本文介紹低壓差穩(wěn)壓器（LDO）的基本結(jié)構(gòu)和使用技巧以確保其穩(wěn)定工作,。我們還討論ADI公司LDO系列產(chǎn)品的設(shè)計(jì)特點(diǎn),，這些特點(diǎn)可提供一種保持動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和直流（DC）穩(wěn)定性的靈活方法。

問(wèn)：什么是LDO,？如何使用它們,？

答：穩(wěn)壓器用于提供一種不隨負(fù)載阻抗、輸入電壓,、溫度和時(shí)間變化而變化穩(wěn)定的電源電壓,。低壓差穩(wěn)壓器因其能夠在電源電壓（輸入端）與負(fù)載電壓（輸出端）之間保持微小壓差而著稱(chēng)。例如,，如果鋰電池電壓從4.2 V（全充電）下降到2.7V（幾乎全放電）,，而LDO可在負(fù)載端保持2.5 V恒定電壓。

便攜式應(yīng)用的日益增加使得設(shè)計(jì)工程師考慮使用LDO保持所需的系統(tǒng)電壓,，而與電池充電狀態(tài)無(wú)關(guān)。便攜式系統(tǒng)不是受益于LDO的唯一應(yīng)用,，任何需要穩(wěn)定恒定電壓,，同時(shí)使上流電源電壓最小（或者能處理上流電源大幅度波動(dòng)）的設(shè)備都可以考慮使用LDO,。典型實(shí)例包括使用數(shù)字和射頻（RF）負(fù)載的電路,。

“線性”串聯(lián)穩(wěn)壓器（見(jiàn)圖1）通常包括一個(gè)基準(zhǔn)電壓源、一個(gè)比例輸出電壓與基準(zhǔn)電壓比較環(huán)節(jié),、一個(gè)反饋放大器和一個(gè)串聯(lián)調(diào)整管組成（雙極型晶體管或FET管）組成,，用放大器控制穩(wěn)壓器的壓降維持要求的輸出電壓值。例如,，如果負(fù)載電流下降,，會(huì)引起輸出電壓顯著上升，誤差電壓增大,，放大器的輸出上升,，調(diào)整管兩端的電壓會(huì)增加，因此輸出電壓回到其原始值,。

圖1. 基本的增強(qiáng)型PMOS LDO

在圖1中,，誤差放大器和PMOS晶體管構(gòu)成壓控電流源。輸出電壓V_OUT按分壓比（R₁,，R₂）成比例下降,，并且將其與基準(zhǔn)電壓（V_REF）比較,。誤差放大器的輸出控制增強(qiáng)型PMOS晶體管。

穩(wěn)壓器的“壓差”是指輸出電壓與輸入電壓之間的壓差,，如果此輸入電壓繼續(xù)減小那么該電路便不能穩(wěn)壓,。通常認(rèn)為當(dāng)輸出電壓下降到低于標(biāo)稱(chēng)值100 mV時(shí)是達(dá)到的目標(biāo)。表征這LDO穩(wěn)壓器的關(guān)鍵指標(biāo)取決于負(fù)載電流和調(diào)整管的PN結(jié)溫度,。

問(wèn)：如何根據(jù)壓差對(duì)穩(wěn)壓器分類(lèi),？

答：我們建議分為三類(lèi)：標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)壓器、準(zhǔn)LDO和LDO,。

標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)壓器,，通常使用NPN調(diào)整管，通常輸出管的壓降大約為2 V,。

準(zhǔn)LDO穩(wěn)壓器,，通常使用達(dá)林頓復(fù)合管結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖2）以便實(shí)現(xiàn)由一只NPN晶體管和一只PNP 晶體管組成的調(diào)整管。這種復(fù)合管的壓降,，V_SAT (PNP) ＋ V_BE (NPN)通常大約為1 V——比LDO高但比標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)壓器低,。

圖2. 準(zhǔn)LDO電路

LDO穩(wěn)壓器通常根據(jù)壓差要求作最佳選擇，通常壓差在100 mV～200 mV范圍,。然而,，LDO的缺點(diǎn)是其接地引腳的電流通常比準(zhǔn)LDO或標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)壓器大。

標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)壓器比其它類(lèi)型穩(wěn)壓器具有較大的壓差,，較大的功耗和較低的效率,。大多數(shù)情況下可使用LDO穩(wěn)壓器代替標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)壓器，但是應(yīng)該考慮到LDO穩(wěn)壓器的最大輸入電壓指標(biāo)比標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)壓器低,。此外,，有些LDO需要精心挑選外部電容器以保持穩(wěn)定性。這三種類(lèi)型穩(wěn)壓器在帶寬和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性考慮因素方面也有些不同,。

