在电子电路设计中，电压稳定是保障设备正常运行的关键因素之一。LDO（低压差线性稳压器）作为一种重要的电源管理元件，在众多领域发挥着不可或缺的作用。本文将深入探讨 LDO 的工作原理，并详细对比 PMOS LDO 和 NMOS LDO 的特性。

什么是 LDO

LDO，即低压差线性稳压器，其英文全称是 Low Dropout Regulator。它的输入和输出均为直流，具有较低的压降，主要用于稳压。LDO 包含三个基本功能元件：一个参考电压、一个通路元件和一个误差信号放大器，如下图所示。

在 LDO 稳压器设计中，通常有四种不同的通路元件，分别是基于 NPN 型晶体管的稳压器、基于 PNP 型晶体管的稳压器、基于 NMOS 的稳压器和基于 PMOS 的稳压器。

一般来说，基于晶体管的稳压器比基于 MOSFET 的稳压器具有更高的压差。而且，基于晶体管的稳压器的晶体管通路元件的基极驱动电流与输出电流成比例，这会直接影响其静态电流。相比之下，MOSFET 通路元件使用隔离栅极驱动的电压，使得其静态电流显著低于基于晶体管的稳压器。

LDO 的工作原理

以 PMOS LDO 为例，其工作原理基于负反馈系统。当输出电压 Vout 由于负载变化或其他原因下降时，误差放大器同相端电压会同比例减小，误差放大器的输出也会随之减小，导致 PMOS 的源栅电压 Vsg 增大。由于 Vsg 增大时，导通电阻将减小（电流增大），这时输出电压将回升。同理，当输出电压 Vout 上升时，误差放大器同相端电压会同比例增加，误差放大器输出增加，Vsg 减小，导通电阻增大（电流减小），输出电压将回落。

在稳态时，误差放大器同相端和反相端的电压相等，可以得到输出电压 Vout = Vref * (1 + R1/R2)。在动态过程中，输出电压的变化将改变 PMOS 的漏源电阻，漏源电阻的变化反过来调节输出电压直至稳定。

PMOS LDO 与 NMOS LDO 特性对比

• 导通电压的差异：对于 PMOS LDO，在特定点，误差放大器输出将在接地端达到饱和状态，无法驱动 Vgs 进一步负向增大，此时 Rds 已达到值。将此 Rds 值与输出电流 Iout 相乘，可得到压降电压。通过提升输入电压，可以使 Vgs 值负向增大，因此 PMOS 架构在较高的输出电压下具有较低的压降。
  

  

  
  而对于 NMOS LDO，在特定点，Vgs 无法再升高，因为误差放大器输出在电源电压 Vin 下将达到饱和状态，此时 Rds 处于值。NMOS LDO 输入与输出的压差要大于 MOS 管的导通门限，相比 PMOS 大很多。
  

  

  
  很多 NMOS LDO 采用辅助电压轨，即偏置电压 Vbias，此电压轨用作误差放大器的正电源轨，并支持其输出一直摆动到高于 Vin 的 Vbias，从而在低输出电压下达到超低压降。
  

  

  
  有时未提供辅助电压轨，但仍需在较低输出电压下达到低压降，此时可用内部电荷泵代替 Vbias，电荷泵将提升 Vin，以便误差放大器在缺少外部 Vbias 电压轨的情况下仍可生成更大的 Vgs 值。
  

  

• 导通电阻与导通损耗：NMOS 的载流子为电子，PMOS 的载流子为空穴。由于 n 型半导体的电子浓度比 p 型半导体高，所以 NMOS 的电子迁移率比 PMOS 高。在相同尺寸条件下，NMOS 管沟道导通电阻比 PMOS 小，开关导通损耗相应也小，过流能力更强。换句话说，在驱动相同电流时，PMOS 版图面积比 NMOS 大。器件面积会影响导通电阻、输入输出电容，这些参数容易导致电路延迟。
• 瞬态响应与负载调整率：NMOS LDO 的负载调整率、瞬态响应等动态指标更好。NMOS 型 LDO 系统环路的单位增益带宽较大，具有很好的瞬态响应能力。
• 电源抑制能力：NMOS 型功率管采用源跟随接法，具有较好的电源抑制能力。
• 适用场景：PMOS LDO 适合轻载，尤其是超低静态电流场合；NMOS LDO 更适合大电流输出以及高速开关应用。
• 成本差异：PMOS 晶圆的制造成本与 NMOS 晶圆几乎相同，但对于相同的导通电阻 Rdson，PMOS 需要更大的 die，因为 PMOS 的空穴迁移率较低。所需 die 更大，每个晶圆生产出的 die 会更少，所以相同 Rdson 的 PMOS 的 die 成本更高，价格更贵。不过，在一些电路应用中，如果对 Rdson 要求不高，且使用 NMOS 需要升压驱动（如使用 charge pump），此时整体成本用 PMOS 可能更有优势，需具体情况具体分析。