Multe aplicaţii portabile ce includ telefoanele mobile, pagerele, şi PDA-urile utilizează regulatoare de tensiune “low dropout” – (LDO). La început aceste regulatoare erau construite în tehnologia bipolară şi ofereau o serie întreagă de caracteristici; dimensiunile mici, zgomotul de ieşire redus şi precizia tensiunii de ieşire au dus la folosirea lor în foarte multe aplicaţii alimentate de la baterii. Regulatoarele LDO bipolare au un nivel mai mare al căderii de tensiune şi un curent de masă de asemenea mai mare decât al regulatoarelor construite în noile tehnologii precum CMOS. Astăzi, tehnologiile CMOS oferă multe dintre caracteristicile existente la regulatoarele LDO bipolare reducând totodată curenţii de masă ce apar datorită sarcinilor de ieşire şi tensiunilor de intrare.
Figura 1 prezintă topologia regulatoarelor LDO bipolare şi CMOS. Circuitul LDO bipolar din figura 1A conţine o referinţă de tensiune “bandgap”, un amplificator operaţional şi un tranzistor de trecere PNP. Referinţa de tensiune livrează o tensiune de ieşire foarte precisă de-alungul întregului interval de temperatură şi tuturor condiţiilor de încărcare. Tensiunea provenită din această referinţă este înmagazinată de amplificatorul operaţional ce comandă tranzistorul PNP de trecere asigurându-se astfel că circuitul LDO are o bună încărcare a curentului de ieşire şi o rejecţie a tensiunii de zgomot pe intrare. Al treilea element, tranzistorul de trecere PNP, comandă curenţii de încărcare.
Tensiunea de cădere a acestor dispozitive este definită drept cea mai mică tensiune dintre intrare şi ieşire înainte ca tensiunea de ieşire să scadă cu 2 procente faţă de valoarea ei iniţială. Pentru regulatoarele LDO bipolare, valoarea tipică a tensiunii de cădere este de aproximativ 0.3V. Această tensiune poate fi uşor mai mare sau mai joasă în funcţie de topologia tranzistorului de trecere, dar în general, ea nu este mai mică decât tensiunea de cădere a regulatoarelor LDO construite în tehnologia CMOS.
Tot în figura 1 se poate observa cum curentul din baza tranzistorului PNP va creşte când tensiunea de intrare se apropie de valoarea tensiunii de ieşire stabilizate. Acest curent nedorit este rezultatul creşterii curentului de bază al tranzistorului bipolar când acesta intră în saturaţie. Lucrurile se complică şi mai mult când tensiunea bateriei scade, iar capabilităţile de curent sunt din ce în ce mai mici.
O soluţie alternativă o reprezintă regulatoarele LDO CMOS care sunt ilustrate simplificat în figura 1B. Nucleul acestui dispozitiv este din nou referinţa de tensiune “bandgap” care comandă amplificatorul operaţional. Prima diferenţă care apare în performanţele oferite de regulatoarele LDO CMOS şi bipolare este dată de tranzistorul de ieşire. În comparaţie cu tranzistorul de trecere bipolar PNP unde tensiunea de cădere este de aproximativ 0.3V, tensiunea de cădere a regulatoarelor LDO CMOS depinde de rezistenţa “on” a tranzistorului de trecere MOSFET. Când acest circuit nu conduce curent, tensiunea de cădere are valoarea zero. Odată ce curentul de sarcină creşte, va creşte şi tensiunea de cădere. De exemplu, dacă rezistenţa “on” a MOSFET-ului are valoarea de 33 ohm şi curentul de încărcare de ieşire este de 100 mA, căderea de tensiune va avea valoarea de 0.33 mV, iar ca bonus, ieşirea tranzistorului este capabilă să comande curenţi de orice magnitudine fără posibilitatea unei creşteri majore a curentului de masă.
Pentru anumite aplicaţii, regulatoarele bipolare oferă caracteristici pe care dispozitivele CMOS nu le pot suporta. De exemplu, dispozitivele LDO bipolare prezintă în general un zgomot de ieşire destul de mic. Alteori, circuitele LDO CMOS au un pin de reducere a zgomotului, în timp ce regulatoarele bipolare conţin un condensator conectat la masă pentru micşorarea zgomotului. În orice caz, zgomotul dispozitivelor LDO CMOS nu poate fi redus în aceeaşi măsură ca la circuitele bipolare. Diferenţa, ca ordin de mărime, este de 10 ori. Acest lucru poate reprezenta un factor de ghidare pentru anumite aplicaţii sensibile la zgomot sau în circuitele de precizie. În plus, regulatoarele LDO bipolare sunt circuite care prezintă tensiuni înalte de intrare şi livrează curenţi de ieşire mari. Deşi capabilităţile dispozitivelor bipolare de a comanda curenţi şi tensiuni de valori mari sunt mai bune decât cele ale regulatoarelor LDO CMOS, acest lucru nu este un impediment pentru circuitele CMOS de a fi utilizate în aplicaţiile alimentate de la baterii.
Alt avantaj oferit de regulatoarele LDO CMOS îl reprezintă marea funcţionalitate digitală. De exemplu, nu este deloc neobişnuit pentru aceste tipuri de regulatoare să aibe capabilitate de shutdown ce poate fi folositoare atunci când există integrate în aceeaşi capsulă două regulatoare CMOS LDO. Unele dispozitive au de asemenea opţiunea de supervizare “mică putere” care informează utilizatorul când bateria este descărcată sub o anumită limită de siguranţă. O asemenea opţiune poate oferi o funcţionalitate completă unui circuit standard independent incluzând funcţia “time-out” pe pinul de reset şi de rejecţie tranzientă. Această caracteristică este foarte utilă când este nevoie de un “low chip count” într-o aplicaţie compactă alimentată de la baterie.
Acest articol a explorat avantajele oferite de regulatoarele construite în tehnologia CMOS faţă de cele bazate pe tehnologia tradiţională bipolară. Dispozitivele LDO CMOS reprezintă uzual cea mai bună alegere în cazul tensiunilor de intrare mici deoarece se obţine un consum redus de curent de masă şi o tensiunea de cădere mică. Pe de altă parte, circuitele LDO bipolare oferă un zgomot redus fiind aşadar foarte bune pentru aplicaţiile sensibile, astfel că alegerea finală va fi determinată de cerinţele aplicaţiei.
de Bonnie C. Baker, Microchip Technology Inc