使用低功耗运算放大器进行设计，第 3 部分：使用关断放大器节省功耗

在我之前的文章中，我介绍了优化运算放大器 (op amp) 电路以节省功耗，并讨论了一些可以利用具有低压电源功能的放大器的应用。在“使用低功耗运算放大器进行设计”系列的这一部分中，我将展示如何使用更专业的器件来节省功耗：关断放大器。

关机功能

有时，电路设计人员希望节省功率，但又不能使用具有低静态电流 (I Q ) 的运算放大器，因为低功率放大器通常会在带宽、噪声和稳定性方面进行权衡。这个问题的一个常见解决方案是选择一个关断放大器，我们可以通过切换其关断或启用引脚将其置于低功耗状态，如图 1 所示。禁用或关断放大器会调整其偏置电路，从而显着降低降低设备的 I Q绘制。关断放大器结合了器件开启时更高带宽运算放大器的性能和器件关闭时显着的节能效果。

图 1：TLV9002S 关机切换

关断引脚的好处

关断放大器的主要好处很简单：我们可以将放大器置于低功耗状态。但是，当我们可以切换电源引脚时，为什么还需要关闭引脚呢？事实证明，关断放大器还有其他不太明显的优势，例如在关断时提供输入电压保护和定义的输出状态。

大多数放大器从其输入引脚到电源轨都有输入静电放电 (ESD) 二极管。这些二极管旨在防止短期 ESD 事件，但在施加高于 V+ 轨或低于 V- 轨的输入电压时，它们可能会损坏。如图 2 所示，如果通过电源引脚关闭放大器并施加输入信号，输入 ESD 结构可能会损坏。然而，当使用关断引脚关闭放大器时，其电源轨仍然存在，并允许输入引脚继续看到正常的输入电压电平。大多数关断放大器都是如此。如有疑问，请查阅产品数据表或在TI E2E TM 论坛上咨询工程师。

图 2：使用输入信号打开运算放大器的 ESD 二极管

使用关闭引脚关闭设备的另一个优点是它可以将输出置于已知状态。当运算放大器进入关断模式时，数据手册通常会将输出描述为成为高阻抗节点。当运算放大器仅通过电源轨关闭时，输出引脚的行为是不确定的。同样，如果有疑问，我们可以在产品数据表中仔细检查此功能。正如技术文章中强调的那样，“那么运算放大器关断引脚到底应该做什么？” 停机引脚的其他潜在好处包括数字逻辑兼容性、成本节省、空间节省和设计复杂性的降低。

关机省电

对于关断应用，我们可以使用放大器的 I Q、其关断 I Q (I QSD )、其电源电压 (V supply ) 以及其预期的关闭时间 (t on ) 和关闭时间 (t off ) 来估计可用的静态功耗。如果电阻负载可以忽略不计，则静态节能将与总节能相匹配。为了简单起见，让我们假设是这种情况。在此假设下，公式 1 计算了开关设备的平均功耗。类似地，公式 2 计算了与始终保持开启的设备相比节省的平均功率：

                            (1)

                            (2)

现在让我们使用方程式 1 和 2 的一些实际测量值来估计潜在的停机功率节省。对于此示例，请考虑采用单位增益缓冲器配置的 TLV9042S 器件。输入连接到中间电源，输出没有负载，如图 3 所示。我的同事Carolina 在三个常见的电源电压电平下为单元供电并测量了相应的 I Q，然后将设备放入关机并在每个电源级别再次测量 I Q 。表 1 显示了测量结果。请注意，这些结果略好于数据表规范，因为 I QSD双通道 TLV9042 的每通道比单通道 TLV9041 略低，单通道 TLV9041 的值在数据表中引用了更保守的值。

图 3：TLV9042S I Q和 I QSD测量设置

表 1：TLV9042S 在关断模式下测得的电流消耗

借助表 1 中的数据，我们现在可以估计使用 TLV9042S 器件的关断功能可能为不同的低功耗应用节省的功耗。根据低功耗应用，例如光电二极管放大器或电池供电的烟雾探测器，不同的占空比将有助于在不牺牲系统功能的情况下最大限度地节省功耗。借助公式 1 和 2 以及表 1 中的数据，可以估算在使用 TLV9042S 的关断功能而不是始终开启时在不同电源电压电平下的功耗。请参见表 2 中的结果，我们可以在其中看到切换关断引脚可以显着节省功耗。

表 2：TLV9042S 按占空比和电源电压测量的功耗

结论

既然我已经讨论了使用具有关断功能的低功耗运算放大器的节能优势，那么在下一部分中，我将介绍低功耗运算放大器应用中最常见的挑战之一：稳定性。