LDO------LDO的原理以及構(gòu)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(guān)電源產(chǎn)生的電壓紋波，在處理許多非常小的信號應(yīng)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(wěn)壓器

圖1-1：LDO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

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(tài)不是開關(guān)模式，而是線性工作模式，這一點許多人會進入認知誤區(qū)，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(fā)生變動而輸出電壓開始波動時，誤差放大器會連續(xù)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(huán)路控制實現(xiàn)電壓穩(wěn)定（穩(wěn)壓）。在反饋環(huán)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(jīng)Rdown的電流是恒定的。流經(jīng)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(qū)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(xù)監(jiān)視（檢測）輸出電壓，并調(diào)節(jié)電流源（根據(jù)負載的需求）以把輸出電壓保持在期望的數(shù)值。所以電流源的設(shè)計極限限定了穩(wěn)壓器在仍然保持電壓調(diào)節(jié)作用的情況下所能供應(yīng)的最大負載電流。輸出電壓采用一個反饋環(huán)路進行控制，其需要某種類型的補償以確保環(huán)路穩(wěn)定性。大多數(shù)線性穩(wěn)壓器都具有內(nèi)置補償功能電路，無需外部組件就能保持完全穩(wěn)定。某些穩(wěn)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(wěn)壓器的穩(wěn)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(shù)不是很大，所以要用達林頓管來構(gòu)成更大的放大倍數(shù)。在這里不討論達林頓管構(gòu)成的LDO；另一種就是單個NPN 型晶體管構(gòu)成的LDO。

圖1-2：NPN型LDO

圖1-2是NPN型的LDO架構(gòu)圖，從圖可知經(jīng)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(fā)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(wěn)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(qū)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(tài)電流產(chǎn)生怎樣的變化才能對這樣負載的變化有一個比較好的調(diào)整?？梢娫贜PN型的LDO中，芯片的靜態(tài)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(tài)電流也小于1mA 。

圖1-3：左邊為5mA負載，右邊為500mA負載

小結(jié)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(wěn)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(gòu)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(gòu)。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(jié)構(gòu)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(nèi)，才能保證這種LDO的工作穩(wěn)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(tài)電流。由于PNP型的靜態(tài)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(fā)射極電流之間的β比。因此我們也可以看到NPN型LDO的靜態(tài)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(tài)電流已經(jīng)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(tài)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(jié)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(shù)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(jié)構(gòu)沒有變化，在整個線路里面對輸入于輸出的壓差構(gòu)成限制的不再是晶體管的基極與發(fā)射極之間的結(jié)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(jīng)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(chǎn)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(shè)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(lián)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(qū)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(tài)電流差不多，雖然這種負載的變化是比較大的，但是在靜態(tài)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(gòu)成的LDO相對于晶體管而言它的靜態(tài)電流是它一個最大的優(yōu)勢。

小結(jié)3.0：NMOS型LDO的特點

要要偏置電壓用來上拉NFET

NFET的導(dǎo)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(wěn)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(tài)響應(yīng)更優(yōu)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(dǎo)通門限，使簡單構(gòu)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(dǎo)通門限，如果我們引入一個單個的偏置電壓對某些應(yīng)用來說又是一個負擔(dān)。因此我們可以引用另外一種方式，也就是PMOS構(gòu)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(dǎo)通，所以這個就是PMOS的LDO在驅(qū)動上天生的要比NMOS的LDO簡單。同樣的，驅(qū)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(jié)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(dǎo)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(shù)值和ESR額定值

為了實現(xiàn)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(yè)界標準的線性穩(wěn)壓器采用單電壓供電執(zhí)行低壓差工作，但大多數(shù)無法同時實現(xiàn)低輸出噪聲、極低電壓轉(zhuǎn)換、寬范圍輸入/輸出以及廣泛的保護功能。PMOSLDO可實現(xiàn)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(tài)響應(yīng)，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?shù)脑O(shè)計架構(gòu)，PNPLDO可實現(xiàn)低壓差、高輸入電壓、高PSRR以及極低的電壓轉(zhuǎn)換，具有多重保護功能，并且只需要單電源。