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 (A_OL) 并且会消耗全部静态电流 (I_Q)。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。

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

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 I_QSD 与静态电流 I_Q 相似。不过，TLV906xS 的测试条件规定了 I_QSD 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 I_Q 的 0.1%。

类似地，Z_SHDN 会让人想起放大器启用期间放大器的开环输出阻抗 (Z_O)。在图 2-1 中，Z_SHDN 指定为电阻 (R_SHDN) 和电容 (C_SHDN) 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 V_{SHDN_THR_HI} 和 V_{SHDN_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

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。

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 t_ON 或 t_OFF。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。

通常情况下，TLV90xxS 系列中的放大器如果静态电流规格越大，启用和关断时间便越短。请注意，并不是所有放大器都是如此。确定这些时间的因素有很多。但是，对于这些结构相似的器件，选择启用和关断时间较短的器件通常意味着器件会消耗更多的功率。

放大器的启用和禁用时间和行为还取决于其他几项因素。例如，温度不同会导致这些时间出现很小但却显而易见的变化。通常，温度越高意味着启用时间和关断时间越短，因为器件晶体管的电压阈值水平会越低。阈值电压与温度成反比。请注意，由于高阶效应，这种关系并不是一定成立。

下表通过显示 TLV9002S 器件在几个关键温度条件下的启用和禁用时间，展示了这一效应。此数据在以下条件下获得：器件的通道 1 采用单位增益缓冲器配置，输入为 2.5V，负载为 10kΩ，并且 SHDN 引脚在 0V 和 2V 之间切换；器件的通道 2 采用单位增益配置并始终保持启用，同时输入为 2.5V 且没有外部负载。请注意，从 –40°C 到 125°C 的启用和关断时间存在约 15% 的差异。

在确定放大器的关断时间时，另一项重要因素是输出负载。通过 SHDN 引脚禁用放大器时，输出引脚上存在一定的电荷。此输出电荷相当于输出电压，并且取决于输出端的负载。当放大器处于关断状态时，该负载实际上由放大器输入端和输出端的负载元件、反馈元件和寄生元件组成。若要完成关断过程，输出电荷必须消耗掉，使得输出电压可以从之前的输出电压转换到关断输出电压。此电荷通过负载消耗，因此关断时间取决于负载元件。

因此，当放大器采用单位增益缓冲器配置时，需要考虑以下三种场景：纯阻性负载、无负载和纯容性负载。图 5-1 展示了此场景的一个图形示例。左侧是正常工作期间的放大器。右侧是模拟关断期间放大器行为的有效电路。C_CM 和 C_ID 模拟放大器的共模输入电容和差分输入电容。C_SHDN 和 R_SHDN 表示该器件在关断状态下的输出阻抗。

图 5-1 缓冲器电路

当负载元件 Z_LOAD 为纯阻性负载并且远远小于 R_SHDN（例如 10kΩ）时，放大器将具有三种类型输出负载条件下最短的关断时间。这是因为输出电荷仅由该器件相对较小的寄生电容（例如 C_SHDN）建立，并且此电荷具有通过输出负载的纯阻性下拉接地路径。关断期间的预期输出信号就像是从起始输出电压到地的快速 RC 响应。

当没有输出负载时，寄生电容上储存的输出电荷仍然相对较小。不过，该电荷需要通过很大的 R_SHDN 位移到地，后者与寄生电容构成了一个很大的 RC 组合，或者通过放大器中的寄生和泄露路径位移到地。因此，在这种负载场景中，预期的关断时间会长很多。请注意，此寄生输出电容可包括电路板寄生电容。

不过，在这三种场景中，最差的情况是纯容性负载。在这种情况下，即使具有 10pF 的典型负载，也会导致器件完全关断所需的时间显著延长。在这种条件下，寄生和负载电容现在都会储存输出电荷，因此输出电荷会明显大于之前的。此外，负载电容器会进一步增大由 R_SHDN 和 C_SHDN 构成的 RC 组合的尺寸，而不能提供较低的阻性接地路径。因此，放大器需要较长的时间才能消耗掉输出端储存的电荷。

图 5-2 展示了上述几种配置的关断时间。所有数据均采用 TLV9062S 在 5V 单电源、单位缓冲器增益配置和 2.5V 输入条件下获得。通道 1 的 SHDN 引脚进行开关切换，而通道 2 保持开启。请注意，10kΩ 负载条件下的关断时间远远长于其他负载条件下的关断时间，并且对应曲线几乎与此时间刻度上的 SHDN 引脚信号曲线相重叠。

