Power-Tipp Unity Gain Architektur: Der Widerstandsteiler wird ersetzt

Es gibt eine neue Regelschleifenarchitektur für Linearregler und Schaltregler, um Spannungen mit sehr geringem Rauschen zu erzeugen. Zusätzlich wird die Höhe des Rauschens unabhängig von der eingestellten Ausgangsspannung. Mit diesem Konzept lassen sich auch sehr niedrige Ausgangsspannungen bis 0 V erzeugen.

Spannungswandler haben üblicherweise eine Regelschleife, um eine eingestellte Ausgangsspannung zu regeln. Diese soll unabhängig von der Eingangsspannung und dem jeweiligen Laststrom dafür sorgen, dass die Ausgangsspannung auf einem fest eingestellten Wert gehalten wird.

Zum Messen der Ausgangsspannung wird gewöhnlich ein Widerstandsteiler verwendet. Bild 1 zeigt die Schaltung eines abwärtswandelnden Buck-Reglers. Bei dieser Regelschleife wird ein Widerstandsteiler (Rfb1 und Rfb2) eingesetzt, um die generierte Ausgangsspannung einzustellen. Die Ausgangsspannung wird mit den Widerständen auf einen Spannungswert geteilt, der von der internen Referenzspannung (U_ref) vorgegeben wird. Diese Referenzspannung liegt üblicherweise bei 1,2 V, 0,8 V oder 0,6 V. Der Ausgang des Fehlerverstärkers (Operationsverstärker in Bild 1) wird dann in einen Steuerungsblock geführt, welcher die Schaltzeiten der Leistungsschalter (MOSFETs) kontrolliert.

Für eine lange Zeit war diese Art der Regelung Standard. Es gibt jedoch eine bessere Variante, welche bei Spannungswandlern (Schaltreglern und LDOs) viele Vorteile bietet. Bild 2 zeigt das neue Konzept, welches als ‚Unity Gain Architektur‘ beschrieben wird. Hier wird die Ausgangsspannung direkt an den Fehlerverstärker geführt. Die Ausgangsspannung wird mit einem Widerstand (R_set) durch eine interne Stromquelle eingestellt.

Dies hat einige Vorteile. Die Ausgangsspannung kann bis auf 0 V geregelt werden. In der Version mit Widerstandsteiler von Bild 1 ist die minimal einstellbare Ausgangsspannung gleich dem Potential der intern verbauten Referenzspannung.

Ein zweiter Vorteil ist, dass mit der Schaltung in Bild 2 die Ausgangsspannung sehr viel weniger Rauschen bei niedrigen Frequenzen unterhalb von 100 kHz zeigt. Durch die Kapazität (C_set) werden niederfrequente Störungen der internen Stromquelle geglättet und dadurch die niederfrequenten Störungen stark minimiert.

Auch wird kein zusätzliches Rauschen durch die Widerstände des Widerstandsteilers hinzugefügt. Zusätzlich hat man den Vorteil, dass das niederfrequente Rauschen der Ausgangsspannung bei eingestellten höheren Ausgangsspannungen nicht ansteigt. Das Rauschverhalten ist also weitgehend unabhängig von der Ausgangsspannung.

Die Unity Gain Architektur

Viele Ultra-Low-Noise-Linearregler nutzen dieses Regelschleifenkonzept, beispielsweise der LT3045 (20 V, 500 mA Ultra Low Noise LDO). Auch neue Abwärtswandler wie der LTC8625S – das sind Bausteine der dritten Generation der Silent-Switcher-Serie – sind auf diese Weise aufgebaut.

Bild 3 zeigt den Silent-Switcher-Schaltregler der dritten Generation LT8625S in einer LTSpice-Simulation. Der getaktete Spannungswandler verträgt Eingangsspannungen bis 18 V und kann mit einem Laststrom bis 8 A betrieben werden. Das niederfrequente Rauschen auf der Ausgangsspannung zwischen 10 Hz und 100 kHz liegt bei 4 µV_eff. Die eingebaute Präzisionsstromquelle hat eine Genauigkeit von ±0,8% über dem gesamten zulässigen Temperaturbereich von –40 bis 125 °C.

In der Schaltung in Bild 3 wird die Ausgangsspannung mit dem Widerstand R5 am SET-Pin eingestellt. Dennoch bemerkt der geneigte Leser sicher, dass es trotzdem einen Widerstandsteiler zwischen der Ausgangsspannung und einem PGFB-Pin, bestehend aus R3 und R2, gibt. Dieser Widerstandsteiler ist kein Teil der Regelschleife. Er wird lediglich dazu verwendet, um den ebenfalls vorhandenen PG-Pin zu betreiben.

Fazit: Einfache und bewähre Konzepte, wie ein Widerstandsteiler in einer Regelschleife, können durch innovative neue Konzepte wie der Unity-Gain-Architektur ersetzt werden. Dies ermöglicht es, Spannungen mit sehr viel geringerem Rauschen im niedrigen Frequenzbereich zu erzeugen. Außerdem ist das noch vorhandene – sehr geringe Rauschen – unabhängig von der eingestellten Ausgangsspannung und es können auch kleine Spannungen bis 0 V erzeugt werden. Viele neue Linearregler sowie Schaltregler nutzen diese Architektur. (kr)

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* Frederik Dostal ist Field Application Engineer für Power Management bei Analog Devices in München.

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