問(wèn)：如何為我的應(yīng)用選擇最佳穩(wěn)壓器,？

答：為特定的應(yīng)用選擇合適的穩(wěn)壓器，需要考慮輸入電壓的類(lèi)型和范圍（例如穩(wěn)壓器前面的DC/DC變換器或開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓）,。其它重要考慮因素是：需要的輸出電壓,、最大負(fù)載電流、最小壓差,、靜態(tài)電流和功耗,。通常，穩(wěn)壓器的附加功能可能很有用,，例如待機(jī)引腳或指示穩(wěn)壓失效的錯(cuò)誤標(biāo)志,。

為了選擇合適類(lèi)型的LDO，需要考慮輸入電壓源,。在電池供電應(yīng)用中,，當(dāng)電池放電時(shí),，LDO必須維持所需的系統(tǒng)電壓。如果DC輸入電壓是由經(jīng)過(guò)整流的AC電源提供,，那么壓差并不重要,，因此標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)壓器可能是更好的選擇，因?yàn)槠涓鼉r(jià)格較低并且可以提供較大的負(fù)載電流,。但是如果需要較低功耗或較精密的輸出電壓,，則LDO是合適的選擇。

當(dāng)然,，穩(wěn)壓器應(yīng)該在最壞工作環(huán)境達(dá)到規(guī)定精度的條件下能夠?yàn)樨?fù)載提供足夠大的電流,。

LDO結(jié)構(gòu)
在圖1中，調(diào)整管是PMOS晶體管,。然而,，穩(wěn)壓器可能使用各種類(lèi)型的調(diào)整管，因此可以根據(jù)所使用的調(diào)整管類(lèi)型對(duì)LDO分類(lèi),。不同結(jié)構(gòu)和特性的LDO具有不同的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn),。

四種類(lèi)型調(diào)整管示例如圖3所示，包括NPN雙極型晶體管,、PNP雙極型晶體管,、復(fù)合晶體管和PMOS晶體管。

圖3. 調(diào)整管示例

對(duì)于給定的電源電壓,，雙極型調(diào)整管可提供最大的輸出電流,。PNP優(yōu)于NPN，因?yàn)镻NP的基極可以與地連接,，必要時(shí)使晶體管完全飽和。NPN的基極只能與盡可能高的電源電壓連接,，從而使最小壓降限制到一個(gè)V_BE結(jié)壓降,。因此，NPN管和復(fù)合調(diào)整管不能提供小于1 V的壓差,。然而它們?cè)谛枰獙拵捄涂谷菪载?fù)載干擾時(shí)非常有用（因?yàn)樗鼈兙哂械洼敵鲎杩筞_OUT特性）,。

PMOS和PNP晶體管可以快速達(dá)到飽和，從而能使調(diào)整管電壓損耗和功耗最小,，從而允許用作低壓差,、低功耗穩(wěn)壓器。PMOS調(diào)整管可以提供盡可能最低的電壓降,，大約等于R_DS(ON)×I_L,。它允許達(dá)到最低的靜態(tài)電流。PMOS調(diào)整管的主要缺點(diǎn)是MOS晶體管通常用作外部器件 —— 特別當(dāng)控制大電流時(shí) —— 從而使IC構(gòu)成一個(gè)控制器,，而不能構(gòu)成一個(gè)自身完整的穩(wěn)壓器,。

一個(gè)完整穩(wěn)壓器的總功耗是

P_D = (V_IN -V_OUT ) I_L + V_IN I_GND

上面關(guān)系式的第一部分是調(diào)整管的功耗,；第二部分是電路控制器部分的功耗。有些穩(wěn)壓器的接地電流,，特別是那些用飽和雙極型晶體管作調(diào)整管的穩(wěn)壓器,，會(huì)在上電期間達(dá)到峰值。

問(wèn)：如何確保LDO的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性,？

答：適合普通應(yīng)用的傳統(tǒng)LDO穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)存在穩(wěn)定性問(wèn)題,。這個(gè)問(wèn)題是由于反饋電路的性能、多種可能的負(fù)載,、環(huán)路中元件的變化和難于獲得具有一致性參數(shù)的精密補(bǔ)償,。下面將討論這些考慮因素，然后介紹可提高穩(wěn)定性的anyCAP®電路的結(jié)構(gòu),。

LDO通常使用一個(gè)反饋環(huán)路在輸出端提供一個(gè)與負(fù)載無(wú)關(guān)的恒定電壓,。因?yàn)閷?duì)于任何高增益反饋環(huán)路來(lái)說(shuō)，環(huán)路增益?zhèn)鬟f函數(shù)中極點(diǎn)和零點(diǎn)的位置都決定其穩(wěn)定性,。

