¿Cómo calcular este regulador LDO y cómo evitar que oscile?

Question

Sigo jugando este circuito PMOS LDO que diseñé e intenté probar y valorar (el esquema de la Edición 3, simplificado al eliminar el circuito de protección). Después de que me cayó en un NJM4559 op amp en lugar de LM358 comenzó a oscilar (el récord anterior era de LM324 , LM358 , TL084 o OPA2134 oscilado). ¿Es esto una bendición de TI? (broma)

Cómo calcular este circuito, ya que tengo un MOSFET más de los que he encontrado en las notas de aplicación de TI. Si oscilara, ¿cómo evitar que lo haga?

Mi forma de determinar si el circuito está oscilando es comprobar el patrón de Moire en las lecturas del DMM, ya que es difícil que el LDO oscile a la frecuencia (o a un armónico) de la frecuencia del reloj interno del DMM. ¿Es fiable esta forma de comprobar las oscilaciones? No me grites sobre los osciloscopios ya que no tengo uno para empezar. Las donaciones son bienvenidas.

Aquí reproduzco el circuito que he probado. El op amp puede ser cualquiera de los siguientes: LM324 , LM358 , TL084 , OPA2134 o NJM4559 y el último de los cuales oscilaba. R6 es una resistencia de carga que adjunto cuando las pruebas y las opciones de valor son 10 ohmios y 1 kiloohm. Respetar los números de parte como esos son exactamente lo que he utilizado.

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Answer 1

No se puede añadir ganancia a la salida de un op-amp (transistores adicionales) y esperar que no oscile sin la compensación adecuada.

Mira también la hoja de datos del op-amp NJM4559 que te estaba dando problemas. No hay nada en esa hoja de datos que siquiera insinúe cuál es el margen de fase. Yo esperaría ver un gráfico como este: -

Esto es para un op-amp TL084 y hay que estudiarlo en detalle; a bajas frecuencias la diferencia de fase entre la salida y la entrada es de unos 180 grados - esto es lo que se espera de un amplificador, es decir, es en gran parte inversor. A medida que la frecuencia aumenta, suele haber una pequeña meseta en la que el ángulo de fase se ha desplazado unos 90 grados, es decir, se comporta como un integrador.

A medida que la frecuencia aumenta, la ganancia cae a la unidad y el margen de fase es de unos 50 grados, es decir, está a 50 grados de ser un oscilador.

Algunos op-amps son un poco más ajustados que esto y para muchos op-amps, el punto de ganancia unitaria (la frecuencia más alta a la que podría producirse la oscilación) es mucho mayor. Para el NJM4559 es de unos 6MHz. Para el TL084 es sólo 3MHz.

Por lo tanto, el cableado de un op-amp con retroalimentación resistiva regular y sin transistores está bien para el TL084 y tal vez es para el NJM4559 pero, la hoja de datos no da ninguna indicación de que es. Yo desconfiaría mucho de este dispositivo dadas las especificaciones que he leído.

Ahora, añadir ganancia en el bucle de retroalimentación (los dos transistores) va a causar problemas casi siempre - básicamente estás desplazando el punto de ganancia unitaria del amplificador óptico hacia arriba (tal vez 20 dB o más) y esto podría muy bien mover el punto de ganancia unitaria real en el gráfico hasta 10 veces en frecuencia. También es probable que esté degradando las características de fase y ahora tiene un oscilador porque el margen de fase ha caído masivamente a través de 0 grados en la ganancia unitaria.

Entonces, vuelve a evaluar cuál es la ganancia a 0 grados y descubrirás que está varios dB por encima de la unidad = oscilador.

Bajar la ganancia de los dos transistores es un buen comienzo - pon una resistencia de fuente en M1 de quizás 4k7 y reduce R2 a 4k7 - esto es un comienzo pero de ninguna manera puede ser lo único que necesitas hacer.

Answer 2

Un DMM es una forma pésima de comprobar las oscilaciones. Utiliza en su lugar un instrumento adecuado que se llama osciloscopio.

Para evitar las oscilaciones es necesario añadir alguna compensación de frecuencia en la ruta de retroalimentación para ralentizar globalmente la respuesta de retroalimentación. Es muy posible que el circuito utilizado tenga que ser algo más que un simple filtro de paso bajo.

La compensación se ajusta principalmente al tiempo de respuesta de la ruta de avance a través del circuito, incluyendo la ganancia del amplificador óptico, la velocidad de giro del mismo y los tiempos de conmutación del FET. Sin embargo, habrá que tener en cuenta el diseño del circuito y el acoplamiento cercano entre los cables y los componentes.

Answer 3

Como has configurado M1 para que tenga ganancia negativa desde la salida de OA1 a la puerta de M2, necesitas, como mínimo, invertir las entradas del op-amp - la retroalimentación va a (+), el punto de ajuste va a (-). Tal y como está, tu circuito siempre oscilar - simplemente puede no ver la oscilación.

El R2 alimenta los aproximadamente 4nF de capacidad de puerta de M2. Esto produce un polo en la respuesta de bucle cerrado a 2kHz - M2 está dentro del bucle de retroalimentación, después de todo. Dado que M1 se encenderá en cierta medida durante la regulación, la resistencia equivalente vista por la puerta será menor. Sin embargo, seamos conservadores y utilicemos simplemente el valor de R2. Tienes que disminuir R2 por un factor de 10, a 2kOhm para conseguir el polo hasta 20kHz.

También tendrás que añadir una realimentación negativa local alrededor de OA1, para estabilizarlo añadiendo un polo muy por debajo del polo de 20kHz debido a R2/Cin_M2. Aísla la tensión de referencia de la entrada (-) con una resistencia de 4,7k. Luego añade un condensador de 10nF desde la salida OA1 directamente a la entrada (-). Esto produce un polo a 3,3kHz, muy por debajo del polo de 20kHz del circuito de salida.

Esto es lo mejor que vas a conseguir con la arquitectura que has elegido. Lo que realmente mata el rendimiento de este circuito es el uso de un controlador de código abierto M1.

En su lugar, podrías utilizar un par de diodos de silicio en serie, puenteados por un condensador. Esto restauraría el ancho de banda de tu circuito. Por supuesto, seguirías necesitando la resistencia de pull-up, pero ya no influiría en la respuesta en frecuencia.