LDO------LDO的原理以及構成

引言：LDO作為使用最為廣泛的模擬電源器件之一，因為其采用線性工作，特別適合用來濾除開關電源產生的電壓紋波，在處理許多非常小的信號應用中，這種紋波可能會造成干擾，本文從不一樣的角度來進一步了解其基本工作原理。

1.什么是線性穩壓器

圖1-1：LDO的內部結構

如圖1-1，LDO由誤差放大器（誤差檢測用放大器）、基準電壓源、輸出晶體管三部分組成，與DCDC電路不同的是，輸出晶體管的工作狀態不是開關模式，而是線性工作模式，這一點許多人會進入認知誤區，我們后面會再著重講到。作為一個標準的負反饋回路，當輸入或負載發生變動而輸出電壓開始波動時，誤差放大器會連續比較來自輸出電壓的反饋電壓和基準電壓，并控制輸出功率晶體管使它們的差為零，從而保持輸出電壓Vout恒定。這就是通過反饋環路控制實現電壓穩定（穩壓）。在反饋環路中，誤差放大器的同相引腳電壓始終試圖與VREF 相同，故流經Rdown的電流是恒定的。流經Rup和Rdown的電流可以通過 VREF/Rdown求得，因此Vout是該電流乘以（Rup＋Rdown）所得的值。這是遵循了歐姆定律，公式如下：

回到輸出晶體管這部分，工作在線性區域的晶體管可以視為是一個壓控電流源（MOS類型），控制電路連續監視（檢測）輸出電壓，并調節電流源（根據負載的需求）以把輸出電壓保持在期望的數值。所以電流源的設計極限限定了穩壓器在仍然保持電壓調節作用的情況下所能供應的最大負載電流。輸出電壓采用一個反饋環路進行控制，其需要某種類型的補償以確保環路穩定性。大多數線性穩壓器都具有內置補償功能電路，無需外部組件就能保持完全穩定。某些穩壓器（比如低壓降型）則確實需要在輸出引腳和地之間連接一些外部電容以確保穩壓器的穩定性。

2.LDO的模型與拓撲

1.NPN型的LDO

NPN型的LDO分兩大類：一種是用達林頓管做的LDO，因為當時的單個晶體管的放大倍數不是很大，所以要用達林頓管來構成更大的放大倍數。在這里不討論達林頓管構成的LDO；另一種就是單個NPN 型晶體管構成的LDO。

圖1-2：NPN型LDO

圖1-2是NPN型的LDO架構圖，從圖可知經過輸出采樣之后，通過一個小信號NPN三極管來控制一個PNP型的前級晶體管，這個前級的晶體管再通過集電極的電流來控制NPN晶體管。在上圖中Q2集電極和發射極之間的電壓VCE(Q2)一定會疊加在功率三極管Q1的集電極和基極之間的電壓VCB(Q1)上面。這兩個電壓的疊加是我們能在控制一個穩定電壓的情況下，決定輸入電壓最低是多少的兩個成分。

圖1-3是描述的是 NPN“準LDO”在一個5mA和500mA的負載電流下需求的驅動電流。從下圖可以看到，在不同的條件下，我們需要芯片本身的靜態電流產生怎樣的變化才能對這樣負載的變化有一個比較好的調整。可見在NPN型的LDO中，芯片的靜態電流是會隨負載電流的增加而增加的，而且是成比例增加的。當然在NPN型的三極管當中這種電流的總體的絕對值也是比較小的，就像這里例子里面的就算它的負載電流達到500mA，它的靜態電流也小于1mA 。

圖1-3：左邊為5mA負載，右邊為500mA負載

小結1.0：NPN準LDO具有如下特性

要求輸入電壓至少比輸出電壓高0.9V至1.5V

接地引腳電流大于NPN-達林頓管，但小于PNP-LDO穩壓器

需要一個輸出電容器，但一般不像PNP-LDO那樣具有特殊的ESR要求

2.NPN型的LDO

圖1-4：PNP型LDO

一個PNP型的LDO它的壓控恒流源是由一個功率型的PNP管(Q1)來構成（圖1-4），同時在它的基極也會連接一個對地的NPN型的晶體管(Q2)，這就是一個典型的PNP型LDO的架構。在上圖右邊它一樣是由兩電阻來檢測電壓，然后把它放進誤差放大器里面和一個基準作比較，放大之后對Q2進行控制。Q2集電極上的電流會控制Q1上基極的電流。由于功率晶體管(Q1)是PNP型的晶體管，它的集電集輸出，因此由于它的這種結構它的輸出阻抗是比較大的。在這種輸出阻抗比較大的情況下，我們必須給輸出增加輸出電容器，也要控制這個電容器的ESR控制在一定范圍之內，才能保證這種LDO的工作穩定。

