LDO工作原理与仿真

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LDO（Low Dropout Regulator，低压差线性稳压器）是一种线性稳压器，它能够在输入电压与输出电压之间仅有很小的压差（dropout voltage）时仍然能够保持输出电压的稳定。

一、LDO内部电路组成

LDO内部电路主要由以下几个关键部分组成：

1. 基准电压源（Reference Voltage Source）

功能：提供一个稳定且精确的参考电压，这个电压是LDO输出电压的基准。基准电压源通常由带隙基准（bandgap reference）电路实现，以确保其输出电压对温度变化的敏感性很低。

作用：在LDO中，基准电压源是误差放大器正向输入端的电压，用于与输出电压进行比较，以确定是否需要调整输出电压。

2. 误差放大器（Error Amplifier）

功能：比较输出电压与基准电压之间的差异，并产生一个误差信号。这个误差信号的大小反映了输出电压偏离基准电压的程度。

作用：误差放大器是LDO中的关键部件，它通过将输出电压的反馈与基准电压进行比较，产生一个控制信号，用于调整功率调整元件的阻抗，从而维持输出电压的稳定。

3. 功率调整元件（Power Adjustment Element）

常见类型：通常为MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）或BJT（双极结型晶体管）等功率器件。

功能：根据误差放大器的输出信号调整其导通电阻，从而改变电流的大小，进而调整输出电压。当误差放大器的输出升高时，功率调整元件的导通电阻减小，电流增大，输出电压升高；反之，输出电压降低。

4. 分压取样电路（Voltage Divider and Sampling Circuit）

组成：通常由两个电阻分压构成，它们对输出电压进行分压取样。

功能：将输出电压的一部分（通过分压得到的电压）作为反馈电压输入到误差放大器的反向输入端。这样，误差放大器就可以比较反馈电压与基准电压之间的差异，从而调整输出电压。

二、LDO的工作原理

1.检测与比较

误差放大器持续检测输出电压，并将其与基准电压进行比较。如果输出电压高于或低于基准电压，误差放大器就会生成一个相应的误差信号。

2.调整与控制

误差信号被用于调整功率晶体管的工作状态。当输出电压高于基准电压时，误差信号使功率晶体管的电流减小，从而降低输出电压；当输出电压低于基准电压时，误差信号使功率晶体管的电流增大，从而提高输出电压。

3. 反馈与稳定

通过反馈网络，输出电压的变化被实时地反馈到误差放大器的输入端，形成一个闭环控制系统。这个系统能够不断地调整功率晶体管的工作状态，以维持输出电压的稳定。

三、特点与优势

LDO具有以下几个特点和优势：
低压差：能够在输入电压与输出电压之间仅有很小的压差时仍然保持输出电压的稳定。
低噪声：相比于开关稳压器，LDO通常具有更低的输出噪声，适用于对噪声敏感的应用场景。
快速瞬态响应：能够快速响应负载电流的变化，提供稳定的输出电压。
简单性：电路相对简单，需要的外部元件较少，设计成本较低。
高稳定性：由于采用了闭环反馈控制系统，LDO的输出电压具有很高的稳定性

四、仿真

当输入电压Vin加到LDO上时，通过分压采样电路得到一个与输出电压Vout成比例的电压，这个电压与基准参考电压进行比较。如果Vout高于设定值，误差放大器将产生一个负误差信号，导致调整元件的阻抗增加，从而减少通过它的电流，使Vout降低。反之，如果Vout低于设定值，误差放大器将产生一个正误差信号，导致调整元件的阻抗减小，从而增加通过它的电流，使Vout升高。通过这种方式达到负反馈状态，LDO能够保持输出电压的稳定。

1.PMOS LDO架构

反馈分析
Vout↑，V+↑，|Vgs|↓，Rds(on)↑，Vout↓
Vout↓，V+↓，|Vgs|↑，Rds(on)↓，Vout↑

2.NMOS LDO架构

反馈分析
Vout↑，V-↓，|Vgs|↓，Rds(on)↑，Vout↓
Vout↓，V-↑，|Vgs|↑，Rds(on)↓，Vout↑

3.PNP LDO架构

反馈分析
Vout↑，V+↑，|Vbe|↓，R↑，Vout↓
Vout↓，V+↓，|Vbe|↑，R↓，Vout↑

4.NPN LDO架构

反馈分析
Vout↑，V-↓，|Vbe|↓，R↑，Vout↓
Vout↓，V-↑，|Vbe|↑，R↓，Vout↑

注意：
1.LDO能够保持电压稳定，是依靠内部负反馈状态进行调节，三极管反馈也可以用瞬时极性法进行快速分析。

2.关于LDO输出电压的调节，Vout=Vref*(1+R1/R2)。根据运放虚短Vref=VoutR2/(R1+R2)，故Vout=Vref(1+R1/R2)，可通过调整R1和R2的阻值获得预期电压。

3.对现有的电路进行优化，增加输入电容和输出电容滤波稳压。

仿真软件：LTspice

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