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原文来自原创书籍:《硬件设计指南 从器件认知到手机基带设计》
1. NMOS LDO原理概括
图2-16是一个NMOS LDO的基本框图,在1.4节中已经介绍了NMOS特点,在开关结构电源中MOS是工作在开关状态,在LDO电源中MOS工作在饱和区,注意:LDO一定是工作在饱和区(特殊情况会在可变电阻区),所以VG要大于VS,因此NMOS LDO除了有Vi引脚,一般还会有个Vbias引脚来给MOS的G极提供高压驱动源;或者只有一个Vi,而LDO内部集成了CHARGE BUMP (电荷泵)来为G极提供高压驱动源。LDO大体工作流程如下:当Vo下降时,反馈回路中的VFB也会下降,误差放大器输出端VG就会增加,随着VG增加,MOS的电流IDS电流也增加,负载电流Io也会跟着增加,最终使得Vo又恢复到原始电平,总结状态如下:
Vo↓——>VFB↓——>VG↑——Io↑——>Vo↑
图2-16 NMOS LDO结构框图
2. NMOS LDO原理详细分析
NMOS LDO详细工作原理见图2-17,图中是NMOS的输出特性曲线,让我们结合图2-16图2-17分析。假设一开始LDO工作状态在A点,当负载电流突然增加时Vo下降,Vi不变,由于VDS=Vi-Vo,那么VDS就会增加,MOS工作点由A转移到B;紧接着反馈回路开始工作,Vo减小,VFB电压也跟着减小,经过误差放大器后,VG增加,由于VGS=VG-VS=VG-Vo,那么VGS也增加,从图2-17可以看到,随着VGS增加,MOS的电流IDS逐渐上升,进而使得VO逐渐升高、VDS逐渐减小,MOS工作点由B转移到C,LDO又回到原始工作电平,最终看到的现象就是VO的电压先降低,而后由上升回原始电平,实现了稳压的作用。
图2-18为某LDO工作过程的实测波形,从波形可以看到当负载电流突然增大时,LDO的输出电压被瞬间拉低,而后逐渐上升会原始的电平,实现了稳压电源的作用。
图2-17 NMOS LDO工作状态转移图
图2-18 实际LDO工作波形
3. NMOS LDO仿真
下面我们对NMOS LDO进行仿真,图2-19是简单的5V转3V的NMOS LDO仿真原理图,LDO的输入电压是5V;VBIAS偏置电压是7V,用于产生内部参考电压,经过330Ω的电阻限流后,使用稳压管稳定在2.25V,供给误差放大器。在输出是3V的前提下,经过反馈回路的分压电阻R1(333Ω)R3(1KΩ)作用下,VFB反馈电压是3*1000/(333+1000)=2.25V等于误差放大器同向端电压,当输出电压变化时VFB也会变化,进而使得误差放大器输出变化从而调节LDO的输出。换句话说,我们可以通过匹配反馈电阻R1和R3来设置输出电压。根据探针2可以看到,LDO输出直流电压是3.01V。
图2-19 NMOS LDO仿真原理图
图2-20是LDO输出波形图,浅色曲线是输出电压,当负载电流从37mA增加到200mA (1mV=1mA)过程中,LDO的输出电压基本不变,实现了我们需要的稳压功能。
图2-20 NMOS LDO输出波形
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