本文介紹低壓差穩壓器（LDO）的基本結構和使用技巧以確保其穩定工作。我們還討論ADI公司LDO系列產品的設計特點，這些特點可提供一種保持動態穩定性和直流（DC）穩定性的靈活方法。
問：什么是LDO？如何使用它們？
答：穩壓器用于提供一種不隨負載阻抗、輸入電壓、溫度和時間變化而變化穩定的電源電壓。低壓差穩壓器因其能夠在電源電壓（輸入端）與負載電壓（輸出端）之間保持微小壓差而著稱。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可在負載端保持2.5 V恒定電壓。
便攜式應用的日益增加使得設計工程師考慮使用LDO保持所需的系統電壓，而與電池充電狀態無關。便攜式系統不是受益于LDO的唯一應用，任何需要穩定恒定電壓，同時使上流電源電壓最小（或者能處理上流電源大幅度波動）的設備都可以考慮使用LDO。典型實例包括使用數字和射頻（RF）負載的電路。
“線性”串聯穩壓器（見圖1）通常包括一個基準電壓源、一個比例輸出電壓與基準電壓比較環節、一個反饋放大器和一個串聯調整管組成（雙極型晶體管或FET管）組成，用放大器控制穩壓器的壓降維持要求的輸出電壓值。例如，如果負載電流下降，會引起輸出電壓顯著上升，誤差電壓增大，放大器的輸出上升，調整管兩端的電壓會增加，因此輸出電壓回到其原始值。
圖1. 基本的增強型PMOS LDO
在圖1中，誤差放大器和PMOS晶體管構成壓控電流源。輸出電壓VOUT按分壓比（R1，R2）成比例下降，并且將其與基準電壓（VREF）比較。誤差放大器的輸出控制增強型PMOS晶體管。
穩壓器的“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減小那么該電路便不能穩壓。通常認為當輸出電壓下降到低于標稱值100 mV時是達到的目標。表征這LDO穩壓器的關鍵指標取決于負載電流和調整管的PN結溫度。
問：如何根據壓差對穩壓器分類？
答：我們建議分為三類：標準穩壓器、準LDO和LDO。
標準穩壓器，通常使用NPN調整管，通常輸出管的壓降大約為2 V。
準LDO穩壓器，通常使用達林頓復合管結構（見圖2）以便實現由一只NPN晶體管和一只PNP 晶體管組成的調整管。這種復合管的壓降，VSAT (PNP) ＋ VBE (NPN)通常大約為1 V——比LDO高但比標準穩壓器低。
圖2. 準LDO電路
LDO穩壓器通常根據壓差要求作最佳選擇，通常壓差在100 mV～200 mV范圍。然而，LDO的缺點是其接地引腳的電流通常比準LDO或標準穩壓器大。
標準穩壓器比其它類型穩壓器具有較大的壓差，較大的功耗和較低的效率。大多數情況下可使用LDO穩壓器代替標準穩壓器，但是應該考慮到LDO穩壓器的最大輸入電壓指標比標準穩壓器低。此外，有些LDO需要精心挑選外部電容器以保持穩定性。這三種類型穩壓器在帶寬和動態穩定性考慮因素方面也有些不同。
問：如何為我的應用選擇最佳穩壓器？
答：為特定的應用選擇合適的穩壓器，需要考慮輸入電壓的類型和范圍（例如穩壓器前面的DC/DC變換器或開關電源的輸出電壓）。其它重要考慮因素是：需要的輸出電壓、最大負載電流、最小壓差、靜態電流和功耗。通常，穩壓器的附加功能可能很有用，例如待機引腳或指示穩壓失效的錯誤標志。
為了選擇合適類型的LDO，需要考慮輸入電壓源。在電池供電應用中，當電池放電時，LDO必須維持所需的系統電壓。如果DC輸入電壓是由經過整流的AC電源提供，那么壓差并不重要，因此標準穩壓器可能是更好的選擇，因為其更價格較低并且可以提供較大的負載電流。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。
當然，穩壓器應該在最壞工作環境達到規定精度的條件下能夠為負載提供足夠大的電流。
LDO結構
在圖1中，調整管是PMOS晶體管。然而，穩壓器可能使用各種類型的調整管，因此可以根據所使用的調整管類型對LDO分類。不同結構和特性的LDO具有不同的優點和缺點。
四種類型調整管示例如圖3所示，包括NPN雙極型晶體管、PNP雙極型晶體管、復合晶體管和PMOS晶體管。