基于NPN管的穩(wěn)壓器具有低阻抗射極負(fù)載輸出,，傾向于對(duì)輸出容性負(fù)載很不敏感。然而,，基于PNP管和PMOS管的穩(wěn)壓器具有較大的輸出阻抗（在基于PNP管的穩(wěn)壓器中具有高阻抗集電極負(fù)載）,。此外，環(huán)路增益和相位特性強(qiáng)烈依賴(lài)負(fù)載阻抗,，因此對(duì)于穩(wěn)定性問(wèn)題需要特別考慮,。

基于PNP管的LDO和基于PMOS管的LDO的傳遞函數(shù)具有幾個(gè)影響穩(wěn)定性的極點(diǎn)：

• 主極點(diǎn)（圖4中的P0）由誤差放大器決定；它是由放大器的g_m通過(guò)內(nèi)部補(bǔ)償電容C_COMP一起控制和確定的,。主極點(diǎn)對(duì)上述所有LDO結(jié)構(gòu)都是共同的,。
• 第二極點(diǎn)（P1）由輸出電抗（指輸出電容和負(fù)載電容以及負(fù)載阻 抗）決定。這使得應(yīng)用問(wèn)題更難處理,，因?yàn)檫@些電抗會(huì)影響環(huán)路的增益和帶寬,。
• 第三極點(diǎn)（P2）由調(diào)整管附近的寄生電容決定。在相同條件下,，PNP功率晶體管的單位增益頻率（f_T）比NPN晶體管的fT低很多,。

圖4. LDO的幅頻響應(yīng)

如圖4所示，每個(gè)極點(diǎn)產(chǎn)生每10倍頻程20 dB的增益下降并且伴隨90°的相移,。因?yàn)檫@里所討論的LDO有多個(gè)極點(diǎn),，所以如果單位增益頻率處的相移達(dá)到－180°，線性穩(wěn)壓器會(huì)變得不穩(wěn)定,。圖4還示出了容性負(fù)載對(duì)穩(wěn)壓器的影響,，其等效串聯(lián)電阻（ESR）會(huì)在傳遞函數(shù)中增加一個(gè)零點(diǎn)（Z_ESR）。該零點(diǎn)有助于補(bǔ)償其中一個(gè)極點(diǎn),，并且如果該極點(diǎn)出現(xiàn)在單位增益頻率以下時(shí)有助于穩(wěn)定環(huán)路并且保持相應(yīng)頻點(diǎn)的相移低于－180°,。

ESR對(duì)于維持穩(wěn)定性可能是至關(guān)重要的,，特別對(duì)于使用縱向PNP調(diào)整管的LDO。然而,，由于電容器的寄生特性,，所以ESR不總是好控制。電路可能需要ESR集中在某個(gè)窗口范圍內(nèi)以確保LDO工作在對(duì)于所有輸出電流都穩(wěn)定的區(qū)域（見(jiàn)圖5）,。

圖5. 穩(wěn)定性隨輸出電流IOUT和負(fù)載電容的ESR變化

雖然原則上選擇具有合適ESR的合適電容器（要求頻率響應(yīng)曲線在穿過(guò)0 dB之前下降得足夠快,，并且在達(dá)到相關(guān)極點(diǎn)P2之前向低于0 dB增益方向減小得足夠滿(mǎn)）非常困難。實(shí)際考慮還會(huì)增加更多的困難：ESR隨著產(chǎn)品型號(hào)變化,；大批量生產(chǎn)使用的最小電容值需要進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試,，包括最小環(huán)境溫度和最大負(fù)載的極端條件。電容器類(lèi)型的選擇也很重要,。最合適的電容器是鉭電解電容器,，盡管具有大容量的鉭電解電容器尺寸很大。鋁電解電容器的尺寸很小,，但其ESR在低溫時(shí)會(huì)變差,，并且在－30°C以下無(wú)法正常工作。多層陶瓷電容器類(lèi)型無(wú)法為普通的LDO提供足夠的電容（但是它們適合于anyCAP系列LDO設(shè)計(jì),，請(qǐng)閱讀下面的內(nèi)容）,。

ADI公司的anyCAP系列LDO

目前實(shí)現(xiàn)LDO相當(dāng)容易，因?yàn)椴捎肁DI公司的anyCAP LDO體系結(jié)構(gòu)可提高與穩(wěn)壓器相關(guān)的直流（DC）和交流（AC）性能,。顧名思義,，anyCAP LDO穩(wěn)壓器體現(xiàn)了它對(duì)于電容器的尺寸及其ESR都要求不高，從而允許使用種類(lèi)盡可能多的輸出電容器,。雖然這種體系結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展并且在市場(chǎng)上提供越來(lái)越多的穩(wěn)壓器,，但是了解這種體系結(jié)構(gòu)如何簡(jiǎn)化穩(wěn)定性問(wèn)題（見(jiàn)圖6）可能會(huì)對(duì)您有所裨益。

