DRV1100：高性能差分驱动放大器

DRV1100：高性能差分驱动放大器

产品特性

• 高输出电流：230毫安
• 单电源供电：5V
• 5MHz带宽：6Vp-p，15Ω负载
• 高功率下极低总谐波失真（THD）：在6Vp-p、100kHz、100Ω条件下为–72dBc
• 低静态电流：11毫安
• 固定差分增益：3V/V

典型应用

• xDSL双绞线驱动器
• 通信线路驱动器
• 变压器驱动器
• 电磁驱动器
• 高功率音频驱动器
• 阴极射线管（CRT）偏转线圈驱动器

产品概述

DRV1100是一款专为满足xDSL线路接口标准而设计的固定增益差分线路驱动器。该器件在单+5V供电条件下，能够提供高达230mA的峰值输出电流和9.5Vp-p的差分输出电压摆幅。凭借其在单电源下实现的高输出功率，DRV1100成为适用于需要在线路上提供高达17dBm功率且具备高波峰因数的xDSL应用的理想选择。

DRV1100提供两种封装形式：8引脚塑料双列直插式封装（DIP）和SO-8封装。

工作原理

DRV1100采用差分信号放大技术，确保在信号传输过程中保持高保真度。其输入端采用差分配置，有效抑制外部噪声干扰。在信号处理过程中，正负信号同时被处理，放大器仅对差分部分进行放大，从而显著降低共模干扰。

该放大器通过运算放大器实现高增益和高线性度，确保信号在处理过程中保持原始特性，避免失真。其频率响应能力较强，适用于多种频率信号，尤其在音频应用中表现出色。

在输出端，DRV1100集成了一系列保护电路，可在负载变化或输入异常时迅速调整输出，并通过反馈机制恢复稳定。该保护机制有效防止过热和短路等常见故障，提升系统稳定性和安全性，延长设备使用寿命。通过控制功率开关，DRV1100实现高效电能转换，减少能量损耗，同时满足多种负载的电流需求。

内部结构与信号处理

DRV1100是一款真正的差分输入到差分输出的固定增益放大器，采用单+5V电源供电，提供+3的差分增益和+1的共模增益。该器件基于先进的CMOS工艺制造，具备高输入阻抗和230mA的输出驱动能力。

图1展示了DRV1100的简化内部框图。

为实现最大动态范围，建议将输入信号以VDD/2为中心进行处理。这将使输出差分摆幅同样以VDD/2为中心，从而获得最大摆幅和最低失真。纯差分输入信号将产生纯差分输出信号。当单端输入信号施加于一个输入端，而另一端处于固定电压时，将同时产生差分和共模输出信号。在驱动具有良好共模抑制能力的元件（如变压器）时，这种操作模式是可接受的。

差分输出电压与功率关系

DRV1100的差分输出电压施加于输出端之间的负载上，将产生两倍于单端输出的峰对峰电压摆动。图2展示了共模电压为VDD/2时的波形。

图2. DRV1100单端和差分输出波形

DRV1100向差分负载提供的峰值功率为VP²/RL。典型性能曲线展示了最大Vp-p与负载和频率的关系。峰值电压（Vp）等于峰对峰电压（Vp-p）的一半。将Vp-p的一半平方后除以负载，即可得到峰值功率。例如，在+5V电源电压下，DRV1100在500kHz时可向15Ω负载提供6.8Vp-p的电压，此时峰值功率为（6.8Vp-p/2）²/15Ω = 770mW。

电源电压配置

DRV1100设计用于在单+5V电源下运行。当负载大于200Ω时，每个输出可实现全摆幅输出，差分输出摆幅约为2倍VDD。为优化失真性能，建议在封装附近使用0.1µF电容进行电源去耦，并连接至良好接地层。此外，可在封装附近放置一个6.8µF的电解电容，但该电容可由多个设备共享。

数字用户线路应用

DRV1100特别适用于数字通信应用中对双绞线驱动器的高功率、低失真要求。典型应用包括HDSL（高比特率数字用户线路）、ADSL（非对称数字用户线路）和RADSL（速率自适应ADSL）。图3展示了一个典型的变压器耦合xDSL线路驱动器配置。