圖3. 調整管示例
對于給定的電源電壓，雙極型調整管可提供最大的輸出電流。PNP優于NPN，因為PNP的基極可以與地連接，必要時使晶體管完全飽和。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VBE結壓降。因此，NPN管和復合調整管不能提供小于1 V的壓差。然而它們在需要寬帶寬和抗容性負載干擾時非常有用（因為它們具有低輸出阻抗ZOUT特性）。
PMOS和PNP晶體管可以快速達到飽和，從而能使調整管電壓損耗和功耗最小，從而允許用作低壓差、低功耗穩壓器。PMOS調整管可以提供盡可能最低的電壓降，大約等于RDS(ON)×IL。它允許達到最低的靜態電流。PMOS調整管的主要缺點是MOS晶體管通常用作外部器件 —— 特別當控制大電流時 —— 從而使IC構成一個控制器，而不能構成一個自身完整的穩壓器。
一個完整穩壓器的總功耗是
PD = (VIN -VOUT ) IL + VIN IGND
上面關系式的第一部分是調整管的功耗；第二部分是電路控制器部分的功耗。有些穩壓器的接地電流，特別是那些用飽和雙極型晶體管作調整管的穩壓器，會在上電期間達到峰值。
問：如何確保LDO的動態穩定性？
答：適合普通應用的傳統LDO穩壓器設計存在穩定性問題。這個問題是由于反饋電路的性能、多種可能的負載、環路中元件的變化和難于獲得具有一致性參數的精密補償。下面將討論這些考慮因素，然后介紹可提高穩定性的anyCAP®電路的結構。
LDO通常使用一個反饋環路在輸出端提供一個與負載無關的恒定電壓。因為對于任何高增益反饋環路來說，環路增益傳遞函數中極點和零點的位置都決定其穩定性。
基于NPN管的穩壓器具有低阻抗射極負載輸出，傾向于對輸出容性負載很不敏感。然而，基于PNP管和PMOS管的穩壓器具有較大的輸出阻抗（在基于PNP管的穩壓器中具有高阻抗集電極負載）。此外，環路增益和相位特性強烈依賴負載阻抗，因此對于穩定性問題需要特別考慮。
基于PNP管的LDO和基于PMOS管的LDO的傳遞函數具有幾個影響穩定性的極點：
- 主極點（圖4中的P0）由誤差放大器決定；它是由放大器的gm通過內部補償電容CCOMP一起控制和確定的。主極點對上述所有LDO結構都是共同的。
- 第二極點（P1）由輸出電抗（指輸出電容和負載電容以及負載阻 抗）決定。這使得應用問題更難處理，因為這些電抗會影響環路的增益和帶寬。
- 第三極點（P2）由調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（fT）比NPN晶體管的fT低很多。
圖4. LDO的幅頻響應
如圖4所示，每個極點產生每10倍頻程20 dB的增益下降并且伴隨90°的相移。因為這里所討論的LDO有多個極點，所以如果單位增益頻率處的相移達到－180°，線性穩壓器會變得不穩定。圖4還示出了容性負載對穩壓器的影響，其等效串聯電阻（ESR）會在傳遞函數中增加一個零點（ZESR）。該零點有助于補償其中一個極點，并且如果該極點出現在單位增益頻率以下時有助于穩定環路并且保持相應頻點的相移低于－180°。
ESR對于維持穩定性可能是至關重要的，特別對于使用縱向PNP調整管的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集中在某個窗口范圍內以確保LDO工作在對于所有輸出電流都穩定的區域（見圖5）。
圖5. 穩定性隨輸出電流IOUT和負載電容的ESR變化
雖然原則上選擇具有合適ESR的合適電容器（要求頻率響應曲線在穿過0 dB之前下降得足夠快，并且在達到相關極點P2之前向低于0 dB增益方向減小得足夠滿）非常困難。實際考慮還會增加更多的困難：ESR隨著產品型號變化；大批量生產使用的最小電容值需要進行基準測試，包括最小環境溫度和最大負載的極端條件。電容器類型的選擇也很重要。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在低溫時會變差，并且在－30°C以下無法正常工作。多層陶瓷電容器類型無法為普通的LDO提供足夠的電容（但是它們適合于anyCAP系列LDO設計，請閱讀下面的內容）。
