设计具有关断功能的 TLV90xxS 运算放大器
1 具有关断功能的 TLV90xxS 运算放大器设计
本文讨论了 TLV90xx 器件系列中具有关断功能的型号。具有关断功能的放大器让设计人员能够选择何时启用放大器，从而发挥功耗节省的优势。这在电池供电应用中尤其实用。本文涵盖的主题包括关断参数、瞬态行为、启用时间和关断时间因子、关断期间的器件性能以及与关断器件的信号多路复用。
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1 引言
现代运算放大器中有一项功能变得越来越常见，即启用和禁用器件。德州仪器 (TI) 目前提供了 60 多种具有关断功能的运算放大器，未来还会推出更多此类器件。本应用手册将说明 TLV90xxS 系列器件（包括 TLV900xS、TLV905xS 和 TLV906xS）的各种关断参数以及设计注意事项。
具有关断功能的放大器非常适合于采用电池供电并需要关闭系统部分电路来节省功耗的应用。此类系统的示例包括烟雾探测器、PIR 传感器、现场变送器和遥感器。不具备关断功能的“低功耗”放大器通常采用一些折衷方案，例如以低静态电流换来很低的带宽。另一方面，具有关断功能的放大器在关闭时可以实现低电流消耗，而在使用时可以提供更大的带宽。尽管需要多一些控制，但这类器件可以减轻这种以功耗换性能的代价。
具有关断功能的放大器让用户甚至可以在电源轨保持通电状态时“启用”和“禁用”或“关断”该器件。启用时，放大器会正常工作来放大反相和同相输入之间的差异，放大倍数等于开环增益 (AOL) 并且会消耗全部静态电流 (IQ)。关断时，放大器消耗的静态电流会少很多，而输出会变为高阻抗。
采用单通道或双通道封装的器件通常为每个放大器提供一个 SHDN 引脚。采用四通道封装的器件通常提供两个 SHDN 引脚：一个用于控制通道 1 和 2，而另一个用于控制通道 3 和 4。图 1-1 和图 1-2 展示了双通道关断器件 (TLV9062S) 和四通道关断器件 (TLV9064S) 的示例引脚排列。
2 关断规格
对于 TLV90xxS 系列产品，器件数据表的“电气特性”表格中提供了关断规格，如下方图 2-1 中所示的 TLV906xS 规格。并非所有具有关断功能的 TI 运算放大器都在各自数据表中包含了相同的信息。不过，大多数都会指定禁用时的静态电流、关断状态的阈值电压，以及启用/禁用时间。各关断参数的定义与表 2-1 中一致。
图 2-1 TLV906xS 电气特性表中的关断规格| 符号 | 参数 | 定义 |
|---|---|---|
| IQSD | 静态电流（每个放大器） | 禁用期间单个通道消耗的电流 |
| ZSHDN | 关断时的输出阻抗 | 放大器供电轨通电但处于禁用或关断状态期间放大器输出引脚上的阻抗 |
| VSHDN_THR_HI | 高电平电压关断阈值（放大器为启用状态） | 施加于 SHDN 引脚来启用放大器的电压电平 |
| VSHDN_THR_LO | 低电平电压关断阈值（放大器为禁用状态） | 施加于 SHDN 引脚来禁用放大器的电压电平 |
| tON | 放大器启用时间（关断） | 从施加给 SHDN 引脚的信号为 50% 时到输出电压达到最终输出电压 90% 时之间的时间间隔 |
| tOFF | 放大器禁用时间 | 从施加给 SHDN 引脚的信号为 50% 时到输出电压达到最终输出电压 10% 时之间的时间间隔 |
| SHDN 引脚输入偏置电流（每个引脚） | 通常会流入 SHDN 引脚的电流量 |
一些关断规格与放大器正常工作时的规格相似但会有所不同。例如，上文定义的关断期间静态电流 IQSD 与静态电流 IQ 相似。不过，TLV906xS 的测试条件规定了 IQSD 测试是在所有器件通道均禁用的条件下完成的。如上方图 2-1 所示，在所有通道均关闭的完全关断状态下，TLV906xS 器件的典型静态电流为 0.5µA。这个值不到启用时每个通道 538µA 典型 IQ 的 0.1%。
