电源系列1：LDO原理详细介绍（一）
原文来自公众号：硬件工程师看海
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1. 前言
目前市场上无论什么电子产品，只要涉及到电就必须用到电源，电源的分类有很多种，比如开关电源、逆变电源、交流电源等等。在移动端消费类电子产品中，常用的有dcdc电源和ldo电源两种，dcdc的优点是效率高，但是噪声大；ldo正相反，它是效率低，噪声小。
ldo仿真文件 已更新到公众号后台
这两种电源具体在什么场景下使用不能一概而论，通常而言，对于噪声不太敏感的数字电路多可以优先考虑dcdc，而对于模拟电路，由于对噪声比较敏感，可以优先考虑ldo。
目前由于技术的进步，dcdc的噪声已经可以减小很多了，但是相比于ldo还是稍逊一筹，今天我们来讨论下ldo的基本工作原理，仿真一个简单的ldo模型，介绍一下ldo使用过程中的相关注意事项。
2. ldo分类
常见的ldo是由p管构成的，由于ldo效率比较低，因此一般不会走大电流。针对某些大电流低压差需求的场合，nmos ldo应运而生。下图是pmos和nmos ldo的系统框图对比。我们暂且忽略系统的传递函数，把目光集中到ldo调节稳定的工作过程，下面我们就着重来介绍下pmos ldo的基本工作原理。
3. pmos ldo基本原理
下面是一个pmos ldo最基本结构框图。我们可以看到ldo主要由pmos、运放、反馈电阻和基准参考电压构成。ldo主要工作流程是将输出电压通过分压电阻分压，va和基准参考电压做比较，通过运放输出vg来调节输出，反馈回路已用红色轨迹标识出，具体原理分两个方面详细介绍。
a．反馈回路
当vout由于负载变化或其他原因电压下降时，两个串联分压电阻两端的电压也会下降，进而a点电压下降，a点的电位和vref电位相比较，误差放大器会减小它的输出，使得g电位下降，vs电压不变，进而使得|vgs|的压差增加（我们用vgs和vds的绝对值描述pmos更直观），输出电流isd会增加，输出电流isd增加就会使得vout上升，完成一次反馈控制，使得vout又回到正常电位，。
总结过程如下：
vout↓——>va↓——>vg↓——iout↑——>vout↑
b. pmos驱动的反馈
上面的描述中有两个地方格外介绍下，其一是，当a小于vref时，g点的电位就会减小，通俗点理解，运算放大器总是倾向于使得+-输入端的电压相等，因此，当a小于vref时，运放就会减小输出，以后我会用最浅显的语言专门介绍运放“虚短虚断”概念的由来和应用。
另一点是，g电位下降后为什么iout就上升呢？这就涉及到pmos工作状态，下图是pmos的输出特性曲线，或者叫做伏安特性曲线，是pmos本身的一个特性，根据g、d、s电压不同，mos会工作在不同的区域，即可变电阻区，饱和区(恒流区)，截至区。ldo中的mos是工作在恒流区的。
顺着下图绿色箭头指示方向|vgs|逐渐上升，|id|跟着|vgs|上升而上升，而这段区域内不管vds怎么变换id基本不变，换句话说，恒流区内，id只受vgs控制，因此基于mos的放大器有时也被叫做跨导放大器。这就是pmos ldo工作原理的核心部分。
为方便描述，我们将两个图片放到一起讲。
继续上文：若vout异常降低，vin不变，则vout-vin=vd-vs=vds，|vds|上升(vds<0)，在输出特性曲线中体现为，由状态工作点c转移到d。紧接着反馈回路开始发挥作用，由于vout下降，则va降低，运放会使得vg下降，vg-vs=vg-vin=vgs，|vgs|也上升(vgs<0)，在|vgs|驱动下iout会慢慢上升，在输出特性曲线恒流区内体现为mos从状态工作点c向状态工作点d，当iout=id随着vgs上升时，vds慢慢减小，最终vout又上升回来，完成了一次完整的反馈控制。
