LDO的事理以及构成_电流_电压

1.什么是线性稳压器

图1-1：LDO的内部构造

如图1-1，LDO由偏差放大器（偏差检测用放大器）、基准电压源、输出晶体管三部分组成，与DCDC电路不同的是，输出晶体管的事情状态不是开关模式，而是线性事情模式，这一点许多人会进入认知误区，我们后面会再着重讲到。
作为一个标准的负反馈回路，当输入或负载发生变动而输出电压开始颠簸时，偏差放大器会连续比较来自输出电压的反馈电压和基准电压，并掌握输出功率晶体管使它们的差为零，从而保持输出电压Vout恒定。
这便是通过反馈环路掌握实现电压稳定（稳压）。
在反馈环路中，偏差放大器的同相引脚电压始终试图与VREF 相同，故流经Rdown的电流是恒定的。
流经Rup和Rdown的电流可以通过 VREF/Rdown求得，因此Vout是该电流乘以（Rup＋Rdown）所得的值。
这是遵照了欧姆定律，公式如下：

回到输出晶体管这部分，事情在线性区域的晶体管可以视为是一个压控电流源（MOS类型），掌握电路连续监视（检测）输出电压，并调节电流源（根据负载的需求）以把输出电压保持在期望的数值。
以是电流源的设计极限限定了稳压器在仍旧保持电压调节浸染的情形下所能供应的最大负载电流。
输出电压采取一个反馈环路进行掌握，其须要某种类型的补偿以确保环路稳定性。
大多数线性稳压器都具有内置补偿功能电路，无需外部组件就能保持完备稳定。
某些稳压器（比如低压降型）则确实须要在输出引脚和地之间连接一些外部电容以确保稳压器的稳定性。

2、LDO的模型与拓扑

1.NPN型的LDO

NPN型的LDO分两大类：一种是用达林顿管做的LDO，由于当时的单个晶体管的放大倍数不是很大，以是要用达林顿管来构成更大的放大倍数。
在这里不谈论达林顿管构成的LDO；另一种便是单个NPN 型晶体管构成的LDO。

图1-2：NPN型LDO

图1-2是NPN型的LDO架构图，从图可知经由输出采样之后，通过一个小旗子暗记NPN三极管来掌握一个PNP型的前级晶体管，这个前级的晶体管再通过集电极的电流来掌握NPN晶体管。
在上图中Q2集电极和发射极之间的电压VCE(Q2)一定会叠加在功率三极管Q1的集电极和基极之间的电压VCB(Q1)上面。
这两个电压的叠加是我们能在掌握一个稳定电压的情形下，决定输入电压最低是多少的两个身分。

图1-3是描述的是 NPN“准LDO”在一个5mA和500mA的负载电流下需求的驱动电流。
从下图可以看到，在不同的条件下，我们须要芯片本身的静态电流产生若何的变革才能对这样负载的变革有一个比较好的调度。
可见在NPN型的LDO中，芯片的静态电流是会随负载电流的增加而增加的，而且是成比例增加的。
当然在NPN型的三极管当中这种电流的总体的绝对值也是比较小的，就像这里例子里面的就算它的负载电流达到500mA，它的静态电流也小于1mA 。

图1-3：左边为5mA负载，右边为500mA负载

小结1.0：NPN准LDO具有如下特性

2.NPN型的LDO

图1-4：PNP型LDO

一个PNP型的LDO它的压控恒流源是由一个功率型的PNP管(Q1)来构成（图1-4），同时在它的基极也会连接一个对地的NPN型的晶体管(Q2)，这便是一个范例的PNP型LDO的架构。
在上图右边它一样是由两电阻来检测电压，然后把它放进偏差放大器里面和一个基准作比较，放大之后对Q2进行掌握。
Q2集电极上的电流会掌握Q1上基极的电流。
由于功率晶体管(Q1)是PNP型的晶体管，它的集电集输出，因此由于它的这种构造它的输出阻抗是比较大的。
在这种输出阻抗比较大的情形下，我们必须给输出增加输出电容器，也要掌握这个电容器的ESR掌握在一定范围之内，才能担保这种LDO的事情稳定。

