《硬件设计指南 从器件认知到手机基带设计》解析：1300字，NMOS LDO原理！

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