Condensador después de referencia de voltaje "para estabilidad"

Tengo mucha experiencia con electrónica de "bajo nivel" (redes de resistencias, filtros pasivos, circuitos de amplificadores operacionales básicos) y algo de experiencia con cosas de alto nivel como microcontroladores, pero actualmente tengo dificultades para aprender el bits en el medio. Como tal, disculpas si esta pregunta es tonta o un duplicado obvio, pero aquí va.

He estado trabajando en un circuito diseñado por un colega que incluye una referencia de voltaje LTC6655 de 2,5 V. En el circuito y en la hoja de datos, el dispositivo requiere que se coloque un límite de 10uF en sus salidas, pero no dice por qué. Como estaba esperando una entrega de tapas de 10uF y solo tenía tapas más pequeñas, tontamente asumí que solo estaba allí para suavizar/filtrar líneas y decidí que no haría una diferencia en la prueba si simplemente dejaba esa parte fuera hasta el llegó la entrega.

Por supuesto, cuando encendí el circuito, la referencia solo emitía 1,75 V en lugar de 2,5 V. Después de verificar minuciosamente todas las entradas y salidas, y los parámetros de carga, me quedé perplejo y volví con mi colega, quien señaló que el capacitor que faltaba era necesario "para la estabilidad". Instalé con escepticismo la pieza necesaria (que acaba de llegar) e inmediatamente funcionó como se esperaba.

¿Alguien estaría dispuesto a señalarme un texto para explicar qué está haciendo ese condensador, o incluso a explicármelo ellos mismos? Me sería de gran aprecio.

La página 11 de la hoja de especificaciones incluye muchas palabras sobre el límite de carga ... cds.linear.com/docs/en/datasheet/6655ff.pdf Quizás pueda descifrarlo a partir de eso, estoy pensando en el ESR de lo que haya usado originalmente puede haber sido demasiado alto.
Este enlace proporciona muchos detalles muy específicos para usted, dirigidos con precisión a su pregunta: ti.com/lit/wp/snoa842/snoa842.pdf Comience en la parte inferior de la página 5, en Reguladores lineales.
Sin el condensador, probablemente estaba produciendo oscilaciones de riel a riel, cuyo valor medio resultó ser de 1,7 V.

Respuestas (4)

La referencia tiene una caída baja, por lo que, como puede ver en el esquema interno (página 10 de la hoja de datos), se implementa como una referencia de banda prohibida seguida de un amplificador operacional de búfer de riel a riel.

Observe la polaridad de los dispositivos de salida, el PMOS está en la parte superior y el NMOS en la parte inferior, que es una etapa de salida de riel a riel.

Ambos transistores se comportan como fuentes de corriente controladas. Es posible hacer que un amplificador operacional de este tipo sea estable sin un condensador en la salida, como la mayoría de los amplificadores operacionales, pero aquí se espera que la referencia tenga un límite en la salida.

Hacer que una etapa de salida de riel a riel de este tipo (que es muy similar a un LDO) sea estable con y sin capacitancia es difícil. Dado que los transistores de salida son fuentes de corriente controladas, el valor del límite de salida controla la ganancia de bucle abierto. También su ESR agrega un cero.

Entonces, los diseñadores se decidieron por un valor particular de capacitancia y ajustaron el circuito para ello. Si observa la página 10 del "espectro de ruido de salida" en la parte inferior, verá que 10 µF es óptimo... este no es un valor mágico, simplemente el diseñador ajustó el circuito para eso.

Ahora, la página 11 de la hoja de datos brinda sugerencias sobre la selección de capacitores, por lo que también debe leerla...

+1 por mencionar específicamente LDO, que probablemente sea fundamental para la pregunta.
Mea culpa: pasé la parte de la página 11 sin leerla correctamente. Pero aún no me queda claro exactamente cómo la falta de condensador introduce una compensación de voltaje. Disculpas si solo estoy siendo denso (basado en los enfoques de otros encuestados, parece que lo soy)...
@Magic_Matt_Man, Re: compensación de voltaje, mírelo con un 'alcance, puede estar oscilando.
La "compensación de voltaje" se debe a que su multímetro mide algo que puede o no estar cerca del promedio del voltaje oscilante... dependiendo de la frecuencia, el multímetro, el error de forma de onda puede ser pequeño o sustancial, ¿quién sabe? Mejor usa un visor.

Esto tiene que ver con la estabilidad del bucle.

