Warum benötigt dieser PMOS-LDO keine Kompensation, um stabil zu sein?

LDOs mit PMOS-Durchgangstransistoren sind anfällig für Oszillationen aufgrund positiver Rückkopplungsprobleme, wie zB hier diskutiert .

Nun ist die folgende einfache Schaltung im Grunde ein PMOS-LDO, scheint aber sowohl in LTspice als auch in CircuitLab sowohl in der Zeit- als auch in der Frequenzanalyse stabil zu sein. Ausgangskondensatoren sind nicht erforderlich, sie können jedoch hinzugefügt werden, um die Versorgungsimpedanz bei mittleren und hohen Frequenzen zu verbessern. Es hat ein vergleichbares Verhalten wie übliche LDOs.

Ich bin mit "klassischen Schaltungen" und dem Innenleben von Operationsverstärkern nicht sehr vertraut und frage mich:

Was unterscheidet diese Schaltung von einem Opamp-PMOS-LDO? Ist es vielleicht bekannt, dass es in der Praxis nicht funktioniert (dh schlechte Simulation)?

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Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Eine andere Version mit einem NPN-Paar ist besser angepasst (geringerer Offset) und sogar billiger. Es scheint auch eine etwas bessere Bandbreite zu haben. Der Nachteil ist, dass der minimale Ausfall VGS(PMOS) - VBE(NPN) ist. Um ein echtes LDO-Verhalten zu erreichen, wird ein Subvolt-VGS-PMOS oder eine Diode in Reihe mit beiden NPN-Basen benötigt.

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Simulieren Sie diese Schaltung

Welcher PMOS-LDO ist das? hast du ein datenblatt?
Was ist, wenn Ihre Last nicht nur ein Widerstand ist?
@DKNguyen Es ist nur ein Platzhalter. Ich habe mit vielen verschiedenen reaktiven Lasten, Kapazitäten und Laststufen getestet ...
@ChristianidisVasileios Es ist nur eine Spice-Schaltung, die eine Low-Dropout-Spannungsregelung durchführt.
Ich weiß nicht viel über diese Topologie, aber nur um sicherzugehen ... würde die perfekte Anpassung der NMOSs (da es sich um eine Simulation handelt) Auswirkungen auf die Stabilität haben? Um es zu testen, können Sie in LTspice eine zusätzliche Copy/Paste- .modelAnweisung machen, um die Parameter für die 2. leicht anzupassen.
@SteKulov Ich glaube nicht. Dies wirkt sich jedoch auf den Offset von der Referenz aus. Der Offset liegt jedoch aufgrund des Unterschieds im Strom durch M1 und M2 sowieso in den 10 mV.
@SteKulov würde die perfekte Anpassung der NMOSs (da es sich um eine Simulation handelt) Auswirkungen auf die Stabilität haben? Nach meiner Erfahrung (On-Chip-LDO-Design) ist dies nicht der Fall, da die Stabilität hauptsächlich durch Schleifenverstärkung und die Frequenzen der Pole beeinflusst wird. Beide werden nicht stark von der Fehlanpassung des Diffpairs (M1 und M2) beeinflusst. Wenn Sie den Offset verringern möchten, können Sie einen Widerstand in Reihe mit jeder Quelle schalten, dies wirkt sich jedoch auf die Schleifenverstärkung aus, sodass der Offset am Ausgang aufgrund von Ungleichgewicht zunehmen kann.

Antworten (2)

Das Problem liegt wahrscheinlich in der Phasenreserve und der Anzahl der Stufen. Denken Sie daran, dass ein Verstärker mit geschlossener Schleife instabil wird, wenn die Dynamik der Schaltung eine zusätzliche 180-Grad-Phasenverschiebung bei einer Frequenz einführt, bei der noch Verstärkung vorhanden ist. Beachten Sie ferner, dass jeder Pol in der Schaltung zu einer solchen Phasenverschiebung (und einem Verstärkungsabfall) beiträgt und jede Stufe Pole beiträgt.

Daraus folgt, dass jede zusätzliche Verstärkungsstufe sowohl zu einer erhöhten DC-Verstärkung als auch zu einer zusätzlichen 90-Grad-Phasenverschiebung in der Nähe ihrer dominanten Polfrequenz beiträgt. Zusammen sind dies ein schlechtes Zeichen für Stabilität – die Phase erreicht 180 Grad bei einer niedrigeren Frequenz, während die höhere Verstärkung jetzt bei einer höheren Frequenz die Einheit erreichen kann.

In dem verlinkten Beitrag wird ein LM358 verwendet, der eine Struktur erzeugt, die einen Einheitsverstärkungs-kompensierten Operationsverstärker mit mehreren Stufen und interner Kompensation enthält, gefolgt von einer weiteren Verstärkungsstufe, die eine zusätzliche DC-Verstärkung und einen Pol einführt. Angesichts der folgenden Abbildung aus dem Datenblatt ist es vernünftig zu vermuten, dass der LM358 nicht viel Phasenspielraum hat, um die Auswirkungen zusätzlicher Stufen auszugleichen (und im Allgemeinen sind Operationsverstärker normalerweise nicht für dieses Ziel optimiert):

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Ihre Struktur ist ein einzelnes Differentialpaar, gefolgt von einer einzelnen zweiten Stufe, die die Schleifenverstärkung gegen Stabilität eintauscht und mit weitaus größerer Wahrscheinlichkeit stabil ist, da jede Stufe einen einzelnen dominanten Pol und eine Phasenverschiebung von 90 Grad beiträgt. Sie haben andere Pole, aber sie liegen wahrscheinlich weit über der Einheitsverstärkungsfrequenz und beeinflussen daher die Stabilität des Systems nicht stark.