图1-5是描述的是PNP型LDO在一个5mA和500mA的负载电流下需求的静态电流。
由于PNP型的静态电流，也便是它的功率晶体管(Q1)基极对地流出的电流，直接决定了它的集电极能够给负载供应的电流，而这个输出电流也决定于基极和发射极电流之间的β比。
因此我们也可以看到NPN型LDO的静态电流是远远大于NPN型的LDO的。
由下图我们可以看到当在5mA负载电流情形下它的静态电流已经远远大于1mA了。
由下图我们也可以看到PNP型的LDO中和在NPN型的LDO中一样，芯片的静态电流也是会随负载电流的增加而增加的，而且是成比例的增加。

图1-5：左边为5mA负载，右边为500mA负载

小结2.0：NPN准LDO具有如下特性

3.NMOS型的LDO

图1-6：NMOS型LDO

图1-6从功率型晶体管变成了NMOS，构造没有变革，在全体线路里面对输入于输出的压差构成限定的不再是晶体管的基极与发射极之间的结压降，而是MOS管里面门级到漏极之间的最小压差。
图1-7大略表示了经由NMOS传输元件流至负载的电流。
这里所利用的栅极至源极电压(VGS)用于解释事理。
NMOS LDO它同样是采取一对电阻来采样输出电压，把它送入偏差放大器的输入端，接着和一个基准做比较，然后在偏差放大器里面进行放大，末了产生一个电压旗子暗记来掌握NMOS的门级。
实际的栅极至源极电压将取决于所利用的制造工艺以及设计考虑成分。
一个标准的NMOS传输晶体管实际年夜将由几千个并联的单独晶体管组成。

图1-7：NMOS传输元件流至负载的电流流向

与晶体管对付高负载和低负载所须要的驱动电流变革大不同，NMOS LDO在一个50mA和3A的负载电流下需求的静态电流差不多，虽然这种负载的变革是比较大的，但是在静态电流上险些是没什么变革的，由于N型MOS我们只须要用电压旗子暗记来掌握，这个电压旗子暗记不须要花费偏差放大器里面本身的电流。
因此我们可以看出由NMOS构成的LDO相对付晶体管而言它的静态电流是它一个最大的上风。

小结3.0：NMOS型LDO的特点

4.PMOS型的LDO

在上面的NMOS LDO中，NMOS由于它的源极和门级之间的导通门限，使大略构成的NMOS LDO它输入和输出之间的压差不可能很小，必须大于这个导通门限，如果我们引入一个单个的偏置电压对某些运用来说又是一个包袱。
因此我们可以引用其余一种办法，也便是PMOS构成的LDO来减少这一部分使能。
由于PMOS它的输入端是接在它的源极上（如下图1-8），而门级是须要低于源极才能使它导通，以是这个便是PMOS的LDO在驱动上天生的要比NMOS的LDO大略。
同样的，驱动门限是不会随负载电流电流的变革而改变。

图1-8：PMOS型LDO

小结4.0：NMOS型LDO的特点

许多业界标准的线性稳压器采取单电压供电实行低压差事情，但大多数无法同时实现低输出噪声、极低电压转换、宽范围输入/输出以及广泛的保护功能。
PMOSLDO可实现压降并在单电源下运行，但在低输入电压下受到传输晶体管VGS特性的限定，并且它们不具备高性能LDO所供应的许多保护功能。
基于NMOS的器件可供应快速瞬态相应，但它们须要两个偏置电源为器件供电。
NPNLDO可供应宽输入和输出电压范围，但它们须要两个电源电压或具有更高的压差。
比较之下，通过适当的设计架构，PNPLDO可实现低压差、高输入电压、高PSRR以及极低的电压转换，具有多重保护功能，并且只须要单电源。