2.LDO穩壓管
例如:S-1167 Series
3.準LDO穩壓器
三種穩壓器的最大區別在于壓降和接地引腳電流。很明顯NPN和準LDO的穩壓管在調整管上稍微復雜點,所以壓降也大些。達林管的增益很高,所以只需要很小的電流就可以驅動,準LDO也是這樣,IGND很小。PNP管的放大系數一般是15-20,LDO的IGND電流能達到負載電流的7%。 NPN穩壓管的最大好處就是無條件的穩定(大多數不需要加外接電容),LDO則需要在輸出端加上電容,以減少回路帶寬及提供些正的相位補償。
所有的穩壓器都使用負反饋回路以保持輸出電壓的穩定。但反饋信號在通過回路后都有一定的增益和相位變化。如果反饋信號相位有180度變化,負反饋就會變成正反饋,造成輸出不穩定。因此反饋信號經過整個回路的相位偏移,需要有至少20度的相位裕度,這樣才能保證電路的穩定。(相位裕度定義為回路總的相位偏移與-180度的差)
環路的不穩定來自于相位移量,我們可以在反饋回路中通過變壓器注入正弦小信號,如下圖所示,Loop Gain=Va/Vb,從Vb傳入交流小信號,同過回路產生相移到達Va。這樣可以計算回路增益,相位的偏移量。(此處以LDO分析)
可以通過網絡分析儀來測量回路增益,它通過向網絡回路注入低電平的正弦波,然后從直流信號掃描到使增益下降到0dB的頻率來測量增益的響應。
下面以一幅波特圖具體分析反饋回路的增益及相位變化情況。
概念:
極點 增益曲線出現-20dB/10倍頻變化的點
零點 在增益與相位上的效果與極點相反。
極點相移=-arctan(f/fp)
零點相移=arctan(f/fz)
假設直流增益為80dB(10-100Hz處的增益),100到1KHz增益減少了20dB,10K-100KHz增益減少20dB,100K-1MHz增益減少40dB(斜率有-20dB/10倍頻的變化)。圖中可以看出有3個POLE,一個ZERO。1MHz處的增益是0dB,說明1MHz的小信號在此截止,此回路的帶寬就是1MHz。
從這個波特圖能看出這個系統穩定么?前面說了系統是否穩定主要看相位移量,而我們只要看在0dB時的相移就可以了(圖中是1MHz)。
上圖中有3個極點和1個零點,前兩個極點產生-180度相移,零點產生90度相移,最后一個極點在40dB到0dB處,斜率為-40dB/10倍頻。根據極點相移公式-arctan(f/fp)=-arctan(10)=-1.47,換算成角度為-84.3度。所以總的相移為-180+90-84.3=174.2度。前面說到相位裕度等于|-180+174.2|=5.8<20.所以此回路不穩定。
看似上面的分析比較復雜,其實是自動控制理論里面的傳輸函數和根跡圖的概念.簡單的說,一個(線形)系統是否穩定(不會產生振蕩)取決于它的傳輸函數的極點分布.(極點的實部必須小于零),而且極點實部負數的絕對值越大,系統越穩定.我們就可以通過增加極點或是零點來調節相位裕度,從而使系統達到穩定。
調節LDO系統的穩定性,最常見的補償方法是在系統中插入零點來取消相移和極點。由于 LDO 已經就正常運行要求了一個輸出電容器,因此使用輸出電容器的ESR通常就是最簡單也最廉價的生成零點的方法。等效串聯電阻(ESR)是每個電容都具有的幾個基本特性。可以看為電阻和電容的串聯等效電路。
輸出電容的ESR在回路增益中產生一個零點,用來減少過量的負相移。增加系統的帶寬,使更穩定。零點處的頻值:
Fzero = 1/(2πxCoutxESR)