一、什么是LDO

LDO，英文全稱是Low Dropout Regulator, 即低壓差線性穩壓器。輸入和輸出均為直流，壓降較低，可用于穩壓。其包含三個基本功能元件：一個參考電壓、一個通路元件和一個誤差信號放大器，如下圖所示。

LDO穩壓器設計中通常有四種不同的通路元件：基于NPN型晶體管的穩壓器、基于PNP型晶體管的穩壓器、基于NMOS的穩壓器和基于PMOS的穩壓器。

通常，基于晶體管的穩壓器比基于 MOSFET 的穩壓器具有更高的壓差。另外，基于晶體管的穩壓器的晶體管通路元件的基極驅動電流與輸出電流成比例。這會直接影響基于晶體管的穩壓器的靜態電流。相比之下，MOSFET 通路元件使用隔離柵極驅動的電壓，使其靜態電流顯著低于基于晶體管的穩壓器。

二、LDO的工作原理

如下圖所示，以PMOS LDO為例分析其主要工作原理。可以看出這是一個負反饋系統：

當輸出電壓Vout由于負載變化或者其他原因下降時，誤差放大器同相端電壓會同比例減小，誤差放大器的輸出也會隨之減小，PMOS的源柵電壓Vsg增大。由于Vsg增大時，導通電阻將減小（電流增大），這時輸出電壓將回升。

同理當輸出電壓Vout上升時，誤差放大器同相端電壓會同比例增加，誤差放大器輸出增加。這時Vsg減小，導通電阻增大（電流減小），輸出電壓將回落。

穩態時，誤差放大器同相端和反相端的電壓相等，可以得到輸出電壓Vout=Vref*(1+R1/R2)。動態過程中，輸出電壓的變化將改變PMOS的漏源電阻，漏源電阻的變化反過來調節輸出電壓直至穩定。

動態過程中輸出電壓是由PMOS的漏源電阻Rds調節的

三、PMOS LDO與NMOS LDO特性對比

1.導通電壓的差異

對于PMOS LDO，在特定的點，誤差放大器輸出將在接地端達到飽和狀態，無法驅動Vgs進一步負向增大。此時Rds已達到其最小值。將此Rds值與輸出電流Iout相乘，將得到壓降電壓。隨著Vgs負向增大，能達到的Rds值越低。通過提升輸入電壓，可以使Vgs值負向增大。因此，PMOS架構在較高的輸出電壓下具有較低的壓降。

PMOS LDO結構圖

而對于NMOS LDO，在特定的點，Vgs無法再升高，因為誤差放大器輸出在電源電壓Vin下將達到飽和狀態。達到此狀態時，Rds處于最小值。將此值與輸出電流Iout相乘，會獲得壓降電壓。NMOS LDO輸入與輸出的壓差要大于MOS管的導通門限，相比PMOS大很多。

NMOS LDO結構圖

很多NMOS LDO都采用輔助電壓軌，即偏置電壓Vbias，如下圖所示。此電壓軌用作誤差放大器的正電源軌，并支持其輸出一直擺動到高于Vin的Vbias。這種配置能夠使LDO保持較高Vgs，從而在低輸出電壓下達到超低壓降。

帶偏置電壓軌的NMOS LDO

有時并未提供輔助電壓軌，但仍然需要在較低的輸出電壓下達到低壓降。在這種情況下，可以用內部電荷泵代替Vbias，如下圖所示。電荷泵將提升Vin，以便誤差放大器在缺少外部Vbias電壓軌的情況下仍可以生成更大的Vgs值。

帶內部電荷泵的NMOS LDO

2.導通電阻與導通損耗

NMOS的載流子為電子，PMOS的載流子為空穴。由于 n 型半導體的電子濃度比 p 型半導體高，所以 NMOS 的電子遷移率比 PMOS 高，也就是說，在相同的電場下，NMOS 中的電子速度比 PMOS 中的電子速度快。因此，在相同的尺寸條件下，NMOS管溝道導通電阻比PMOS要小，這樣開關導通損耗相應也會比NMOS管要小，過流能力更強。

換句話說，在驅動相同的電流時，PMOS版圖面積比NMOS大。（器件面積會影響導通電阻、輸入輸出電容，而這些相關的參數容易導致電路的延遲）

3.瞬態響應與負載調整率

NMOS LDO負載調整率、瞬態響應等動態指標會更好一些。NMOS型LDO系統環路的單位增益帶寬較大，具有很好的瞬態響應能力。

4.電源抑制能力

NMOS型功率管采用源跟隨接法，具有較好的電源抑制能力。

5.適用場景

PMOS LDO適合輕載,尤其是超低靜態電流場合。NMOS LDO更適合大電流輸出以及高速開關應用。

6.成本差異

PMOS晶圓的制造成本與NMOS晶圓幾乎相同。但是，與NMOS相比，對于相同的導通電阻Rdson，PMOS需要更大的die，原因就是上面說的PMOS的空穴遷移率較低。因為所需的die更大，所以每個晶圓的生產出的die會更少，所以對于相同Rdson的PMOS的die成本會更高。所以對于相同Rdson的NMOS和PMOS而言，PMOS價格會更貴。 在一些電路應用中如果對于Rdson的要求不高，并且使用NMOS需要升壓驅動（比如使用charge pump）的話，此時可能整體成本用PMOS更有優勢，所以還是要具體情況具體分析。