LDO穩壓器工作原理

      隨著攜帶型設備（電池供電）在過去十年間的快速增長，象原來的業界標準 LM340 和 LM317 這樣的穩壓器件已經無法滿足新的需要。這些穩壓器使用NPN 達林頓管，在本文中稱其為NPN 穩壓器（NPN regulators）。預期更高性能的穩壓器件已經由新型的低壓差（Low-dropout）穩壓器（LDO）和准LDO穩壓器（quasi-LDO）實現了。
(原文：Linear Regulators: Theory of Operation and Compensation )

NPN 穩壓器（NPN regulators）
      在NPN穩壓器（圖1：NPN穩壓器內部結構框圖）的內部使用一個 PNP管來驅動 NPN 達林頓管（NPN Darlington pass transistor），輸入輸出之間存在至少1.5V～2.5V的壓差（dropout voltage）。這個壓差為：
           Vdrop ＝ 2Vbe ＋Vsat（NPN 穩壓器）                                    （1）
 
       
LDO 穩壓器（LDO regulators）
      在LDO(Low Dropout)穩壓器（圖2：LDO穩壓器內部結構框圖）中，導通管是一個PNP管。LDO的最大優勢就是PNP管只會帶來很小的導通壓降，滿載（Full-load）的跌落電壓的典型值小於500mV，輕載（Light loads）時的壓降僅有10～20mV。LDO的壓差為：
            Vdrop ＝ Vsat （LDO 穩壓器）                                            （2）
 
          
准LDO 穩壓器（Quasi-LDO regulators）
      准LDO（Quasi-LDO）穩壓器（圖3： 准 LDO 穩壓器內部結構框圖）已經廣泛應用於某些場合，例如：5V到3.3V 轉換器。 准LDO介於 NPN 穩壓器和 LDO 穩壓器之間而得名， 導通管是由單個PNP 管來驅動單個NPN 管。 因此，它的跌落壓降介於NPN穩壓器和LDO之間：
            Vdrop ＝ Vbe ＋Vsat                                                                  （3）
 
        
穩壓器的工作原理（Regulator Operation）
      所有的穩壓器，都利用了相同的技術實現輸出電壓的穩定（圖4：穩壓器工作原理圖）。輸出電壓通過連接到誤差放大器（Error Amplifier）反相輸入端（Inverting Input）的分壓電阻（Resistive Divider）採樣（Sampled），誤差放大器的同相輸入端（Non-inverting Input）連接到一個參考電壓Vref。 參考電壓由IC內部的帶隙參考源(Bandgap Reference)產生。 誤差放大器總是試圖迫使其兩端輸入相等。為此，它提供負載電流以保證輸出電壓穩定：
           Vout = Vref(1 + R1 / R2)                                                     （4）
 
       
性能比較(Performance Comparison)
      NPN，LDO和准LDO在電性能參數上的最大區別是：跌落電壓（Dropout  Voltage）和地腳電流（Ground Pin Current）。跌落電壓前文已經論述。為了便於分析，我們定義地腳電流為Ignd （參見圖4），並忽略了IC到地的小偏置電流。那麼，Ignd等於負載電流IL除以導通管的增益。
      NPN 穩壓器中，達林頓管的增益很高（High Gain）， 所以它只需很小的電流來驅動負載電流IL。這樣它的地腳電流Ignd也會很低，一般只有幾個mA。 准LDO也有較好的性能，如國半（NS）的LM1085能夠輸出3A的電流卻只有10mA的地腳電流。
      然而，LDO的地腳電流會比較高。在滿載時，PNP管的β值一般是15～20。也就是說LDO的地腳電流一般達到負載電流的7%。
      NPN穩壓器的最大好處就是無條件的穩定，大多數器件不需額外的外部電容。 LDO在輸出端最少需要一個外部電容以減少迴路帶寬（Loop Bandwidth）及提供一些正相位轉移（Positive Phase Shift）補償。 准LDO一般也需要有輸出電容，但容值要小於LDO的並且電容的ESR局限也要少些。