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）

圖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于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）

圖2

　　準LDO 穩壓器（Quasi-LDO regulators）

　　準LDO（Quasi-LDO）穩壓器（圖3： 準 LDO 穩壓器內部結構框圖）已經廣泛應用于某些場合，例如：5V到3.3V 轉換器。 準LDO介于 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，它的跌落壓降介于NPN穩壓器和LDO之間：

　　Vdrop ＝ Vbe ＋Vsat （3）

圖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）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）

圖4

　　性能比較（Performance Comparison）

　　NPN，LDO和準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。 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回路帶寬（Loop Bandwidth）及提供一些正相位轉移（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。

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

　　所有穩壓器都使用反饋回路（Feedback Loop）以保持輸出電壓的穩定。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定性。

　　波特圖（Bode Plots）

　　波特圖（Bode Plots）可用來確認回路的穩定性，回路的增益（Loop Gain，單位：dB）是頻率（Frequency）的函數（圖5：典型的波特圖）。 回路增益及其相關內容在下節介紹。 回路增益可以用網絡分析儀（Network Analyzer）測量。 網絡分析儀向反饋回路（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（Gain Response）。

圖5

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

　　閉環系統（Closed-loop System）有個特性稱為回路增益（Loop Gain）。在穩壓電路中，回路增益定義為反饋信號（Feedback Signal）通過整個回路后的電壓增益（Voltage Gain）。為了更好的解釋這個概念，LDO的結構框圖（圖2）作如下修改（圖6：回路增益的測量方法）。

圖6

　　變壓器（Transformer）用來將交流信號（AC Signal）注入（Inject）到“A”、“‘B”點間的反饋回路。借助這個變壓器，用小信號正弦波（Small-signal Sine Wave）來“調制”（modulate）反饋信號。可以測量出A、B兩點間的交流電壓（AC Voltage），然后計算回路增益。回路增益定義為兩點電壓的比（Ratio）： Loop Gain ＝ Va / Vb （5）

　　需要注意， 從Vb點開始傳輸的信號， 通過回路（Loop）時會出現相位偏移（Phase Shift），最終到達Va點。相位偏移（Phase Shift）的多少決定了回路的穩定程度（Stability）。

　　反饋（FEEDBACK）

　　如前所述，所有的穩壓器都采用反饋（ Feedback）以使輸出電壓穩定。輸出電壓是通過電阻分壓器進行采樣的（圖6），并且該分壓信號反饋到誤差放大器的一個輸入端，誤差放大器的另一個輸入端接參考電壓，誤差放大器將會調整輸出到導通管（Pass Transistor）的輸出電流以保持直流電壓（DC Valtage）的穩定輸出。

　　為了達到穩定的回路就必須使用負反饋（Negative Feedback）。負反饋，有時亦稱為改變極性的反饋（degenerative feedback），與源信號的極性相反（圖7：反饋信號的相位示意圖）。

圖7

　　負反饋與源（Source）的極性相反，它總會阻止輸出的任何變化。也就是說，如果輸出電壓想要變高（或變低），負反饋回路總會阻止，強制其回到正常值。

　　正反饋（Positive Feedback）是指當反饋信號與源信號有相同的極性時就發生的反饋。此時，回路響應會與發生變化的方向一致。顯而易見不能達到輸出的穩定，不能消除輸出電壓的改變，反而將變化趨勢擴大了。

　　當然，不會有人在線性穩壓器件中使用正反饋。但是如果出現180°的相移，負反饋就成為正反饋了。

　　相位偏移（PHASE SHIFT）

　　相位偏移就是反饋信號經過整個回路后出現的相位改變（Phase Change）的總和（相對起始點）。相位偏移，單位用度（Degrees）表示，通常使用網絡分析儀（network analyzer）測量。理想的負反饋信號與源信號相位差180°（如圖8：相位偏移示意圖），因此它的起始點在－180°。在圖7中可以看到這180°的偏置，也就是波型差半周。

圖8

　　可以看到，從－180°開始，增加180°的相移，信號相位回到零度，就會使反饋信號與源信號的相位相同，從而使回路不穩定。

　　相位裕度（PHASE MARGIN）

　　相位裕度（Phase Margin，單位：度），定義為頻率的回路增益等 0dB（單位增益，Unity Gain）時，反饋信號總的相位偏移與－180°的差。一個穩定