LDO的参数指标分析(2)

这次讲的还是上次说的那篇文章，把除了PSR的其他指标分析总结一下：

1. load regulation

首先看一下load regulation。这个指标是为了衡量regulator的负载电流变化会引起多少输出电压的变化，也就是∂Vout/∂iL。从公式容易看出，这表征着regulator的输出阻抗，而这个值越小越好。

图一

1.1 PMOS型regulator

对于PMOS型的regulator，也就是我们常说的LDO，可按图一进行计算。和PSR的计算类似，将电阻串分压比乘到运放的增益上，那么输出节点往上看就是一个gm-boosted diode-connected PMOS，此时的跨导表示为

那么整个regulator的输出阻抗就可以写为

考虑到并联的第一项远小于第二项，可以忽略第二项，重新表示为

为了得到更好的load regulation，运放的增益越大越好。 这与PSR改善的思路是保持一致的。

随着频率升高到运放主极点ω0之后，输出阻抗开始增大，如图二。

图二

此时的输出阻抗Zout可以表示为

和PSR的分析相同，设计一个高增益，大带宽的运放也是有助于改善load regulation的。除此之外，在输出节点加一个对地的大电容CM，1/(s*CM)和上述的Zout并联在一起，当频率较高时，电容的阻抗减小，也可以缓解图二中高频下Zout的上升。并联电容后的曲线如图三。

图三

图三能看出在ω0之后阻抗仍有一个上升的尖峰。为了避免这个问题，设计时希望1/(ω0*CM)尽可能接近低频下的|Zout|。但由于这个值本身非常小，CM可能会高达几十nF。这在片上显然是难以实现的。同时，这引入了另一个问题，CM越大，regulator输出节点的极点频率越低，和运放输出的极点可能会很接近，引起稳定性的问题。

1.2 NMOS型regulator

图四

如图四，忽略M1的rout和负载电阻的情况下，Rout可简单表示为1/gm除以1加环路增益：

分母第二项远大于1，再次整理公式：

对比可以发现，这和PMOS型的regulator是一模一样的。也就是说，从load regulation的角度来讲，两者无性能上的差异。

但和前面不同的是，如果通过在输出对地接大电容CM来改善高频下的PSR和load regulation，输出极点近似表达为1/((1/gm)*CM)，由于1/gm较小，其输出极点是远高于PMOS型regulator的输出极点的，那么此时的稳定性就更有可能得到保证。除此之外，M1的CGS此时跨接在运放输出和regulator输出两个节点之间，通过密勒定理等效到运放输出的电容可能比实际的CGS更小，那么regulator的带宽就有希望做得更高。也就是说，对于NMOS型regulator，或许可以先在输出对地加大电容CM来保证load regulation，再去完成稳定性补偿。

2. noise

图五

如图五，以PMOS型regulator为例，将运放噪声等效到输入，M1的噪声等效到栅极，再想办法推导到输出。M1栅极的噪声可以除以运放增益同样等效到运放输入端，再将总的噪声除以电阻串分压比，就可以计算到输出：

可以看出， 对于M1贡献的噪声，运放增益越大，抑制得越好 。另外，电阻串和bangap reference也是噪声源，热噪声4kT(R1||R2)和Vref本身的噪声都可以简单地叠加到运放输入端进行计算。

和前面一样，随着运放高频增益降低，输出端噪声影响会更显著。因此，保持运放高增益的情况下增大其带宽对噪声抑制也有好处。

事实上，换成NMOS型regulator，噪声的分析也是一样的，所以二者在噪声性能上无差异。

3. 总结

通过这两篇文章的分析和对比，可以总结一下用PMOS和NMOS做pass device的regulator的异同，给大家设计提供参考：

同： load regulation和noise性能无差异；都可以通过提高运放的增益和带宽来改善PSR/load regulation/noise

异： NMOS型regulator的PSR远好于PMOS型regulator；NMOS型regulator更有希望实现高带宽；NMOS型regulator更有希望通过增加输出大电容改善PSR和load regulation，同时不影响稳定性

（当然，NMOS型regulator就不能实现low dropout了）