No entraré en los detalles del criterio de estabilidad de Barkhausen, ya que creo que iría demasiado lejos, pero tal vez una analogía pueda explicar lo que está sucediendo. Esto implicará una gran cantidad de términos "handwavey", pero me preocupa que si voy a las matemáticas, será demasiado difícil de entender para alguien nuevo en el concepto.

Dentro de la referencia de voltaje, habrá algún tipo de circuito de amortiguación. Esta es una forma de opamp que tiene que intentar establecer la salida en el mismo valor que la entrada. De esta manera, no extrae corriente de la referencia de voltaje real, lo que puede mejorar el rendimiento.

Ahora imagine lo siguiente: el amplificador operacional tiene algún tipo de retroalimentación para que pueda comparar el voltaje de salida actual con el voltaje de referencia. La cuestión es que hay algún tipo de retraso (esta es la respuesta de fase del circuito) entre medir la entrada y cambiar la salida.

Digamos que la salida es un poco demasiado pequeña. El opamp nota esta diferencia e intenta aumentar el voltaje de salida. Lo hace y ahora nota que la salida está al mismo nivel que la entrada, por lo que intenta detener este aumento de nivel. Sin embargo, como ya dije, hay cierto retraso entre su medición de entrada y el cambio en la salida; en otras palabras, la salida será demasiado alta porque el opamp no puede detenerse lo suficientemente rápido. Ahora el opamp nota que la salida es demasiado alta, por lo que intenta empujarla hacia abajo. Nuevamente, comienza a hacerlo, pero una vez que esté bien, será demasiado tarde y bajará. Esto sigue ocurriendo una y otra vez, ¡es como si hubiera una onda en la salida! En otras palabras, no tiene un buen voltaje estable, ¡pero tiene un voltaje oscilante que constantemente se dispara por encima y por debajo!

Entonces, ¿dónde entra ese condensador? La clave es que la velocidad que el opamp puede impulsar su salida hacia arriba y hacia abajo. Si agrega capacitancia, necesita trabajar más para empujar su salida de una forma u otra. Esto significa que no habrá sobreimpulso (o al menos se extinguirá lentamente). El opamp ahora puede responder más rápidamente de lo que puede cambiar la salida, por lo que ya no se retrasará constantemente con la oscilación de la salida por encima y por debajo del voltaje de referencia.

Gracias por la explicación. Ya entiendo cómo se producen las oscilaciones en un sistema de retroalimentación y entiendo qué es la estabilidad. Lo que no entiendo es por qué estaba leyendo una simple caída de voltaje. ¿Es solo que la salida en realidad estaba oscilando rápidamente y el DMM solo estaba leyendo un valor RMS? ¿Es esto a lo que te refieres en tu último párrafo? "ya no se retrasará constantemente con respecto a que la salida oscile por encima y por debajo del voltaje de referencia".
No estaba seguro de lo que entendiste o no, por lo tanto, expliqué el origen de la inestabilidad. ¿Con qué voltaje estabas alimentando tu circuito? Es muy posible que su opamp estuviera oscilando y golpeando sus rieles al hacerlo. Entonces, 1,53 V podría ser un valor medio.
Sí, eso es genial, muchas gracias. Creo que eso es lo que estaba pasando.

Una referencia como su parte LT o un LDO es un sistema de control, mide la salida y la compara con una referencia para tratar de mantener la salida en el voltaje deseado. Es decir, utiliza la retroalimentación.

Cada vez que tiene un sistema de control de retroalimentación, existe la posibilidad de inestabilidad. Por ejemplo, si hay suficiente retraso en la retroalimentación de la señal de salida de modo que para cuando llegue la corrección, en realidad refuerce el error, obtendrá una oscilación.

En términos más rigurosos, debe observar la función de transferencia de bucle abierto, y si hay -180 grados de cambio de fase cuando la ganancia cruza 0dB, su bucle será inestable. Su capacitor de trabajo está afectando la forma de la ganancia de bucle abierto de modo que haya suficiente "margen de fase". (La diferencia de fase a -180 grados cuando la ganancia cruza 0dB). La ESR de su límite junto con la capacitancia crean un cero, lo que aumenta la fase y puede ser la razón de la estabilidad adicional.

Puede encontrar mucha información en la web si busca en Google "teoría de control".

