¿Cómo funciona un PMOS LDO?

El diagrama del circuito está tomado de LDO Basics de TI . No entiendo cómo este circuito regula el voltaje, y tampoco sé por dónde debo empezar. Pero aquí está mi intento (con algunos valores conectados para una mejor intuición):

  1. Suministre un 2.5V V R mi F a V − del amplificador operacional. Por corto virtual, V + o V R 2 también será de 2.5V.
  2. Desde R 1 y R 2 forma un divisor de tensión, por V R 2 para ser 2.5V, V O tu T tiene que ser 5V
  3. V S D también es 5V ( V I norte − V O tu T )
  4. Cualquier fluctuación o diferencia entre V − y V + tomará la salida del opamp ( V GRAMO ) a cualquiera de los rieles (10 V o 0 V).
  5. si empezamos con V + > V − , entonces el opamp se moverá hacia el riel positivo y emitirá 10V, y V GRAMO S es esencialmente cero ( V S − V GRAMO = 10 V − 10 V = 0 ). El PMOS está apagado y V O tu T será 0V.
  6. Siguiendo el paso 5, V O tu T es cero y también lo será V + . tenemos ahora V − > V + y opamp se moverá hacia el riel negativo que está conectado a tierra, y emitirá 0V en V GRAMO . Desde V GRAMO es mas negativo que V S para el PMOS de mejora, el transistor conduce en el modo de saturación con una resistencia efectiva que consume la mitad del suministro para salir V O tu T a 5V

Según mi análisis, V O tu T debe fluctuar entre 5V y 0V porque V − y V + nunca puede ser perfectamente igual. Pero un LDO debería generar una salida estable de 5 V: ¿cómo funciona y en qué pasos pensé mal?

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[EDITAR]

Permítanme intentar visualizar el comentario de @Rohat Kılıç y @tobalt para ver si los entiendo correctamente. Entonces V S GRAMO cambia el punto de operación y por lo tanto cambia la corriente I D . La relación entre el voltaje de la puerta V S GRAMO y la corriente de drenaje/fuente I D es lo que produce el llamado efecto de "resistencia variable". Si V O tu T cae por debajo de 5V, el PMOS impulsa una mayor I D a través de R 1 y R 2 para aumentar el V O tu T .

Y viceversa: cuando V + > V − , la salida de opamp aumentará positivamente en V GRAMO , causando V S GRAMO a caer, menos corriente I D al divisor de voltaje, y el voltaje de salida caerá hasta que alcance su objetivo regulado de 5V.

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Piense en el PMOS como una resistencia variable controlada por la salida del amplificador operacional. Y lea atentamente la respuesta de @tobalt a continuación . According to my analysis, VOUT should fluctuate between 5V and 0Vesto es oscilante y una indicación de inestabilidad.
@RohatKılıç, ¿debería verlo como una resistencia variable en la región lineal o en la región de saturación? Siempre asumo que el FET actúa como un interruptor rápido en la región de saturación (alta resistencia), pero una resistencia "variable" tendría más sentido si la veo en la región lineal/óhmica. Y si de hecho es la resistencia en la región lineal, V GRAMO o la salida opamp debe ser muy pequeña.
Recuerde que un amplificador operacional no tiene un ancho de banda infinito, se necesita tiempo para pasar de un riel a otro. Y si en el camino pasa por un punto que lleva la señal de error a cero...
El punto de operación del PMOS aquí cambia de la región activa (saturación) a la lineal (óhmica) a medida que VIN aumenta más que VOUT (en otras palabras, aumenta VDS). En la región lineal, el VGS del PMOS se mantiene alrededor de su umbral por la red de retroalimentación. Recuerde que un opamp no es un dispositivo rápido que pueda llegar a su salida a cualquiera de los rieles en tiempo cero (es decir, la velocidad de respuesta), como dijo @hobbs en su comentario anterior.
@KMC Está en la región de saturación. Pero su resistencia no cambia instantáneamente en un umbral preciso de voltaje de fuente de puerta. En cambio, la resistencia cambia gradualmente a medida que el voltaje de la fuente de puerta cambia alrededor del voltaje de umbral. Y sí, la salida del opamp solo cambia en cantidades muy pequeñas durante el funcionamiento normal, ya que pequeños cambios en el opamp provocan grandes cambios en la salida. El Mosfet puede alcanzar la región óhmica, pero solo durante el inicio y los pasos en los que se le obliga a estar lo más "encendido" posible.
porque V− y V+ nunca pueden ser perfectamente iguales. Correcto, V+ no será exactamente lo mismo que V- (V+ - V- = 0). Pero, ¿y si la diferencia es lo suficientemente pequeña , digamos 1 mV? (En la práctica, (V+ - V-) estará muy cerca de igualar el voltaje de compensación del opamp). ¿Sería suficientemente pequeño ser "suficientemente bueno"? (La respuesta es sí).
Gracias por todos los aportes. Consulte Editar si no he entendido mal ninguno de los comentarios.
Esta pregunta me despertó la curiosidad, así que publiqué otra ( electronics.stackexchange.com/questions/567355/… ) con una comparación entre NMOS y PMOS
Tenga en cuenta que en el paso 5, cuando V"+" > V"-", el voltaje de salida del opamp comenzará a oscilar hacia el riel positivo. Y este cambio en el voltaje de salida del opamp no es instantáneo, el voltaje no salta. El voltaje aumentará a una velocidad determinada por la velocidad de respuesta del amplificador operacional. Al mismo tiempo, el voltaje Vgs también disminuirá, por lo que la corriente Id también debe disminuir. Si es así, el voltaje Vout también disminuirá.
Y todo esto reducirá la diferencia de voltaje entre V "+" y V "-", por lo que se reduce la fuerza de "impulso" del opamp, el voltaje de salida del opamp ya no se moverá tan rápido hacia el riel positivo. Además, tenga en cuenta que cualquier voltaje de salida inferior a 5 V cambiará el signo de una diferencia de voltaje entre V"+" y V"-". Por lo tanto, la salida opamp ya no se impulsará en dirección positiva, sino debido al cambio en el signo de voltaje ( V "+" < V "-"). El amplificador operacional ahora intentará aumentar el voltaje en la salida. ¿Lo ves?

