在電子電路設(shè)計(jì)中，電壓穩(wěn)定是保障設(shè)備正常運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一。LDO（低壓差線性穩(wěn)壓器）作為一種重要的電源管理元件，在眾多領(lǐng)域發(fā)揮著不可或缺的作用。本文將深入探討 LDO 的工作原理，并詳細(xì)對比 PMOS LDO 和 NMOS LDO 的特性。

什么是 LDO

LDO，即低壓差線性穩(wěn)壓器，其英文全稱是 Low Dropout Regulator。它的輸入和輸出均為直流，具有較低的壓降，主要用于穩(wěn)壓。LDO 包含三個(gè)基本功能元件：一個(gè)參考電壓、一個(gè)通路元件和一個(gè)誤差信號放大器，如下圖所示。

在 LDO 穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)中，通常有四種不同的通路元件，分別是基于 NPN 型晶體管的穩(wěn)壓器、基于 PNP 型晶體管的穩(wěn)壓器、基于 NMOS 的穩(wěn)壓器和基于 PMOS 的穩(wěn)壓器。

一般來說，基于晶體管的穩(wěn)壓器比基于 MOSFET 的穩(wěn)壓器具有更高的壓差。而且，基于晶體管的穩(wěn)壓器的晶體管通路元件的基極驅(qū)動(dòng)電流與輸出電流成比例，這會(huì)直接影響其靜態(tài)電流。相比之下，MOSFET 通路元件使用隔離柵極驅(qū)動(dòng)的電壓，使得其靜態(tài)電流顯著低于基于晶體管的穩(wěn)壓器。

LDO 的工作原理

以 PMOS LDO 為例，其工作原理基于負(fù)反饋系統(tǒng)。當(dāng)輸出電壓 Vout 由于負(fù)載變化或其他原因下降時(shí)，誤差放大器同相端電壓會(huì)同比例減小，誤差放大器的輸出也會(huì)隨之減小，導(dǎo)致 PMOS 的源柵電壓 Vsg 增大。由于 Vsg 增大時(shí)，導(dǎo)通電阻將減小（電流增大），這時(shí)輸出電壓將回升。同理，當(dāng)輸出電壓 Vout 上升時(shí)，誤差放大器同相端電壓會(huì)同比例增加，誤差放大器輸出增加，Vsg 減小，導(dǎo)通電阻增大（電流減?。敵鲭妷簩⒒芈?。

在穩(wěn)態(tài)時(shí)，誤差放大器同相端和反相端的電壓相等，可以得到輸出電壓 Vout = Vref * (1 + R1/R2)。在動(dòng)態(tài)過程中，輸出電壓的變化將改變 PMOS 的漏源電阻，漏源電阻的變化反過來調(diào)節(jié)輸出電壓直至穩(wěn)定。

PMOS LDO 與 NMOS LDO 特性對比

• 導(dǎo)通電壓的差異：對于 PMOS LDO，在特定點(diǎn)，誤差放大器輸出將在接地端達(dá)到飽和狀態(tài)，無法驅(qū)動(dòng) Vgs 進(jìn)一步負(fù)向增大，此時(shí) Rds 已達(dá)到值。將此 Rds 值與輸出電流 Iout 相乘，可得到壓降電壓。通過提升輸入電壓，可以使 Vgs 值負(fù)向增大，因此 PMOS 架構(gòu)在較高的輸出電壓下具有較低的壓降。
  

  

  
  而對于 NMOS LDO，在特定點(diǎn)，Vgs 無法再升高，因?yàn)檎`差放大器輸出在電源電壓 Vin 下將達(dá)到飽和狀態(tài)，此時(shí) Rds 處于值。NMOS LDO 輸入與輸出的壓差要大于 MOS 管的導(dǎo)通門限，相比 PMOS 大很多。
  

  

  
  很多 NMOS LDO 采用輔助電壓軌，即偏置電壓 Vbias，此電壓軌用作誤差放大器的正電源軌，并支持其輸出一直擺動(dòng)到高于 Vin 的 Vbias，從而在低輸出電壓下達(dá)到超低壓降。
  

  

  
  有時(shí)未提供輔助電壓軌，但仍需在較低輸出電壓下達(dá)到低壓降，此時(shí)可用內(nèi)部電荷泵代替 Vbias，電荷泵將提升 Vin，以便誤差放大器在缺少外部 Vbias 電壓軌的情況下仍可生成更大的 Vgs 值。
  

  

• 導(dǎo)通電阻與導(dǎo)通損耗：NMOS 的載流子為電子，PMOS 的載流子為空穴。由于 n 型半導(dǎo)體的電子濃度比 p 型半導(dǎo)體高，所以 NMOS 的電子遷移率比 PMOS 高。在相同尺寸條件下，NMOS 管溝道導(dǎo)通電阻比 PMOS 小，開關(guān)導(dǎo)通損耗相應(yīng)也小，過流能力更強(qiáng)。換句話說，在驅(qū)動(dòng)相同電流時(shí)，PMOS 版圖面積比 NMOS 大。器件面積會(huì)影響導(dǎo)通電阻、輸入輸出電容，這些參數(shù)容易導(dǎo)致電路延遲。
• 瞬態(tài)響應(yīng)與負(fù)載調(diào)整率：NMOS LDO 的負(fù)載調(diào)整率、瞬態(tài)響應(yīng)等動(dòng)態(tài)指標(biāo)更好。NMOS 型 LDO 系統(tǒng)環(huán)路的單位增益帶寬較大，具有很好的瞬態(tài)響應(yīng)能力。
• 電源抑制能力：NMOS 型功率管采用源跟隨接法，具有較好的電源抑制能力。
• 適用場景：PMOS LDO 適合輕載，尤其是超低靜態(tài)電流場合；NMOS LDO 更適合大電流輸出以及高速開關(guān)應(yīng)用。
• 成本差異：PMOS 晶圓的制造成本與 NMOS 晶圓幾乎相同，但對于相同的導(dǎo)通電阻 Rdson，PMOS 需要更大的 die，因?yàn)?PMOS 的空穴遷移率較低。所需 die 更大，每個(gè)晶圓生產(chǎn)出的 die 會(huì)更少，所以相同 Rdson 的 PMOS 的 die 成本更高，價(jià)格更貴。不過，在一些電路應(yīng)用中，如果對 Rdson 要求不高，且使用 NMOS 需要升壓驅(qū)動(dòng)（如使用 charge pump），此時(shí)整體成本用 PMOS 可能更有優(yōu)勢，需具體情況具體分析。