类似地，ZSHDN 会让人想起放大器启用期间放大器的开环输出阻抗 (ZO)。在图 2-1 中，ZSHDN 指定为电阻 (RSHDN) 和电容 (CSHDN) 的并联组合。绘制与频率的关系图时，所得曲线如图 2-2 所示。在直流情况下，此阻抗等于规格表中给出的电阻，本例中为 10GΩ。随着频率升高，电容开始在响应中占主导地位，而总体输出阻抗会降低。对于 TLV906xS 器件，在 100kHz 条件下，此阻抗会降至 200kΩ。
图 2-2 关断时的输出阻抗最后，具有关断功能的器件存在阈值电压，该电压由 VSHDN_THR_HI 和 VSHDN_THR_LO 指定，用于定义通过 SHDN 引脚的启用和禁用区域。这两个电压之间是未定义的状态，这时放大器可能处于开启状态、关闭状态或这两种状态的某种组合。TLV90xxS 器件的阈值电压是相对电源电压来定义的。不过，其他器件可能会提供特定电源的绝对电压。图 2-3 利用 TLV906xS 数据表中的阈值展示了 SHDN 引脚区域，其中灰色条纹区域表示未定义的状态。左侧条形图展示了数据表中的最小和最大阈值，而右侧条形图展示了典型阈值。为确保正常工作，设计时必须满足最小和最大阈值。
图 2-3 关断阈值图3 SHDN 引脚限制和连接
SHDN 引脚上可安全施加的最大输入电压可以在数据表中“绝对最大额定值”部分的“信号输入引脚”一行下找到。必须注意不要超过此限值，否则会损坏器件。对于 TLV90xxS 器件，关断引脚的绝对最大电压额定值为 V+ 加上 500mV，最小电压为 V– 减去 500mV。如果未使用，SHDN 引脚应连接至 V+。一些具有关断功能的 TI 放大器在 SHDN 引脚与 VCC 之间存在一个内部上拉电阻器，因此 SHDN 引脚可以保持不连接。不过，只有数据表中提到这是有效的设置时，才应这样做。
4 启用和关断期间的输出行为
如上所述，从向 SHDN 引脚施加信号到放大器进入所需状态之间存在延时。此延时之前被定义为 tON 或 tOFF。图 4-1 展示了 TLV9052S 器件典型的启用瞬态响应，其中该器件按照数据表的“关断”部分所述进行配置。这里展示了两个启用图：一个是从部分关断启用，另一个是从完全关断启用。部分关断状态表示该器件中一半的通道处于启用状态，而另一半通道处于关断状态。在完全关断状态下，所有通道都处于禁用状态。请注意，当该器件从部分关断状态退出时，其启用时间明显更短。这是因为一些内部偏置电路会保持开启，以便为已启用的通道供电。
图 4-1 TLV9052S 从完全关断启用与从部分关断启用类似地，图 4-2 展示了按照数据表中所述配置时该器件的通道 1 被禁用的情况。请注意，将该器件置于完全关断状态所需的禁用时间与置于部分关断状态时并没有任何差别。这是因为每个通道会分别关断。因此，只需一个关断时间规格。
图 4-2 TLV9052S 关断并非所有放大器都会以相同的方式启用。一些放大器具有内部电路，支持受控上电响应。此类电路被称为上电复位 (POR) 电路，用于在器件启用期间将输出保持为已知状态。POR 功能有助于防止意外触发下游逻辑。
对于 TLV90xxS 系列器件，当器件断电后，POR 电路不工作。首次施加电源电压后达到启动电流电平时，便会激活 POR。通过 SHDN 引脚将放大器保持为关断状态时，POR 电路会保持开启。一旦启用信号发送到 SHDN 引脚，POR 电路将保持输出不变，直到内部偏置电流达到阈值水平。然后，POR 会关闭，而放大器会进入启用状态。
通过这种方式，TLV900xS、TLV905xS 和 TLV906xS 器件可以在 SHDN 引脚变为高电平来启用器件时，防止其输出出现异常行为。没有 POR 电路的运算放大器在退出关断状态时，输出端可能会出现少量毛刺干扰。在旧款器件中，这种情况更为常见。
