1.线性稳压器

1.1 工作原理

LDO是线性稳压器的一种，先来介绍线性稳压器。
线性稳压器，顾名思义，开关管工作在线性区的输出电压稳定的电路。与开关电源是相对应的，开关电源的开关管工作在开关状态。
以下面的线性稳压器原理图为例来说明工作原理。
工作原理：若输入电压增加，输出电压增加，Vbe减小，ib减小，Uce增加，Uo减小，从而维持输出电压稳定。若负载增加，输出电压增加，同上分析。

三极管和稳压管之间的电阻作用是限制流过稳压管的电流，避免稳压管过电流击穿。
线性稳压器的特点：

• 开关管工作在线性区 ，噪声问题小，也没有电压电流交叉损耗
• 导通损耗大
• 体积小，后级不需要电感
• 降压电路

2. LDO

LDO:Low dropout 低压差稳压器
LDO是线性稳压器的一种，只不过压差比较小，一般把压差小于200mV的线性稳压器叫LDO.

2.1 LDO分类

LDO的最大优点是实现输出很好的跟随输入.
LDO分类：主要有NPN LDO（严格讲叫NPN线性调节器），PNP LDO，NMOS LDO,PMOS LDO

2.1.1 NPN LDO

工作原理：当输出分压低于Vref时，PNP饱和导通，而Q2的NPN由于Vc>Vb所以放大状态，同理Q1 NPN也成放大状态。当分压高于Vref时，Q1导通程度减小，输出得不到足够的电压供给，电压降低。
此电路有如下特点：

• PNP给NPN提供偏置
• 工作电流小
• dropout电压2Vbe（0.7+0.7）+Vcesat(0.3V) ,所以输入输出电压差大
• 静态电流随负载电流的变化而变化，主要是影响NPN,PNP的导通程度
  

2.1.2 PNP LDO

工作原理：将NPN换为PNP,其他原理类似。

• PNP比NPN drop out电压低
• 饱和导通电流大，输入电流大
• PNP导通压降小
• 负载调整率差，因为是饱和导通
• 需要加输出电容，因为阻抗比较大，这会增加零极点。
  

2.1.3 NMOS LDO

将NPN换为NMOS，即变成NMOS LDO.
特点如下：

• 需偏置电压以上拉 N-FET
• 接地引脚电流不随输出负载电流而变化；
• 不需要任何的输出电容器（但为了动态响应更好还是使用一个）
  

2.1.4 PMOS LDO

将NMOS换为PMOS,即为PMOS LDO。
特点如下：

• 要求输出电压高于传输元件的 VGS 需求；
• 要求谨慎地选择输出电容数值和 ESR 额定值；
• 为了实现相似的 RDS（on） 性能， PMOS 晶体管所需的晶片面积将大于 NMOS 晶体管；
• 较大的晶片面积将影响定价，并有可能对性能产生影响
  

2.2 LDO 相关参数

由于最近要进心LDO芯片测试，以TI的技术文档为参考，进行详细剖析。
1.Dropout压差
压差电压是保持输出稳定的输入输出最小压差值。压差值越小，性能越好。
dropout的变化跟器件本身有关。

2.负载调整率
负载变化，输出电压变化。变化的电压除以变化的电流即为负载调整率。负载调整率越小，输出电压受负载变化的影响越小。从0到满载变化最worse。

3.线性调整率
输入变化，输出电压变化。变化的输出电压除以变化的输入电压即为输入调整率。线性调整率越小，输出电压受输入电压变化的影响越小。

4.效率
输入功率包括负载和静态功率

一般静态电流Iq远小于Iload,所以其效率一般为Vo/Vin，所以输入输出电压差越大，损耗越小，效率越高，跟负载关系不大。

5.静态电流
LDO无载时维持稳压器工作电流，主要是流经GND的电流。静态工作电流为输入电流与输出电流之差。
静态电流来源于各种偏置电流如误差放大器电流 ，采样电阻电流，门极驱动电流这些都是对功率输出没有意义的，只会降低效率。
BJT型LDO的静态电流跟负载有关，负载越大，静态电流越大，因为三极管是电流驱动型，而mos型的LDO静态电流跟负载几乎没有关系，因为是电压控制器。

6.PSRR
PSRR（power supply rejection ratio）电源抑制比.
表征稳压器对输入电压纹波噪声的抑制。是输入与输出交流分量的比值，越大，抑制噪声效果越好，受负载，pcb布局，频率电压等的影响


