverschiebung am Ausgang für niedrige bis mittlere Frequenzen etwa 90 Grad beträgt - dies ist typisch für die meisten Operationsverstärker, die mit Open-Loop-Verstärkung betrieben werden, und natürlich, wenn Sie die Schleife schließen, die Phase Verschiebung ist 180 Grad. Dies ist jedoch bei Open-Loop nicht der Fall, da ein Open-Loop-Operationsverstärker wie ein Integrator ist.

Wenn jedoch die Frequenz aus dem niedrigen/mittleren Bereich ansteigt, beginnt der „Verzögerungs“-Faktor ins Spiel zu kommen, und dies ist dasselbe wie eine Verschiebung der Phase. Es ist ein Punkt erreicht, an dem die Phasenverschiebung im offenen Regelkreis natürlich von 90 Grad abweichen und 0 Grad erreichen würde UND wenn der Operationsverstärker immer noch in der Lage ist, eine Verstärkung größer als Eins zu erzeugen, besteht ein potenzielles Problem, wenn der Regelkreis geschlossen ist .

Sagen wir der Argumentation halber, dass die Open-Loop-Verstärkung bei einer Phasenverschiebung von null Grad zehn war, und sagen wir auch, wir wollten, dass der Closed-Loop-Operationsverstärker eine Eins-Verstärkung hat. Wenn wir also jetzt den Operationsverstärker (offene Schleife) UND das Rückkopplungsnetzwerk analysieren, beträgt die Nettoverstärkung zurück zum Eingang (bei der Frequenz, die eine Phasenverschiebung von null Grad verursacht) über zehn und Bingo, die Schaltung oszilliert.

Im obigen Bild haben wir einen anständigen Operationsverstärker, der mit einer Regelkreisverstärkung von Eins (Worst-Case-Betrachtung) betrieben werden kann, da der Phasenabstand ungefähr 45 Grad beträgt, dh die Phasenverschiebung ist 45 Grad davon entfernt, ein Oszillator zu werden wenn der Gewinn auf Eins fällt.

Wie bei jedem Regelkreis besteht die Kehrseite der Fähigkeit, stabil zu bleiben, jedoch darin, dass schnelle Ausgangsschwankungen (ob durch die Stromversorgung oder durch die Last oder durch die Nachfrage verursacht) nicht ausreichend behandelt werden können, wie dies bei Schwankungen mit niedrigerer Frequenz der Fall ist dem Regelkreis geht sozusagen die Puste aus.

Hier ist die relevante Leistungskurve eines zufällig ausgewählten Reglers (TI TLV760):

Sie können sehen, dass die Fähigkeit, die Regulierung aufrechtzuerhalten, abnimmt, wenn schnellere Änderungen auf die Eingabe angewendet werden. Und dass die genaue Leistung von der Auswahl des Ausgangskondensators abhängt.

Gibt es eine Eingangsfrequenz oder dVin/dt, bei der der Operationsverstärker die Ausgangsfrequenz nicht stabilisieren könnte?

Wenn Ihre Upstream-Quelle mit einem Widerstand und einer Induktivität ungleich Null an den Regler angeschlossen ist und Sie einen Eingangskondensator in der Reglerschaltung verwenden, wie allgemein empfohlen, dann verhindern diese Elemente, dass übermäßig hohe Frequenzen den Reglereingang erreichen.

Der Regler selbst kann also möglicherweise nicht verhindern, dass Hochfrequenzsignale vom Eingang zum Ausgang übertragen werden, aber eine vernünftige Gestaltung des Netzes, das den Regler speist, kann dies verhindern. Wenn Sie eine sehr hochfrequente Interferenzquelle haben, die ein Signal in den Eingang einspeist, benötigen Sie möglicherweise mehr als nur den normalerweise empfohlenen einfachen Bulk-Kondensator.

Das PSRR ist eine Kombination aus aktiver Bandbreitenfehlerkorrektur und passiver Begrenzung der Anstiegsgeschwindigkeit der Impedanz und Induktivität der Eingangsquelle sowie der Ausgangsbelastung.

Jeder LDO ist anders und Step-up und Step-down können die gleichen Fourier-Komponenten haben, aber beachten Sie, dass die internen Verstärker auf den Quellstrom vorgespannt sind und ihn nicht auf die Ausgänge senken, so dass das, was Sie in den Kurven unten sehen, nicht die ganze Geschichte erzählt.

Es gibt genügend Schleifenverstärkung und Phasenspielraum, um kleine Welligkeiten bei jeder dieser Frequenzen zu dämpfen, aber ein großer Schritt in jede Richtung kann je nach Laststrom unterschiedliche Folgen haben.

Daher spielt die Verwendung von Eingangskappen mit niedrigem ESR und das Verlassen auf die Leitungseingangsinduktivität oder Quellenimpedanz ebenfalls eine Rolle, ist jedoch nicht in den LDO-Spezifikationen definiert.

Es wird davon ausgegangen, dass Sie über ein solides Verständnis der Impedanzverhältnisse für Sprungantworten auf passive Lasten verfügen, die das PSRR der aktiven Korrektur für interne Breitbandverstärker mit niedriger Verstärkung in Bezug auf eine Bandlückenspannung wie 1,25 V verbessern.

Ref

Beachten Sie die Verbesserungen, die durch das Hinzufügen dieser Kappen erzielt wurden.

Denken Sie daran, dass die BODE-Plots für eine große Eingangsstufenspannung oder einen Ausgangsstufenstrom irreführend sein können , ebenso wie Operationsverstärker Stromgrenzen und eine viel niedrigere Vollhubbandbreite als eine kleine Signalbandbreite haben .

Sorgfältige Beachtung der Wahl der in jedem Datenblatt empfohlenen Kondensatoren ist entscheidend, um Ihre Anforderungen an das Sprungantwort-Impulsrauschen sowie die Masse- und Vout-Induktivität zur Last zu erfüllen.

Für viel mehr Details zu diesem Thema lesen und verstehen Sie dies. https://www.ti.com/lit/an/slva079/slva079.pdf

Abschluss

Aufgrund der Bandbreitenbegrenzung von LDO verbessert ein externes Netzwerk, das dem Eingang eines Linearreglers hinzugefügt wird, das inhärente PSRR des LDO, insbesondere bei hohen Frequenzen, wo der niedrige Ruhestrom das hochfrequente PSRR des LDO beeinträchtigt und die Verstärkung intern reduziert wird um Entschädigung.