隨著便攜式設(shè)備（電池供電）在過去十年間的快速增長，象原來的業(yè)界標準 LM340 和 LM317 這樣的穩(wěn)壓器件已經(jīng)無法滿足新的需要。這些穩(wěn)壓器使用NPN 達林頓管，在本文中稱其為NPN 穩(wěn)壓器（NPN regulators）。預(yù)期更高性能的穩(wěn)壓器件已經(jīng)由新型的低壓差（Low-dropout）穩(wěn)壓器（LDO）和準LDO穩(wěn)壓器（quasi-LDO）實現(xiàn)了。

　　NPN 穩(wěn)壓器（NPN regulators）

　　在NPN穩(wěn)壓器（圖1：NPN穩(wěn)壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖）的內(nèi)部使用一個 PNP管來驅(qū)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(wěn)壓器） （1）

圖1

　　LDO 穩(wěn)壓器（LDO regulators）

　　在LDO（Low Dropout）穩(wěn)壓器（圖2：LDO穩(wěn)壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖）中，導(dǎo)通管是一個PNP管。LDO的最大優(yōu)勢就是PNP管只會帶來很小的導(dǎo)通壓降，滿載（Full-load）的跌落電壓的典型值小于500mV，輕載（Light loads）時的壓降僅有10～20mV。LDO的壓差為：

　　Vdrop ＝ Vsat （LDO 穩(wěn)壓器） （2）

圖2

　　準LDO 穩(wěn)壓器（Quasi-LDO regulators）

　　準LDO（Quasi-LDO）穩(wěn)壓器（圖3： 準 LDO 穩(wěn)壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖）已經(jīng)廣泛應(yīng)用于某些場合，例如：5V到3.3V 轉(zhuǎn)換器。 準LDO介于 NPN 穩(wěn)壓器和 LDO 穩(wěn)壓器之間而得名， 導(dǎo)通管是由單個PNP 管來驅(qū)動單個NPN 管。 因此，它的跌落壓降介于NPN穩(wěn)壓器和LDO之間：

　　Vdrop ＝ Vbe ＋Vsat （3）

圖3

　　穩(wěn)壓器的工作原理（Regulator Operation）

　　所有的穩(wěn)壓器，都利用了相同的技術(shù)實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定（圖4：穩(wěn)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）采樣（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(nèi)部的帶隙參考源（Bandgap Reference）產(chǎn)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(wěn)定：

　　Vout = Vref（1 + R1 / R2） （4）

圖4

　　性能比較（Performance Comparison）

　　NPN，LDO和準LDO在電性能參數(shù)上的最大區(qū)別是：跌落電壓（Dropout Voltage）和地腳電流（Ground Pin Current）。跌落電壓前文已經(jīng)論述。為了便于分析，我們定義地腳電流為Ignd （參見圖4），并忽略了IC到地的小偏置電流。那么，Ignd等于負載電流IL除以導(dǎo)通管的增益。

　　NPN 穩(wěn)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(qū)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。 準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(wěn)壓器的最大好處就是無條件的穩(wěn)定，大多數(shù)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回路帶寬（Loop Bandwidth）及提供一些正相位轉(zhuǎn)移（Positive Phase Shift）補償。 準LDO一般也需要有輸出電容，但容值要小于LDO的并且電容的ESR局限也要少些。

　　反饋及回路穩(wěn)定性（Feedback and Loop Stability）

　　所有穩(wěn)壓器都使用反饋回路（Feedback Loop）以保持輸出電壓的穩(wěn)定。反饋信號在通過回路后都會在增益和相位上有所改變，通過在單位增益（Unity Gain，0dB）頻率下的相位偏移總量來確定回路的穩(wěn)定性。

　　波特圖（Bode Plots）

　　波特圖（Bode Plots）可用來確認回路的穩(wěn)定性，回路的增益（Loop Gain，單位：dB）是頻率（Frequency）的函數(shù)（圖5：典型的波特圖）。 回路增益及其相關(guān)內(nèi)容在下節(jié)介紹。 回路增益可以用網(wǎng)絡(luò)分析儀（Network Analyzer）測量。 網(wǎng)絡(luò)分析儀向反饋回路（Feedback Path）注入低電平的正弦波（Sine Wave），隨著直流電壓（DC）的不斷升高， 這些正弦波信號完成掃頻，直到增益下降到0dB。然后測量增益的響應(yīng)（Gain Response）。

圖5

　　波特圖是很方便的工具，它包含判斷閉環(huán)系統(tǒng)（Closed-loop System）穩(wěn)定性的所有必要信息。 包括下面幾個關(guān)鍵參數(shù)：環(huán)路增益（Loop Gain），相位裕度（Phase Margin）和零點（Zeros）、極點（Poles）。