MOS管在LDO中的作用是作为调整元件,通过改变其导通电阻来维持输出电压的稳定。当输出电压变化时,反馈网络将信号传给误差放大器,误差放大器比较基准电压后调整MOS管的栅极电压,从而改变其导通程度,调整压降,使输出电压稳定。
LDO中使用PMOS作为开关管的话,更容易驱动,因为栅极电压只需要低于源极电压(输入电压)一定的值就可以导通,误差放大器可能直接输出到栅极来控制。而如果用NMOS的话,误差放大器可能需要输出比输出电压更高的电压,这就需要电荷泵或者自举电路,增加了复杂性。不过NMOS的导通电阻低,适合大电流应用,但可能LDO的压差会更低。
下面具体分析使用PMOS的LDO中电压变化时,内部各个器件的变化情况。当Vout电压下降时,串联反馈电阻中间的Vfb电压随之也下降,当Vfb电压下降时,误差放大器会输出Vg电压下降,Vin(Vs)电压不变,因此PMOS的Vgs减小(注意PMOS的Vgs是负值)。输出电流Ids会增加,Vout上升(如图2)。完成反馈调节, Vout又回到正常电位(如图1)。通过提升输入电压,可以使 VGS 值负向增大,能达到的 RDS 值越低。因此,PMOS 架构在较高的输出电压下具有较低的压降。这一部分关于MOS管的内容我们后面会仔细介绍下MOS管datasheet中各个曲线的含义。
图1:PMOS的LDO变化过程
图2:PMOS的Vgs&Vds&Id特性曲线
同理我们分析使用NMOS的LDO中电压变化时,内部各个器件的变化情况。当Vout电压下降时,串联反馈电阻中间的Vfb电压随之也下降,当Vfb电压下降时,误差放大器会输出Vg电压上升(此过程可能会使用电荷泵电路),Vout(Vs)电压减小,因此NMOS的Vgs增大(注意NMOS的Vgs是正值)。输出电流Ids会增加,Vout增加(如图4)。完成反馈调节, Vout又回到正常电位(如图3)。电压轨用作误差放大器的正电源轨,并支持电荷泵将提升 VIN,以便误差放大器在缺少外部 VBIAS电压轨的情况下仍可以生成更大的 VGS值,从而在低输出电压下达到超低压降。
图3:NMOS的LDO变化过程
图4:NMOS的Vgs&Vds&Id特性曲线