一、什么是LDO

LDO，英文全稱是Low Dropout Regulator, 即低壓差線性穩(wěn)壓器。輸入和輸出均為直流，壓降較低，可用于穩(wěn)壓。其包含三個基本功能元件：一個參考電壓、一個通路元件和一個誤差信號放大器，如下圖所示。

LDO穩(wěn)壓器設(shè)計中通常有四種不同的通路元件：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。

通常，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。另外，基于晶體管的穩(wěn)壓器的晶體管通路元件的基極驅(qū)動電流與輸出電流成比例。這會直接影響基于晶體管的穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流。相比之下，MOSFET 通路元件使用隔離柵極驅(qū)動的電壓，使其靜態(tài)電流顯著低于基于晶體管的穩(wěn)壓器。

二、LDO的工作原理

如下圖所示，以PMOS LDO為例分析其主要工作原理。可以看出這是一個負(fù)反饋系統(tǒng)：

當(dāng)輸出電壓Vout由于負(fù)載變化或者其他原因下降時，誤差放大器同相端電壓會同比例減小，誤差放大器的輸出也會隨之減小，PMOS的源柵電壓Vsg增大。由于Vsg增大時，導(dǎo)通電阻將減小（電流增大），這時輸出電壓將回升。

同理當(dāng)輸出電壓Vout上升時，誤差放大器同相端電壓會同比例增加，誤差放大器輸出增加。這時Vsg減小，導(dǎo)通電阻增大（電流減小），輸出電壓將回落。

穩(wěn)態(tài)時，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)。動態(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。

動態(tài)過程中輸出電壓是由PMOS的漏源電阻Rds調(diào)節(jié)的

三、PMOS LDO與NMOS LDO特性對比

1.導(dǎo)通電壓的差異

對于PMOS LDO，在特定的點，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Vgs進(jìn)一步負(fù)向增大。此時Rds已達(dá)到其最小值。將此Rds值與輸出電流Iout相乘，將得到壓降電壓。隨著Vgs負(fù)向增大，能達(dá)到的Rds值越低。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。

PMOS LDO結(jié)構(gòu)圖

而對于NMOS LDO，在特定的點，Vgs無法再升高，因為誤差放大器輸出在電源電壓Vin下將達(dá)到飽和狀態(tài)。達(dá)到此狀態(tài)時，Rds處于最小值。將此值與輸出電流Iout相乘，會獲得壓降電壓。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。

NMOS LDO結(jié)構(gòu)圖

很多NMOS LDO都采用輔助電壓軌，即偏置電壓Vbias，如下圖所示。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到高于Vin的Vbias。這種配置能夠使LDO保持較高Vgs，從而在低輸出電壓下達(dá)到超低壓降。

帶偏置電壓軌的NMOS LDO

有時并未提供輔助電壓軌，但仍然需要在較低的輸出電壓下達(dá)到低壓降。在這種情況下，可以用內(nèi)部電荷泵代替Vbias，如下圖所示。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以生成更大的Vgs值。

帶內(nèi)部電荷泵的NMOS LDO

2.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，也就是說，在相同的電場下，NMOS 中的電子速度比 PMOS 中的電子速度快。因此，在相同的尺寸條件下，NMOS管溝道導(dǎo)通電阻比PMOS要小，這樣開關(guān)導(dǎo)通損耗相應(yīng)也會比NMOS管要小，過流能力更強。

換句話說，在驅(qū)動相同的電流時，PMOS版圖面積比NMOS大。（器件面積會影響導(dǎo)通電阻、輸入輸出電容，而這些相關(guān)的參數(shù)容易導(dǎo)致電路的延遲）

3.瞬態(tài)響應(yīng)與負(fù)載調(diào)整率

NMOS LDO負(fù)載調(diào)整率、瞬態(tài)響應(yīng)等動態(tài)指標(biāo)會更好一些。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。

4.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。

5.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。

6.成本差異

PMOS晶圓的制造成本與NMOS晶圓幾乎相同。但是，與NMOS相比，對于相同的導(dǎo)通電阻Rdson，PMOS需要更大的die，原因就是上面說的PMOS的空穴遷移率較低。因為所需的die更大，所以每個晶圓的生產(chǎn)出的die會更少，所以對于相同Rdson的PMOS的die成本會更高。所以對于相同Rdson的NMOS和PMOS而言，PMOS價格會更貴。 在一些電路應(yīng)用中如果對于Rdson的要求不高，并且使用NMOS需要升壓驅(qū)動（比如使用charge pump）的話，此時可能整體成本用PMOS更有優(yōu)勢，所以還是要具體情況具體分析。