圖1-5是描述的是PNP型LDO在一個5mA和500mA的負載電流下需求的靜態電流。由于PNP型的靜態電流，也就是它的功率晶體管(Q1)基極對地流出的電流，直接決定了它的集電極能夠給負載提供的電流，而這個輸出電流也決定于基極和發射極電流之間的β比。因此我們也可以看到NPN型LDO的靜態電流是遠遠大于NPN型的LDO的。由下圖我們可以看到當在5mA負載電流情況下它的靜態電流已經遠遠大于1mA了。由下圖我們也可以看到PNP型的LDO中和在NPN型的LDO中一樣，芯片的靜態電流也是會隨負載電流的增加而增加的，而且是成比例的增加。

圖1-5：左邊為5mA負載，右邊為500mA負載

小結2.0：NPN準LDO具有如下特性

要求輸入電壓至少比輸出電壓高100mV至700mV

具有高于NPN型LDO的接地引腳電流

需要謹慎地選擇電容器數值和ESR額定值

3.NMOS型的LDO

圖1-6：NMOS型LDO

圖1-6從功率型晶體管變成了NMOS，結構沒有變化，在整個線路里面對輸入于輸出的壓差構成限制的不再是晶體管的基極與發射極之間的結壓降，而是MOS管里面門級到漏極之間的最小壓差。圖1-7簡單表示了經由NMOS傳輸元件流至負載的電流。這里所使用的柵極至源極電壓(VGS)用于說明原理。NMOS LDO它同樣是采用一對電阻來采樣輸出電壓，把它送入誤差放大器的輸入端，接著和一個基準做比較，然后在誤差放大器里面進行放大，最后產生一個電壓信號來控制NMOS的門級。實際的柵極至源極電壓將取決于所運用的制造工藝以及設計考慮因素。一個標準的NMOS傳輸晶體管實際上將由幾千個并聯的單獨晶體管組成。

圖1-7：NMOS傳輸元件流至負載的電流流向

與晶體管對于高負載和低負載所需要的驅動電流變化大不同，NMOS LDO在一個50mA和3A的負載電流下需求的靜態電流差不多，雖然這種負載的變化是比較大的，但是在靜態電流上幾乎是沒什么變化的，因為N型MOS我們只需要用電壓信號來控制，這個電壓信號不需要消耗誤差放大器里面本身的電流。因此我們可以看出由NMOS構成的LDO相對于晶體管而言它的靜態電流是它一個最大的優勢。

小結3.0：NMOS型LDO的特點

要要偏置電壓用來上拉NFET

NFET的導通電阻低于PFET；允許非常低的VIN和VOUT；較低的輸出阻抗可減輕負載極點的影響

可以在使用小容值外部電容時保持穩定；接地引腳電流可以保持很低；高DC增益和不錯的帶寬

要求輸入電壓高于輸出電壓（高出的值取決于傳輸MOS的VGS要求）

接地引腳電流不隨輸出負載電流變化；不需要任何的輸出電容器（為了動態響應更優良建議還是使用）

4.PMOS型的LDO

在上面的NMOS LDO中，NMOS由于它的源極和門級之間的導通門限，使簡單構成的NMOS LDO它輸入和輸出之間的壓差不可能很小，必須大于這個導通門限，如果我們引入一個單個的偏置電壓對某些應用來說又是一個負擔。因此我們可以引用另外一種方式，也就是PMOS構成的LDO來減少這一部分使能。由于PMOS它的輸入端是接在它的源極上（如下圖1-8），而門級是需要低于源極才能使它導通，所以這個就是PMOS的LDO在驅動上天生的要比NMOS的LDO簡單。同樣的，驅動門限是不會隨負載電流電流的變化而改變。

圖1-8：PMOS型LDO

小結4.0：NMOS型LDO的特點

要求輸入高于輸出電壓（基于負載電流和傳輸元件的導通電阻：VIN＞RDS(ON)*IOUT）

要求輸出電壓高于傳輸元件的VGS需求

要求慎重的選擇輸出電容數值和ESR額定值

為了實現相似的RDS（on）性能，PMOS晶體管所需的晶片面積將大于NMOS晶體

許多業界標準的線性穩壓器采用單電壓供電執行低壓差工作，但大多數無法同時實現低輸出噪聲、極低電壓轉換、寬范圍輸入/輸出以及廣泛的保護功能。PMOSLDO可實現壓降并在單電源下運行，但在低輸入電壓下受到傳輸晶體管VGS特性的限制，并且它們不具備高性能LDO所提供的許多保護功能?；贜MOS的器件可提供快速瞬態響應，但它們需要兩個偏置電源為器件供電。NPNLDO可提供寬輸入和輸出電壓范圍，但它們需要兩個電源電壓或具有更高的壓差。相比之下，通過適當的設計架構，PNPLDO可實現低壓差、高輸入電壓、高PSRR以及極低的電壓轉換，具有多重保護功能，并且只需要單電源。