Respuestas (2)

Según mi análisis, VOUT debería fluctuar... porque V− y V+ nunca pueden ser perfectamente iguales.

¿Por qué no oscila el amplificador operacional?

Esta es una muy buena pregunta. Pero la respuesta es algo compleja.

Es cierto que si las entradas de un amplificador operacional difieren mucho, la salida cambiará a uno u otro voltaje de riel. Pero hay una pequeña ventana, donde la diferencia en los voltajes de entrada se amplifica (más o menos) linealmente. ¿Qué tan grande es esta ventana?

Un amplificador operacional puede tener una ganancia de voltaje de alrededor de 100.000. Si los rieles de suministro difieren en 10 V, entonces la ventana de voltajes de entrada diferenciales que no hacen que la salida oscile hacia los rieles es 10 V/100 000 = 100 uV. Eso no es mucho.

Usted argumentó:

Cualquier fluctuación o diferencia entre V− y V+ llevará la salida del opamp (VG) a cualquiera de los rieles (10V o 0V).

Eso técnicamente no es cierto, los voltajes de entrada deben oscilar 100 uV, pero intuitivamente, 100 uV es "tan cerca de 0", que uno se preguntaría si la oscilación ocurriría de todos modos.

De hecho, si los amplificadores operacionales fueran amplificadores "ideales", esta pequeña ventana probablemente NO sería suficiente para evitar que el circuito oscile. Pero los amplificadores operacionales no son amplificadores "ideales", pero tienen un componente importante que a menudo no se discute: un condensador "compensador".

Un condensador de compensación dentro de un amplificador operacional actúa como un "integrador" dentro del amplificador operacional. Un cambio repentino de los voltajes de entrada no provoca un cambio inmediato en la salida. Más bien, hace que la salida ascienda (o descienda) a una velocidad específica denominada velocidad de giro máxima. En un sistema con retroalimentación, esto amortigua los cambios rápidos dentro del sistema. Con suerte, permite que los cambios se realicen con la suficiente lentitud para que el amplificador operacional pueda encontrar un punto estable dentro de la ventana muy pequeña donde la salida no se dirige a uno de los voltajes del riel.

¿Es suficiente el condensador de compensación? No siempre, cuando los amplificadores operacionales se utilizan como componentes discretos y están impulsando ciertas cargas, por ejemplo, cargas capacitivas, pueden ser propensos a la oscilación. La puerta de un MOSFET es algo así como una carga capacitiva (aunque no enorme). Sin embargo, si un amplificador operacional está diseñado específicamente para una aplicación determinada, por ejemplo, en un LDO integrado, el diseñador del amplificador operacional puede elegir la compensación condensador para ser lo que sea necesario.

[No es parte de su pregunta, pero le puede interesar saber que el condensador de compensación es el responsable de la caída de 20 dB/década de la ganancia del amplificador operacional con la frecuencia. Ese roll-off es el precio pagado por la estabilidad.]

El opamp se asentará de tal manera que V gramo s para el PMOS está cerca de su umbral. El FET casi nunca se activa o desactiva por completo, a menos que sea muy brevemente durante el inicio y los cambios de paso.

Cuando Vout cae un poco, también lo hará el voltaje en IN+ del opamp. Por lo tanto, la salida opamp también caerá un poco. Esto hace que el V gramo s más negativo, abriendo un poco más el PMOS. Eso a su vez eleva el Vout nuevamente, compensando la caída inicial.

Como cualquier control de retroalimentación, esto puede volverse inestable si los cambios de salida ocurren más rápido de lo que el amplificador operacional puede compensarlos o detectarlos.

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