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NMOS LDO原理概括 NMOS LDO原理詳細分析

工程師看海 ? 來源:工程師看海 ? 作者:工程師看海 ? 2024-06-17 17:09 ? 次閱讀

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原文來自原創書籍:《硬件設計指南 從器件認知到手機基帶設計

1. NMOS LDO原理概括

圖2-16是一個NMOS LDO的基本框圖,在1.4節中已經介紹了NMOS特點,在開關結構電源中MOS是工作在開關狀態,在LDO電源中MOS工作在飽和區,注意:LDO一定是工作在飽和區(特殊情況會在可變電阻區),所以VG要大于VS,因此NMOS LDO除了有Vi引腳,一般還會有個Vbias引腳來給MOS的G極提供高壓驅動源;或者只有一個Vi,而LDO內部集成了CHARGE BUMP (電荷泵)來為G極提供高壓驅動源。LDO大體工作流程如下:當Vo下降時,反饋回路中的VFB也會下降,誤差放大器輸出端VG就會增加,隨著VG增加,MOS的電流IDS電流也增加,負載電流Io也會跟著增加,最終使得Vo又恢復到原始電平,總結狀態如下:

Vo↓——>VFB↓——>VG↑——Io↑——>Vo↑

圖2-16 NMOS LDO結構框圖

2. NMOS LDO原理詳細分析

NMOS LDO詳細工作原理見圖2-17,圖中是NMOS的輸出特性曲線,讓我們結合圖2-16圖2-17分析。假設一開始LDO工作狀態在A點,當負載電流突然增加時Vo下降,Vi不變,由于VDS=Vi-Vo,那么VDS就會增加,MOS工作點由A轉移到B;緊接著反饋回路開始工作,Vo減小,VFB電壓也跟著減小,經過誤差放大器后,VG增加,由于VGS=VG-VS=VG-Vo,那么VGS也增加,從圖2-17可以看到,隨著VGS增加,MOS的電流IDS逐漸上升,進而使得VO逐漸升高、VDS逐漸減小,MOS工作點由B轉移到C,LDO又回到原始工作電平,最終看到的現象就是VO的電壓先降低,而后由上升回原始電平,實現了穩壓的作用。

圖2-18為某LDO工作過程的實測波形,從波形可以看到當負載電流突然增大時,LDO的輸出電壓被瞬間拉低,而后逐漸上升會原始的電平,實現了穩壓電源的作用。

圖2-17 NMOS LDO工作狀態轉移圖

圖2-18 實際LDO工作波形

3. NMOS LDO仿真

下面我們對NMOS LDO進行仿真,圖2-19是簡單的5V轉3V的NMOS LDO仿真原理圖,LDO的輸入電壓是5V;VBIAS偏置電壓是7V,用于產生內部參考電壓,經過330Ω的電阻限流后,使用穩壓管穩定在2.25V,供給誤差放大器。在輸出是3V的前提下,經過反饋回路的分壓電阻R1(333Ω)R3(1KΩ)作用下,VFB反饋電壓是3*1000/(333+1000)=2.25V等于誤差放大器同向端電壓,當輸出電壓變化時VFB也會變化,進而使得誤差放大器輸出變化從而調節LDO的輸出。換句話說,我們可以通過匹配反饋電阻R1和R3來設置輸出電壓。根據探針2可以看到,LDO輸出直流電壓是3.01V。

圖2-19 NMOS LDO仿真原理圖

圖2-20是LDO輸出波形圖,淺色曲線是輸出電壓,當負載電流從37mA增加到200mA (1mV=1mA)過程中,LDO的輸出電壓基本不變,實現了我們需要的穩壓功能。

圖2-20 NMOS LDO輸出波形

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