圖6. anyCAP LDO的簡(jiǎn)化原理圖

anyCAP系列LDO,，包括100 mA低靜態(tài)電流ADP3370¹和200 mA低靜態(tài)電流ADP3331²,，使用低達(dá)0.47 µF輸出電容可以保持穩(wěn)定，從而允許使用任何類(lèi)型的優(yōu)質(zhì)電容器（包括小尺寸多層陶瓷電容器）,。ESR根本不是問(wèn)題。

圖6所示的原理圖示出了一個(gè)環(huán)路如何提供穩(wěn)壓和基準(zhǔn)電壓功能,。用外部R1-R2分壓電阻檢測(cè)輸出電壓,，然后輸出電壓通過(guò)二極管D1和R3-R4分壓電阻反饋回高增益放大器的輸入。當(dāng)達(dá)到平衡時(shí),，放大器產(chǎn)生一個(gè)很大的,、可重復(fù)的、容易控制的偏移電壓,，該電壓是與絕對(duì)溫度成比例（PTAT）的 ,。PTAT電壓與熱敏二極管電壓降相結(jié)合一起構(gòu)成隱含的基準(zhǔn)電壓,，該基準(zhǔn)電壓是不受溫度影響的虛擬帶隙式電壓。

此放大器的輸出連接到一個(gè)同相驅(qū)動(dòng)器以控制調(diào)整管,，利用米勒極點(diǎn)分離的補(bǔ)償方法降低對(duì)負(fù)載電容器的電容值,、電容器類(lèi)型和ESR的要求。極點(diǎn)分離方法的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是具有優(yōu)異的電源噪聲抑制和很高的穩(wěn)壓器增益,，從而可提供非常高的精度和優(yōu)異的輸入電源調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率,。

問(wèn): 您可以介紹一下ADI公司的LDO系列產(chǎn)品嗎？

答: 當(dāng)然,，選擇LDO要根據(jù)電源電壓范圍,、負(fù)載電壓和所需的最大壓差。不同器件的主要差別集中在功耗,、效率,、價(jià)格、容易使用以及各種技術(shù)指標(biāo)和提供的封裝形式,。

ADI公司幾年來(lái)一直為市場(chǎng)提供流行的ADP33xx anyCAP系列LDO,。它們采用BiCMOS工藝和PNP調(diào)整管，因此具有很好的穩(wěn)壓性能和上述許多優(yōu)點(diǎn),，但其價(jià)格發(fā)展趨勢(shì)比CMOS器件有些貴,。

一些新設(shè)計(jì)，例如ADP17xx系列,，完全基于CMOS工藝制造并且使用PMOS調(diào)整管,，因而允許以低成本生產(chǎn)LDO，但其犧牲了線性穩(wěn)壓器的性能,。該系列穩(wěn)壓器可以適應(yīng)多種輸出電容,，但它們?nèi)匀恍枰辽? µF的電容和≤500 mΩ的ESR。例如,，150 mA的ADP1710³和ADP1711⁴使用1 µF很小的陶瓷輸出電容器就可以適應(yīng)穩(wěn)定地工作,，從而具有優(yōu)良的瞬態(tài)性能同時(shí)占用最小的印制電路板（PCB）面積；300 mA的ADP1712⁵,，ADP1713⁶和ADP1714⁷可使用≥2.2 µF的電容器,。

以上兩個(gè)系列穩(wěn)壓器都具有在0.75 V～3.3 V范圍內(nèi)16個(gè)固定輸出電壓選擇和在0.8 V～5 V范圍內(nèi)可調(diào)輸出電壓選擇。隨輸電線電壓,、負(fù)載和溫度變化輸出電壓精度優(yōu)于±2％,。ADP1711和ADP1713固定輸出電壓穩(wěn)壓器允許外部連接一個(gè)基準(zhǔn)電壓旁路電容器，以減小輸出電壓噪聲并且提高電源抑制比,。ADP1714具有跟蹤功能,，它允許輸出電壓跟隨一個(gè)外部電壓或基準(zhǔn)電壓。ADP1710和ADP1711在額定負(fù)載下的壓差是150 mV；ADP1712,，ADP1713和ADP1714則為170 mV,。它們的電源抑制（PSR）很高（1 kHz時(shí)為69 dB和72 dB），并且功耗很低（負(fù)載電流為100 µA時(shí)其接地電流為40 µA和75 µA）,。

圖7示出了ADP1710在輸入電容C_IN=1 µF和輸出電容C_OUT=1 µF以及ADP1711在C_IN=22 µF和C_OUT=22 µF幾乎滿(mǎn)負(fù)載條件下的典型瞬態(tài)響應(yīng)比較,。

圖7. ADP1710和ADP1711的瞬態(tài)響應(yīng)

兩系列穩(wěn)壓器工作溫度范圍為－40°C～＋125°C，都采用5引腳TSOT超小封裝,，該封裝是一種滿(mǎn)足各種電源要求的超小封裝解決方案,。