ADI公司的anyCAP系列LDO
目前實現LDO相當容易，因為采用ADI公司的anyCAP LDO體系結構可提高與穩壓器相關的直流（DC）和交流（AC）性能。顧名思義，anyCAP LDO穩壓器體現了它對于電容器的尺寸及其ESR都要求不高，從而允許使用種類盡可能多的輸出電容器。雖然這種體系結構不斷發展并且在市場上提供越來越多的穩壓器，但是了解這種體系結構如何簡化穩定性問題（見圖6）可能會對您有所裨益。
圖6. anyCAP LDO的簡化原理圖
anyCAP系列LDO，包括100 mA低靜態電流ADP33701和200 mA低靜態電流ADP33312，使用低達0.47 µF輸出電容可以保持穩定，從而允許使用任何類型的優質電容器（包括小尺寸多層陶瓷電容器）。ESR根本不是問題。
圖6所示的原理圖示出了一個環路如何提供穩壓和基準電壓功能。用外部R1-R2分壓電阻檢測輸出電壓，然后輸出電壓通過二極管D1和R3-R4分壓電阻反饋回高增益放大器的輸入。當達到平衡時，放大器產生一個很大的、可重復的、容易控制的偏移電壓，該電壓是與絕對溫度成比例（PTAT）的 。PTAT電壓與熱敏二極管電壓降相結合一起構成隱含的基準電壓，該基準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同相驅動器以控制調整管，利用米勒極點分離的補償方法降低對負載電容器的電容值、電容器類型和ESR的要求。極點分離方法的另外一個優點是具有優異的電源噪聲抑制和很高的穩壓器增益，從而可提供非常高的精度和優異的輸入電源調整率和負載調整率。
問: 您可以介紹一下ADI公司的LDO系列產品嗎？
答: 當然，選擇LDO要根據電源電壓范圍、負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、價格、容易使用以及各種技術指標和提供的封裝形式。
ADI公司幾年來一直為市場提供流行的ADP33xx anyCAP系列LDO。它們采用BiCMOS工藝和PNP調整管，因此具有很好的穩壓性能和上述許多優點，但其價格發展趨勢比CMOS器件有些貴。
一些新設計，例如ADP17xx系列，完全基于CMOS工藝制造并且使用PMOS調整管，因而允許以低成本生產LDO，但其犧牲了線性穩壓器的性能。該系列穩壓器可以適應多種輸出電容，但它們仍然需要至少1 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穩定地工作，從而具有優良的瞬態性能同時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。
以上兩個系列穩壓器都具有在0.75 V～3.3 V范圍內16個固定輸出電壓選擇和在0.8 V～5 V范圍內可調輸出電壓選擇。隨輸電線電壓、負載和溫度變化輸出電壓精度優于±2％。ADP1711和ADP1713固定輸出電壓穩壓器允許外部連接一個基準電壓旁路電容器，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外部電壓或基準電壓。ADP1710和ADP1711在額定負載下的壓差是150 mV；ADP1712，ADP1713和ADP1714則為170 mV。它們的電源抑制（PSR）很高（1 kHz時為69 dB和72 dB），并且功耗很低（負載電流為100 µA時其接地電流為40 µA和75 µA）。
圖7示出了ADP1710在輸入電容CIN=1 µF和輸出電容COUT=1 µF以及ADP1711在CIN=22 µF和COUT=22 µF幾乎滿負載條件下的典型瞬態響應比較。
圖7. ADP1710和ADP1711的瞬態響應
兩系列穩壓器工作溫度范圍為－40°C～＋125°C，都采用5引腳TSOT超小封裝，該封裝是一種滿足各種電源要求的超小封裝解決方案。