图 5-2 负载与关断时间 TLV9062S

可以执行类似的分析来确定关断期间闭环阻抗和增益带来的影响。需要考虑以下三种不同类型的闭环配置：

• 单位增益缓冲器
• 增益为 11 并具有 18kΩ (R_f) 和 1.8kΩ (R_i) 反馈电阻器的同相放大器
• 增益为 11 增益并具有 180kΩ (R_f) 和 18kΩ (R_i) 反馈电阻器的同相放大器

图 5-3 展示了同相配置的一个示例电路。同样，图片左侧部分展示了启用时的操作配置，而右侧部分展示了放大器处于关断模式时的有效电路。

图 5-3 同相放大器电路

请注意，当放大器关闭时，反馈电阻器 R_f 和 R_i 会为输出提供一个接地的电阻下拉路径。与纯阻性负载情况类似，该备选接地路径可以缩短关断时间。不过，这里的关键是关断时间主要受反馈网络的总电阻影响，而不是由电阻比设定的增益。换句话说，闭环增益并不是主要因素。与以输出负载为例的情况相同，其原因是过大的反馈电阻器将会与寄生电容构成很大的 RC 组合，进而导致关断时间延长。

图 5-4 展示了使用单位增益缓冲器以及使用两个不同反馈电阻提供 11V/V 增益时的 TLV906xS 关断行为。测量是在通道 1 上进行的，而通道 2 始终保持开启。

图 5-4 闭环配置与关断 TLV9062S

设计人员必须考虑已禁用 TLV90xxS 器件对其电路的影响，例如放大器的寄生输入电容导致输入信号意外出现在输出节点上。本节将介绍如何对具有已禁用放大器的电路进行建模。另外还将展示几种常见配置中已禁用放大器对性能的影响。

若要对电路中已禁用的放大器进行建模，应进行以下操作：

1. 将运算放大器的输入端替换为高阻抗节点。
2. 使用寄生电容器对放大器的共模和差分输入电容进行建模。使用这些组件数据表中提供的电容 C_CM 和 C_ID。
3. 将运算放大器的输出引脚建模为一个电阻器与一个电容器并联。使它们的值与数据表中提供的 Z_SHDN 规格匹配。

图 6-1 展示了反相放大器电路配置，及其在放大器置于关断模式时的等效模型。请注意，如果具有关断功能的运算放大器采用反相放大器配置，如被禁用，放大器不会阻止输入信号到达电路的输出端。这是因为在运算放大器被禁用时，输入和输出之间存在通过反馈网络的路径。

图 6-1 反相放大器电路

出现在输出端的信号部分取决于输入信号频率、反馈网络中的电阻值、输出负载、寄生输入电容以及放大器在禁用时的输出阻抗。这里以具有阻性负载的反相放大器为例。在此电路中，R_i+R_f 与 R_Load 与 R_SHDN 并联构成了一个分压器，该分压器将设置来自 V_IN 的信号会出现在 V_OUT 处的最大量。请注意，R_SHDN 通常很大，因而此计算中可以将其忽略。在高频条件下，运算放大器本身的输出阻抗将开始出现滚降，导致输出端表现出低通滤波器行为。

若要查看对这些影响进行的仿真，可以考虑以增益为 –1V/V 并在关断模式下使用 TLV9002S 的反相放大器电路为例。该电路可以使用图 6-1 中的设置进行建模。将 R_i 和 R_f 设置为 1kΩ 并将 R_Load 设置为 10kΩ。根据 TLV9002S 数据表规格，C_ID 为 1.5pF，C_CM 为 5pF，C_SHDN 为 2pF，而 R_SHDN 为 10GΩ。现在可以运行交流仿真来测量该电路的响应。该结果如图 6-2 所示。

图 6-2 反相放大器交流响应

仿真结果显示转折频率为 19.48MHz，并且由于存在双极点，高频条件下存在 –40dB/十倍频程的斜率。请注意，在低频条件下，输入信号的衰减率由反馈电阻与负载电阻之和设置。这两个电阻器构成了从输入端到输出端的直流路径。执行分压计算便可得出预期的低频增益为 833mV/V 或 –1.58dB。这代表着一项重要的设计注意事项。在放大器禁用期间，此配置可能无法有效阻止或显著衰减输入信号，防止其到达输出端。因此，务必要确保运算放大器关断期间的输出信号电平适用于具体的应用。

图 6-3 展示了同相放大器电路配置，以及其在放大器置于关断模式时的等效模型。与反相配置相比，通过禁用采用同相配置的放大器，可以确保输出信号没有阻性路径可以到达输出节点。因此，当放大器处于禁用状态时，只有很少一部分的输入信号会出现在输出端。请务必记住，放大器确实具有差分输入电容 (C_ID)，该电容会连接输入引脚并为一些信号提供到达输出端的路径，尤其是在较高频率条件下。