Por ejemplo: Teoría de Control Clásica

+1 por mencionar específicamente LDO, que probablemente sea fundamental para la pregunta.
Entiendo algo de teoría de control, entiendo cómo se producen las oscilaciones en un sistema de retroalimentación y entiendo qué es la "estabilidad". Lo que no entiendo es por qué estaba leyendo una simple caída de voltaje. ¿Es solo que la salida en realidad estaba oscilando rápidamente y el DMM solo estaba leyendo un valor RMS?
Es difícil decir qué estaba leyendo el DMM, pero ciertamente podría leer una señal oscilante como un valor de CC (tal vez RMS si es un medidor de verdadero valor eficaz y la señal estaba dentro del BW del circuito RMS). Por supuesto, un 'osciloscopio es la forma de saberlo con certeza.
Sí, gracias por la sugerencia. Aunque entiendo cómo pueden ocurrir las oscilaciones en general, no había hecho la conexión de que podrían estar causando mis dificultades en este caso particular, por lo tanto, no pensé en usar un osciloscopio, solo un DC DMM. Lo he comprobado con un osciloscopio y, de hecho, hay oscilaciones (incluso con el condensador en su lugar), por lo que hay algo más mal en alguna parte... ¡Hora de otra búsqueda de errores!

En el circuito y en la hoja de datos, el dispositivo requiere que se coloque un límite de 10uF en sus salidas, pero no dice por qué.

La hoja de datos dice: -

También se requiere un condensador de salida con un valor entre 2,7 μF y 100 μF

El condensador de salida tiene un efecto directo sobre la estabilidad, el tiempo de encendido y el comportamiento de asentamiento. Elija un condensador con baja ESR para asegurar la estabilidad. La resistencia en serie con el capacitor de salida (ESR) introduce un cero en la función de transferencia del búfer de salida y podría causar inestabilidad. El rango de 2,7 μF a 100 μF incluye varios tipos de condensadores que están fácilmente disponibles como componentes de montaje en superficie y de orificio pasante. Se recomienda mantener la ESR menor o igual a 0,1 Ω. La capacitancia y la ESR dependen de la frecuencia. A frecuencias más altas, la capacitancia cae y la ESR aumenta. Para asegurar un funcionamiento estable, el condensador de salida debe tener los valores necesarios a 100 kHz.

También hay un gráfico que muestra los efectos de aumentar el ruido cuando se varía este capacitor: -

ingrese la descripción de la imagen aquí

Todo está en blanco y negro y con bonitas líneas de colores en el gráfico. Además, este es el regulador más estable y de menor ruido por debajo de £ 12 y esperaría aplicar un condensador en la salida para garantizar que la impedancia de salida de alta frecuencia se mantenga muy baja (para mantener el ruido bajo).

Gracias por la explicación, pero no hay necesidad de ser condescendiente. Lo siento, no fui lo suficientemente minucioso al leer la hoja de datos, pero no sabía que las frases clave eran "derivación" o "carga" del condensador. Cuando hojeé inicialmente la hoja de datos, vi la oración "También se requiere un condensador de salida con un valor entre 2.7 μF y 100 μF" al mirar información sobre los pines de salida y vi el gráfico "bonito", pero me perdí el texto más abajo, que fue mi culpa Sin embargo, todavía no entiendo completamente por qué la "inestabilidad" conduce a una compensación de voltaje simple en este caso.
¿Estabas midiendo el voltaje con un medidor y no, no estaba siendo intencionalmente condescendiente? Si estaba midiendo con un medidor, es probable que la salida estuviera oscilando y produciendo un voltaje promedio de 1.75 voltios.
@Magic_Matt_Man, ¿No sabes que "la mejor defensa es un buen ataque?" Una vez más, no se trata de no saber algo. Expresó una falta de conocimiento básico en el área de la regulación analógica, que todos los reguladores (especialmente los diseños más antiguos) tienen limitaciones en el capacitor de carga, cuando el rango de ESR se citaría en la documentación; de lo contrario, el regulador OSCILARÍA si ESR es demasiado pequeño o demasiado alto. Comenzará a OSCILAR, todo de acuerdo con los márgenes de fase de la teoría básica de control. Cierto, hoy tenemos diseños LDO especiales llamados "sin tapa", pero fue un gran esfuerzo.
"De nuevo, no se trata de no saber algo. Expresaste una falta de conocimiento básico en el área de la regulación analógica..." Parece haber una contradicción aquí, pero no tengo la intención de discutir contigo sobre eso, ya que tener mejores cosas que hacer con mi vida. Desconocía algunos detalles sobre la regulación analógica, como has señalado repetidamente, pero estoy tratando de ser menos ignorante. Gracias por reiterar la lección sobre las oscilaciones.
Condensador después de referencia de voltaje "para estabilidad"
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