Это не фундаментальное ограничение физики полупроводников в целом, но это фундаментальное ограничение стандартной технологии проектирования биполярных ИМС (Bipolar), на которой исторически строилось большинство линейных стабилизаторов.
Повышенный шум — это плата за то, чтобы "вписать" стабилизатор отрицательного напряжения в существующую и оптимизированную для "положительной" логики технологию производства.
Подробное объяснение
Чтобы понять причину, нужно заглянуть внутрь кристалла. Рассмотрим на примере классических стабилизаторов в биполярной технологии.
1. Источник опорного напряжения (Bandgap Reference) — Главная причина
Это сердце любого стабилизатора, и именно здесь кроется основная разница.
Для положительных стабилизаторов (LM78xx):
Используется классическая Bandgap-схема. Её ключевой элемент — NPN-транзисторы.
NPN-транзисторы в стандартной кремниевой технологии — это "золотой стандарт". Они быстрые, имеют высокий коэффициент усиления (β) и, что самое важное, низкий уровень шума.
Вся схема источника опорного напряжения строится на этих "качественных" NPN-транзисторах, что позволяет получить очень стабильное и малошумящее напряжение.
Для отрицательных стабилизаторов (LM79xx):
Здесь тоже нужен источник опорного напряжения. Но вся схема "перевернута". Питание подается на землю (GND) чипа, а "земля" схемы подключена к -Vin.
В такой конфигурации использовать "хорошие" вертикальные NPN-транзисторы практически невозможно. Вместо этого конструкторы вынуждены применять PNP-транзисторы.
PNP-транзисторы в стандартной технологии — это обычно "боковые" (lateral) PNP. Они имеют значительно худшие характеристики:
Низкий коэффициент усиления (β).
Низкая граничная частота (fT)
Высокий уровень собственных шумов (шумовые токи особенно).
Поскольку весь опорный источник и усилитель ошибки в стабилизаторе отрицательного напряжения построены на этих "неидеальных" PNP-транзисторах, он изначально зашумлен сильнее.
2. Топология усилителя ошибки и проходного элемента
В положительных стабилизаторах часто используется мощный NPN-транзистор в качестве проходного элемента. Он эффективен и хорошо управляем.
В отрицательных стабилизаторах в качестве проходного элемента обычно работает PNP-транзистор. Опять же, это менее эффективные транзисторы, которые вносят дополнительный шум и требуют большего тока управления.
3. Проблема компенсации
Стабилизатор — это система с обратной связью, которая требует частотной компенсации для предотвращения генерации. Из-за использования медленных PNP-транзисторов частотные характеристики стабилизаторов отрицательного напряжения хуже. Чтобы обеспечить стабильность во всех условиях, разработчики часто вынуждены применять более "грубые" методы компенсации, которые, в том числе, "запирают" и больше шума в полосу пропускания.
Современные исключения и подтверждение правила
Ваше наблюдение идеально справедливо для старых и самых распространенных серий (типа 78xx/79xx). Однако в современных реалиях картина немного меняется, но правило все равно часто соблюдается.
CMOS-технология: Современные LDO (Low-Dropout Regulators) часто делают по CMOS-технологии. В КМОП-процессе P-канальные и N-канальные MOSFET-транзисторы более симметричны по своим свойствам. Поэтому разница в шуме между положительными и отрицательными LDO может быть меньше. Но даже здесь есть нюансы, связанные с подложкой и ее подключением.
Специализированные решения: Существуют прецизионные стабилизаторы отрицательного напряжения с низким уровнем шума. Но они часто достигают этого за счет:
Более сложной и дорогой схемотехники.
Использования внешнего малошумящего источника опорного напряжения.
Что косвенно подтверждает тезис: чтобы сделать "отрицательный" стабилизатор таким же тихим, как "положительный", нужно приложить больше усилий и затрат.
Вывод
Повышенный шум стабилизаторов отрицательного напряжения — это прямое следствие асимметрии биполярной полупроводниковой технологии, которая исторически доминировала и оптимизировалась под схемы с положительным питанием и NPN-транзисторами.
Необходимость использовать "плохие" PNP-транзисторы в критических узлах (источник опорного напряжения, усилитель ошибки) является основной причиной их более высоких шумовых характеристик по сравнению с их положительными аналогами. Таким образом, это фундаментальное ограничение для стандартного, массового и дешевого подхода к проектированию ИМС.
[свернуть]
Социальные закладки