Динамика контура линейного регулятора

Разве регулировка выхода не всегда на один шаг отстает от изменения входа? Существует ли входная частота или dVin/dt, при которых операционный усилитель не сможет стабилизировать выходную частоту?

Да, это так, и это сводится к критерию, называемому запасом по фазе — это мера стабильности операционных усилителей в диапазоне частот, для которых они полезны.

Доведенный до крайности, операционный усилитель может быть достаточно медленным, так что любая встречная мера, предпринятая им для отмены нежелательного изменения выходного сигнала, может фактически привести к положительной обратной связи. Именно так работает осциллятор, и большинство из нас время от времени слышали о нестабильности выходного сигнала в операционных усилителях.

Таким образом, запас по фазе является ключом к стабильности. Если вы посмотрите на отклик операционного усилителя без обратной связи ниже, вы поймете, что я имею в виду:

Вы можете видеть, что для низких и средних частот фазовый сдвиг на выходе без обратной связи составляет около 90 градусов — это типично для большинства операционных усилителей, работающих с коэффициентом усиления без обратной связи, и, конечно, когда вы замыкаете контур, фаза смещение составляет 180 градусов. Однако в разомкнутом контуре это не так, потому что операционный усилитель с разомкнутым контуром подобен интегратору.

Однако по мере того, как частота поднимается из нижнего/среднего диапазона, начинает вмешиваться фактор «задержки», и это то же самое, что сдвиг фазы. Достигнута точка, в которой фазовый сдвиг без обратной связи естественным образом отклоняется от 90 градусов и достигает 0 градусов, И, если операционный усилитель все еще способен обеспечивать коэффициент усиления больше единицы, тогда существует потенциальная проблема, когда петля замкнута. .

Давайте, в качестве аргумента, скажем, что усиление без обратной связи составляло десять при фазовом сдвиге в ноль градусов, и также скажем, что мы хотели, чтобы операционный усилитель с обратной связью имел единичное усиление. Итак, теперь, если мы проанализируем операционный усилитель (разомкнутый контур) И цепь обратной связи, чистый коэффициент усиления на входе (на частоте, вызывающей нулевой фазовый сдвиг) превышает десять, и бинго, схема колеблется.

На картинке выше у нас есть приличный операционный усилитель, который может работать с коэффициентом усиления замкнутого контура, равным единице (рассмотрение наихудшего случая), потому что запас по фазе составляет примерно 45 градусов, т.е. фазовый сдвиг составляет 45 градусов от того, что он становится генератором. когда выигрыш падает до единицы.

Однако, как и в любом контуре управления, недостатком возможности оставаться стабильным является то, что быстрые колебания выходного сигнала (будь то источник питания, нагрузка или потребление) не могут быть в достаточной степени устранены, как это возможно, когда колебания имеют более низкую частоту, т.е. цикл управления, так сказать, выдыхается.

Вот соответствующая кривая производительности случайно выбранного регулятора (TI TLV760):

Вы можете видеть, что способность поддерживать регулирование ухудшается по мере того, как к входным данным применяются более быстрые изменения. И что точная производительность зависит от выбора выходного конденсатора.

Существует ли входная частота или dVin/dt, при которых операционный усилитель не сможет стабилизировать выходную частоту?

Если ваш восходящий источник подключен к регулятору с ненулевыми сопротивлением и индуктивностью, а вы используете входной конденсатор в цепи регулятора, как это повсеместно рекомендуется, то эти элементы предотвратят попадание чрезмерно высоких частот на вход регулятора.

Таким образом, сам регулятор может быть не в состоянии предотвратить передачу высокочастотных сигналов от входа к выходу, но разумная конструкция сети, питающей регулятор, может предотвратить это. Если у вас есть очень высокочастотный источник помех, подающий сигнал на вход, вам может понадобиться нечто большее, чем обычно рекомендуемый базовый объемный конденсатор.

PSRR представляет собой комбинацию активной коррекции ошибок полосы пропускания и пассивного ограничения скорости нарастания импеданса и индуктивности входного источника, а также выходной нагрузки.

Каждый LDO уникален, и шаг вверх и вниз может иметь одни и те же компоненты Фурье, но имейте в виду, что внутренние усилители смещены к току источника, а не потребляют его на выходах, поэтому то, что вы видите на кривых ниже, не говорит всей истории.

Будет достаточно контурного усиления и запаса по фазе для подавления небольших пульсаций на любой из этих частот, но большой скачок в каждом направлении может иметь разные последствия в зависимости от тока нагрузки.

Таким образом, использование входных конденсаторов с низким ESR и зависимость от индуктивности линейного входа или импеданса источника также играет роль, но не определена в спецификациях LDO.

Предполагается, что вы хорошо разбираетесь в коэффициентах импеданса для ступенчатых характеристик на пассивные нагрузки, которые улучшают PSRR активной коррекции для широкополосных внутренних усилителей с низким коэффициентом усиления относительно некоторого напряжения запрещенной зоны, например 1,25 В.

ссылка

Обратите внимание на улучшения, сделанные путем добавления этих крышек.

Помните, что так же, как операционные усилители имеют ограничения по току и гораздо меньшую полосу полного колебания, чем полоса пропускания малого сигнала, графики BODE могут вводить в заблуждение при большом входном ступенчатом напряжении или выходном ступенчатом токе.

Тщательное внимание к выбору конденсаторов, рекомендуемых в каждом описании, имеет решающее значение для удовлетворения ваших требований к импульсному шуму переходной характеристики, а также к заземлению и индуктивности Vout к нагрузке.

Для более подробной информации по этому вопросу, прочитайте и поймите это. https://www.ti.com/lit/an/slva079/slva079.pdf

Заключение

Из-за ограничения полосы пропускания LDO внешняя цепь, добавленная ко входу линейного стабилизатора, улучшает собственный PSRR LDO, особенно на высоких частотах, где низкий ток покоя снижает высокочастотный PSRR LDO, а усиление уменьшается внутренне на компенсация.