噪声来源于带隙（band gap）参考电压源和误差放大器，加一个低通滤波器可减小噪声。
PSRR的测试可以把LDO当作滤波器，注入纹波不能太小，否则精度不高，输入电容会衰减高频纹波，需减小输入电容.
测试方法：在LDO的输入电压中加入一定频率和峰值的交流电压，测量LDO中峰峰值，

7.精度
输出电压与实际电压的差。

8.噪声
LDO噪声非常小，一般只有几百个uV。可以在输出加上0.01uF和4.7uF的电容滤除。
LDO噪声来源：
LDO 的噪声分为 LDO 内部的噪声和 LDO 外部的噪声。LDO 内部的噪声来自于内部电路的带隙基准源，放大器以及晶体管。LDO 外部的噪声来自于输入，其中带隙基准源产生的噪声为主要噪声。

LDO 噪声抑制方法：

• 降低误差放大器的带宽，但是降低带宽会使 LDO 的动态性能
  降低。
• 在带隙基准源和误差放大器之间加低通滤波。
• 在反馈电阻 R1 上增加前馈电容CFF。CFF 越大，输出噪声就越小。频率越高，输出噪声越小。一般选择几十pF，按厂家的手册来。
  
  2021.5.18
  PS:最近好几次都碰到芯片测试时，LDO有纹波或者振荡的情况。并且有稳定的频率，但是LDO又不是DCDC,所以纹波到底来自于哪里呢？
  1）来自参考电压源
  
  为了减小参考电压上的噪声，有的LDO会加入一路 noise-reduction (NR) 引脚。如下图所示。
  
  加入RC后，噪声幅值减小。电容的值一般为pF级。
  
  

2）来自反馈环路各种噪声

2.3 LDO 设计

2.3.1 LDO的设计要点

• 确定dropout电压
• 选择合适的拓扑 根据PSRR，静态功耗等设计参数
• 确定封装以满足散热
  需要避免Vin<Vo+Vdrop,否则会产生如下影响
• 动态性能差
• 负载调整率差

3.环路补偿

3.0 LDO的小信号模型

以PNP型LDO为例说明。下面是PNP LDO 等效电路图。

LDO的传递函数可以分为三个部分考虑：
1）误差放大器带来的传递函数
里面的组成部分主要是运放，将其当作单级跨导运放来分析。

传递函数为

2)驱动电路带来的传递函数
驱动管的小信号模型如下：

传递函数为


3）反馈带来的传递函数

传递函数为

总结如下

Z1,P3比较大，可以忽略。
P1中C1为运放输出点的等效电容，P2中等效电阻为PMOS管电阻，反馈电阻和负载电阻的并联。负载电阻变化时，输出极点就会变化。
总的来说，LDO自身有两个极点，一个是误差放大器输出电阻电容带来的，一个是输出电阻电容带来的。

3.1 NPN调节器补偿

NPN调节器的输出阻抗很小，所以极点频率高。

1. 环路增加一个主极点补偿
   P1是环路中加补偿电容产生的，主极点一般为100Hz
2. P2为功率极点，电路固有
3. 相位裕量比较大
   

3.2 PNP LDO补偿

1.PNP需要加输出电容，所以会与负载形成一个极点。极点频率如下：

2.内部补偿极点为P1
3.PNP驱动带来的功率极点为P2

4.为了有足够的相位裕量需要增加零点，
零点是电容ESR带来的，零点频率为：

从上面可知输出电容及其ESR的选择极为重要，会影响PNP LDO的稳定性。
典型的ESR范围如下：

太大不稳定，一般>10Ω。
假设ESR太大，导致零点频率为P1或者PL，相当于没改变，相位裕量还是很小。如下图所示：

太小 ，也不稳定
假设ESR太小，一般<50mΩ，零点频率到达功率极点，那对穿越频率的相位裕量一点帮助都没有，所以也不稳定。

对于输出电容的选择，一般选择4.7uF的钽电容，ESR只有1Ω左右。

3.3 LDO环路测试

有两种方法：一是变压器注入，二是高精度注入
变压器注入如下：


注入纹波测试时，不能太小，否则测不准，不能采用大的输入电容，否则衰减高频纹波。

参考资料：
《Understanding the Terms and Definitions of LDO Voltage Regulators》----TI
《AN-1148 Linear Regulators: Theory of Operation and
Compensation》----TI
《Understanding noise in linear regulators》-TI