图3. 典型数字用户线路应用

在xDSL应用中，计算所需放大器功率的步骤如下：

• 确定特定应用中线路所需的平均功率。DRV1100必须能够提供两倍于此的功率（+3dB），以补偿串联阻抗匹配电阻的功率损耗。
• 根据两倍的线路功率要求，计算DRV1100输出端所需的均方根（RMS）电压。Vrms = (2 • PLINE • RL)¹/²，其中RL为DRV1100必须驱动的总负载阻抗。将此Vrms乘以2倍的波峰因数，即可得到输出端所需的总差分峰对峰电压。
• 在可能的情况下，可通过调整变压器的匝数比，确保在给定的线路电阻（RLINE）和期望的线路功率下，输出电压和电流保持在DRV1100的限制范围内。

以图3为例，假设135Ω线路上的平均期望功率为14dBm（HDSL）。变压器初级侧的匹配电阻需提供两倍于此功率（17dBm）。通过1:4变压器，该135Ω负载被反射为8.4Ω负载。两个串联的4.1Ω电阻，以及DRV1100的0.2Ω差分输出阻抗，将提供与该8.4Ω负载相匹配的阻抗。在这些条件下，DRV1100将承受约16.5Ω的负载。要向该负载提供所需的17dBm（50mW）功率，输出电压Vrms需为（50mW × 16.5）¹/² = 0.91Vrms。假设波峰因数为3，则差分峰对峰输出电压=6 × 0.91 = 5.45Vp-p。典型性能曲线显示，在100kHz时，DRV1100能够以小于–62dB的总谐波失真（THD）提供此电压摆幅。

输出保护机制

图3还展示了xDSL应用中常见的过压和短路保护元件，包括二极管或金属氧化物变阻器（MOV）。DRV1100的输出端可瞬时短接到地或电源，而不会造成损坏。但这些输出端并非设计用于持续短接到地或电源。

功耗与热分析

DRV1100的总内部功耗由静态功耗和为负载提供功率所消耗的动态功耗组成。典型性能曲线显示了静态电流随温度的变化情况。在+5V电源电压下，无负载时的典型电源电流为11mA，静态功耗为55mW。输出电路中为负载RL提供Vrms时的均方根功率为：

当Vrms等于VDD/2时，内部功耗达到最大值。对于正弦波输出，这对应于输出Vp-p = 1.41 × VDD。

以最坏情况为例（VDD = +5V，Vrms = 2.5V，负载为16Ω差分负载），总内部功耗为：

为计算内部结温，需将该功率乘以结到环境的热阻抗（以获得相对于环境的温升），然后加上环境温度。在最高环境温度+85°C下，SO-8封装的DRV1100的结温为：

图4. DRV1100U从环境温度到结温的温升

在任何情况下，内部结温应限制在<150°C。对于最高环境温度为+85°C的情况，这限制了内部温度上升至小于65°C。图4显示了负载为15Ω和100Ω时从环境温度到结温的温度上升情况。这表明，对于15Ω负载，内部结温永远不会超过额定最大值。

输入接口电路

为实现DRV1100的最佳性能，建议使用以VDD/2为中心的差分输入。不需要直流耦合的信号可通过隔直电容连接到由电源电压通过电阻分压器形成的中间点参考，如图5所示。RB电阻的值决定了四个性能要求：

• 在电源中点处对输入进行偏置。
• 为DRV1100的输入端提供直流偏置电流通路。
• 将源信号的交流输入阻抗设置为RB/2。
• 与CB一起设定低频截止频率。

图5. 交流耦合差分输入接口

图6. 单端到差分转换

通常，RB电阻被设置为相对较高的值（>10kΩ），以尽量减少参考路径中的静态电流。如果需要较低的输入阻抗，可在隔直电容（CB）的输入端增加额外的终端电阻。

图5中的电路也可仅使用单端输入进行操作。在这种情况下，另一个输入端的参考电压应通过一个0.1µF的电容器去耦至地。在此连接中，输入端将产生不平衡的输出。差分输出电压仍为输入峰对峰电压的3倍，但由于存在共模电压输入，将产生共模电压输出。输出共模电压将等于输入信号的峰对峰摆幅。该共模分量将减小可用的差分输出电压摆幅。然而，如果输出负载具有良好的共模抑制能力，例如变压器，那么使用DRV1100配合单端源是可接受的。

图6展示了一种将接地中心单端输入转换为纯差分信号以应用于DRV1100输入的方法。该电路采用交叉耦合反馈配置的宽带双运算放大器。

该电路的输出随后可被输入到图5的输入端。图6的总增益为2 × (RF/RG)。该电路的作用是使所有四个运算放大器的输入端都保持与下方运算放大器的正输入端相等。由于后者处于地电位，因此输入信号的中点（即两个输出相等的位置）也处于0V。