Eine Kleinsignal-Closed-Loop-Stabilitätsanalyse (z. B. stbin Spectre/Cadence, unsicher bei SPICE) kann nützlichere Erkenntnisse liefern. Dies ist eine ziemliche Vereinfachung, da ich nur wenige Zahlen verwendet und alle Nullen in der Übertragungsfunktion übersehen habe (die im Allgemeinen vernachlässigbar sind, aber möglicherweise nicht, wenn sie in Form von großen Kompensationskondensatoren vorliegen und entweder im LHP oder im LHP leben das RHP der s -Domäne.

Scheint sinnvoll zu sein, es ist in mancher Hinsicht schlechter als ein Opamp (fehlendes GBW-Produkt). Es ist also "zum Glück" zu langsam / schwach, um instabil zu werden, was ähnlich ist wie das, was @Bimpelrekkie schreibt.

Warum benötigt dieser PMOS-LDO keine Kompensation, um stabil zu sein?

Ich schätze, du hast einfach Glück .

Die Gründe dafür sind möglicherweise:

  1. Sie haben eine begrenzte Schleifenverstärkung, da R2 einen niedrigen Wert hat. In einem On-Chip-LDO ist R2 häufig der Ausgang eines Stromspiegels, der diesen Punkt hochohmig macht (viel höher als Ihre 10 kOhm).

  2. Sie haben eine begrenzte Schleifenverstärkung, da Ihr Ausgang von einem 100-Ohm-Widerstand belastet wird. Versuchen Sie, daraus einen 1-MOhm-Widerstand zu machen, und sehen Sie, was passiert.

  3. Der PMOS-Ausgangstransistor (M3) hat eine erhebliche Eingangskapazität (etwa 900 pF), die in Kombination mit R2 (10 kOhm) einen (dominanten) Pol bei etwa 110 kHz ergibt, was eine ziemlich niedrige Frequenz ist. Ich erwarte, dass die anderen Pole in der Schaltung viel höhere Frequenzen haben. Dieser Pol bei 110 kHz in Kombination mit der niedrigen Schleifenverstärkung bedeutet, dass sich Ihre Schaltung wie eine Rückkopplungsschleife erster Ordnung verhält. Die anderen Pole (die Schwingungen verursachen können) haben viel höhere Frequenzen, bei denen die Schleifenverstärkung unter 1 gefallen ist , wodurch Ihre Schleife stabil wird.

Für eine korrekte Analyse sollten Sie auf dieser Schaltung eine Kleinsignalanalyse durchführen!

Ich dachte zuerst, ich hätte Glück und ersetzte den NMOS- und den PMOS-Transistor durch andere Teile und änderte sowohl R1 als auch R2 für Werte zwischen 1k und 1M (wobei sie jedoch gleich blieben). Das Ergebnis war, dass es immer stabil war. Höhere RL heben die Ausgabe einer Möglichkeit auf, Ladung zu senken, aber ich musste zu unangemessenen Werten (> 1 M) gehen, um ein unerwünschtes Klingeln zu beobachten. Der "glückliche" Parameterbereich scheint ziemlich groß zu sein.
Der "glückliche" Parameterbereich scheint ziemlich groß zu sein. Ich denke, das liegt auch daran, dass dieses LDO-Design nicht sehr kritisch ist. Ich meine, es ist ein einfaches Design, das funktioniert, aber keine hohe Leistung hat. Dieser LDO wird aufgrund dieses 110-kHz-Pols langsam sein. Aufgrund der geringen Schleifenverstärkung ist es möglicherweise auch nicht sehr genau (Offset zwischen Vref und Vout). Wenn Sie möchten, dass der LDO stabil ist, wenn nur 1 uA von seinem Ausgang gezogen wird, werden die Dinge anders sein. Wenn Sie ein schnelleres und genaueres Design erstellen würden. Die Dinge werden "weniger glücklich".
Ja, es hat keine sehr hohe Leistung. Der Hauptanwendungsfall, den ich dafür sehe, ist eine Mischung aus: hoher Strombedarf, schwankende Eingangsspannung (+ Welligkeit), kostengünstige / handelsübliche Komponenten.
Ich habe die Einsatzmöglichkeiten für dieses Design etwas genauer untersucht, zB wenn ein Operationsverstärker, der eine bestimmte Spezifikation erfüllt, zu teuer wäre. In der Tat ändern sich die Dinge erheblich, wenn R2 durch einen Stromspiegel ersetzt wird. Die ganze Schaltung wird "opampiger". Die Verstärkung ist viel höher und die Dinge können schneller instabil werden. Ihr Beitrag und Nanofarad waren sehr hilfreich. Danke schön.
Warum benötigt dieser PMOS-LDO keine Kompensation, um stabil zu sein?
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