4. ldo模型简单仿真
仿真文件已上传公众号
下图是使用multisim仿真的电路，ldo为5v转3.3v，当输出变化时，会通过a点反馈至mos的g极，进而调节输出。
下图是ldo输出的电压和电流波形，红色是电压，绿色是电流。
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这两种电源具体在什么场景下使用不能一概而论，通常而言，对于噪声不太敏感的数字电路多可以优先考虑dcdc，而对于模拟电路，由于对噪声比较敏感，可以优先考虑ldo。
目前由于技术的进步，dcdc的噪声已经可以减小很多了，但是相比于ldo还是稍逊一筹，今天我们来讨论下ldo的基本工作原理，仿真一个简单的ldo模型，介绍一下ldo使用过程中的相关注意事项。
2. ldo分类
常见的ldo是由p管构成的，由于ldo效率比较低，因此一般不会走大电流。针对某些大电流低压差需求的场合，nmos ldo应运而生。下图是pmos和nmos ldo的系统框图对比。我们暂且忽略系统的传递函数，把目光集中到ldo调节稳定的工作过程，下面我们就着重来介绍下pmos ldo的基本工作原理。
3. pmos ldo基本原理
下面是一个pmos ldo最基本结构框图。我们可以看到ldo主要由pmos、运放、反馈电阻和基准参考电压构成。ldo主要工作流程是将输出电压通过分压电阻分压，va和基准参考电压做比较，通过运放输出vg来调节输出，反馈回路已用红色轨迹标识出，具体原理分两个方面详细介绍。
a．反馈回路
当vout由于负载变化或其他原因电压下降时，两个串联分压电阻两端的电压也会下降，进而a点电压下降，a点的电位和vref电位相比较，误差放大器会减小它的输出，使得g电位下降，vs电压不变，进而使得|vgs|的压差增加（我们用vgs和vds的绝对值描述pmos更直观），输出电流isd会增加，输出电流isd增加就会使得vout上升，完成一次反馈控制，使得vout又回到正常电位，。
总结过程如下：
vout↓——>va↓——>vg↓——iout↑——>vout↑
b. pmos驱动的反馈
上面的描述中有两个地方格外介绍下，其一是，当a小于vref时，g点的电位就会减小，通俗点理解，运算放大器总是倾向于使得+-输入端的电压相等，因此，当a小于vref时，运放就会减小输出，以后我会用最浅显的语言专门介绍运放“虚短虚断”概念的由来和应用。
另一点是，g电位下降后为什么iout就上升呢？这就涉及到pmos工作状态，下图是pmos的输出特性曲线，或者叫做伏安特性曲线，是pmos本身的一个特性，根据g、d、s电压不同，mos会工作在不同的区域，即可变电阻区，饱和区(恒流区)，截至区。ldo中的mos是工作在恒流区的。
顺着下图绿色箭头指示方向|vgs|逐渐上升，|id|跟着|vgs|上升而上升，而这段区域内不管vds怎么变换id基本不变，换句话说，恒流区内，id只受vgs控制，因此基于mos的放大器有时也被叫做跨导放大器。这就是pmos ldo工作原理的核心部分。
为方便描述，我们将两个图片放到一起讲。
继续上文：若vout异常降低，vin不变，则vout-vin=vd-vs=vds，|vds|上升(vds<0)，在输出特性曲线中体现为，由状态工作点c转移到d。紧接着反馈回路开始发挥作用，由于vout下降，则va降低，运放会使得vg下降，vg-vs=vg-vin=vgs，|vgs|也上升(vgs<0)，在|vgs|驱动下iout会慢慢上升，在输出特性曲线恒流区内体现为mos从状态工作点c向状态工作点d，当iout=id随着vgs上升时，vds慢慢减小，最终vout又上升回来，完成了一次完整的反馈控制。
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