模拟IC设计中LDO的学习笔记（一）

一、LDO的基本概念

        1.1 LDO（Low Dropout Regulator，低压差线性稳压器）：

        这是一种在输入电压与输出电压压差很小的条件下能正常工作的稳压器。

        LDO的内部通常由四个主要电路构成：分压取样电路、基准电压、误差放大电路和功率晶体管（晶体管调整电路）。

        1.2 基本工作原理

        分压取样电路通过电阻对输出电压进行采集，基准电压通常由带隙电压基准产生，误差放大电路将采集的电压与基准电压比较并放大，晶体管调整电路则根据放大后的信号调节晶体管的导通电压，形成一个负反馈调节回路：

        当输出电压由于负载变化或其他原因下降时，分压取样电路中的电压也会下降，导致误差放大器减小其输出，使得晶体管（如PMOS管）的过驱动电压增加，从而增加输出电流，使输出电压上升。

        相反，当输出电压增大时，误差放大器会增加其输出电压，使得晶体管（如PMOS管）的过驱动电压减小，导致晶体管的导通电流减小，使输出电压下降。

        这个过程是一个典型的负反馈控制过程，能够使输出电压维持在一个稳定的值。

        1.3 设计目标

        1.4 LDO与DC-DC转换器的区别：

        LDO与DC-DC转换器相比，具有外围器件少、电路简单、成本低、负载响应快、输出纹波小等优点。但LDO的效率较低，不适合大电流输出。

        而DC-DC转换器虽然效率高，但外围器件多、电路复杂、成本高、负载响应慢、输出纹波大。

（在某些应用中，为了提高精度，会在DC-DC转换器后端接LDO。）

        1.5 LDO的应用：

        LDO广泛应用于各种电路中，如AC/DC电源、蓄电池电路、开关性稳压电源电路等。

        在这些应用中，LDO能够在电源电压或负载变化时稳定输出电压，抑制纹波电压，消除电源产生的交流噪声，从而提供稳定可靠的电源供给。

        1.6 LDO的主要参数

        LDO的性能主要由以下参数决定：

• 输入输出压差（Dropout Voltage）：LDO的输入输出压差越小，其电压转换效率越高，能量损耗越小。

• 电源抑制比（PSRR）：反映了LDO抑制输入电源纹波的能力，PSRR越大，LDO的输出电压越稳定。

• 噪声（Noise）：LDO自身产生的噪声信号，低噪声的LDO能够提供更纯净的输出电压。

• 静态电流（Iq）：LDO内部电路供电所需的电流，影响电池寿命和功耗。

二、不同结构的LDO

        2.1 基本LDO电路

       2.2 加中间级buffer（源跟随器）的LDO电路 

 

                给源极跟随器增加一个自适应的动态偏置，比例复制MTP管的电流。

 

 

        2.3 带miller补偿的LDO 

 

 

三、搭建LDO电路 

        功率晶体管的尺寸：沟道长度给最小长度，宽度根据输出电流大小和在最大输出电流下这个PMOS功率晶体管的电压降Vdsat所决定。

        动态偏置的二极管接法PMOS的尺寸： 等比例复制功率管那条路的电流，所以尺寸一般会给得比较小一点。 

        电阻阻值：该电阻组值设置成较大，以提供一个比较小的静态直流偏置电流（LDO输出电流很小或者没有电流输出的时候），让源极跟随器能够正常工作。 

         源极跟随器管子的尺寸：最小沟道长度，减小栅寄生电容，使得引入的第三极点尽可能大（位于更高的频率处），改善稳定性。

        宽度需要满足LDO输出大电流时，能够承受流经源极跟随器管子的电流大小。

        NMOS电流镜管子尺寸： 长度足够长，消除沟道长度调制效应。宽度尺寸小，按比例分配电流。

        差分对的NMOS尾电流源管的尺寸： L较大，来消除沟道调制效应，提高增益，并且减小1/f噪声的影响。宽度得使尾电流源管的过驱动电压较小，以免LDO输出大电流时源跟随器管子的Vgs过大导致尾电流源管进入线性区，整个LDO无法正常工作。整个尺寸不能过大，不然会有较大的寄生电容，影响稳定性。所以需要折中考虑设计尺寸。

        差分输入对管的尺寸：长度:L大，增益大，1/f噪声小（NMOS的1/f噪声比PMOS更严重）；L小，带宽大。需要折中考虑。

 

四、仿真测试LDO 

         4.1 测试电路

模拟引线电感，并且阻值充当电容上的串联电阻Resr

 

用理想电流源模拟负载

         4.2 直流静态工作点仿真 

         4.3 大电流工作仿真

        4.4 环路稳定性仿真

        在50uA的负载电流情况下：

 

 

        片外滤波电容如果太小，会导致环路相位裕度不够。

 

         要仿真出在不同的负载电流大小情况下，LDO的环路稳定性。（电流不同时，环路稳定性不一样。）

        【其他性能指标也一样，进行不同的负载电流下，不同的工艺角仿真】

        在1mA负载电流下：

        在50mA负载电流下： 

        4.5 直流温度扫描 

        4.6 电源抑制PSR交流仿真 

 

        4.7 动态响应特性瞬态仿真 

 

 

 

 

         4.8 噪声特性仿真 

 

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