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深入剖析 LDO 中 NMOS 与 PMOS 的差异特性

出处:网络整理 发布于:2025-06-04 16:20:55

在低压差线性(LDO)的设计中,MOS 管扮演着至关重要的角色,它作为调整元件,通过改变自身的导通电阻来维持输出电压的稳定。其工作原理是:当输出电压发生变化时,反馈网络会将信号传递给误差,误差放大器将反馈电压与基准电压进行比较后,调整 MOS 管的栅极电压,从而改变 MOS 管的导通程度,调整压降,终使输出电压保持稳定。


LDO 中可选用 PMOS 或 NMOS 作为管,它们各有特点。若在 LDO 中使用 PMOS 作为开关管,其驱动相对容易。因为 PMOS 栅极电压只需低于源极电压(即输入电压)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 PMOS 的导通状态。而若采用 NMOS 作为开关管,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,增加了电路的复杂性。不过,NMOS 具有导通电阻低的优势,适合大电流应用场景,并且可能使 LDO 的压差更低。


下面我们具体分析使用 PMOS 的 LDO 在电压变化时,内部各个器件的变化情况。当输出电压 Vout 下降时,串联反馈电阻中间的反馈电压 Vfb 也会随之下降。当 Vfb 电压下降时,误差放大器会输出栅极电压 Vg 下降,而输入电压 Vin(即源极电压 Vs)保持不变,因此 PMOS 的栅源电压 Vgs 减小(注意 PMOS 的 Vgs 是负值)。随着 Vgs 的减小,输出电流 Ids 会增加,进而使输出电压 Vout 上升(如图 2)。这样就完成了反馈调节,使 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,能达到的导通电阻 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。



图 1:PMOS 的 LDO 变化过程



图 2:PMOS 的 Vgs&Vds&Id 特性曲线


同理,我们来分析使用 NMOS 的 LDO 在电压变化时,内部各个器件的变化情况。当输出电压 Vout 下降时,串联反馈电阻中间的反馈电压 Vfb 同样会随之下降。当 Vfb 电压下降时,误差放大器会输出栅极电压 Vg 上升(此过程可能会使用电荷泵电路),而输出电压 Vout(即源极电压 Vs)减小,因此 NMOS 的栅源电压 Vgs 增大(注意 NMOS 的 Vgs 是正值)。随着 Vgs 的增大,输出电流 Ids 会增加,从而使输出电压 Vout 增加(如图 4)。完成反馈调节后,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输入电压 VIN,以便误差放大器在缺少外部偏置电压轨 VBIAS 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


综上所述,在 LDO 的设计中,选择 PMOS 还是 NMOS 作为开关管,需要根据具体的应用场景和设计要求来综合考虑。PMOS 驱动简单,适用于对电路复杂性要求较低的场景;而 NMOS 导通电阻低,适合大电流、低电压差的应用场景。

关键词: LDO

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