模拟技术中的一种用于高精度电流型DAC的输出级设计
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2020-12-07
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模拟技术中的一种用于高精度电流型模拟技术中的一种用于高精度电流型DAC的输出级设计的输出级设计
摘要：提出了一种应用于电流型数模转换器（DAC）的输出电路。在对输出级的功能和稳定性作了分析计算
后，设计了一种高增益、低失真的运放（OP）电路。运放模拟的直流增益为108dB，环路带宽为30MHz，环路
相位裕量为60度，在输出为1rms时，THD+N可达到104.8dB。和传统的开关电容（SC）输出级相比，该电路具
有面积小、噪声低等优点，可应用于高精度的电流型DAC。 关键词：输出级；运放电路；数模转换器；电
流型DAC 引言 近年来，电子通讯市场的发展极其迅速，这给系统中重要的模块—数模转换器（DAC）带来
了发展机遇，同时也对DAC设计者提出了同时兼顾高精度和高速度的挑战。
摘要：摘要：提出了一种应用于电流型数模转换器（DAC）的输出电路。在对输出级的功能和稳定性作了分析计算后，设计了
一种高增益、低失真的运放（OP）电路。运放模拟的直流增益为108dB，环路带宽为30MHz，环路相位裕量为60度，在输出
为1rms时，THD+N可达到104.8dB。和传统的开关电容（SC）输出级相比，该电路具有面积小、噪声低等优点，可应用于高
精度的电流型DAC。
关键词： 关键词：输出级；运放电路；数模转换器；电流型DAC
引言引言
近年来，电子通讯市场的发展极其迅速，这给系统中重要的模块—数模转换器（DAC）带来了发展机遇，同时也对DAC
设计者提出了同时兼顾高精度和高速度的挑战。
电流型DAC是基于一系列相互匹配的电流镜，由输入数据控制电流开关对，将电流导向输出端或者互补输出端，因此它
具有可以直接驱动负载、速度快、功耗低、面积小等优点，被认为是一个解决高速度要求的较佳方案。为了提高转换精度，通
常可以采用过采样（Oversampling）和sigma-delta（ΣΔ）调制技术。
在电流型DAC设计中，输出级设计很重要，它的优劣将直接影响到系统性能指标。如图1所示，典型的ΣΔ电流型DAC中
包含了一个数字插值滤波器、一个ΣΔ调制器、一个内嵌的电流型DAC以及输出级电路。常用的输出电路由开关电容（SC）滤
波器实现，但从电路设计成本的角度，它有很明显的缺点。这是因为SC滤波器的噪声主要由热噪声(kT)/C决定，所以要提高
信噪比就意味着需要更大的片内电容，这不仅大大增加了设计成本，而且在某些应用场合，根本无法实现。而采用连续输出级
的ΣΔDAC，就可以避免SC电路热噪声的影响。
本文在对电流型DAC输出级稳定性详细分析的基础上，设计了一种低失真的运放电路，由于避免了采用大容量电容，芯
片实现面积减小，同时又提高了系统信噪比，可广泛应用于电流型DAC输出电路中。
输出级原理及稳定性分析输出级原理及稳定性分析
由图1可知，为了将电流型DAC的输出电流转换成电压信号输出，输出级要能实现电流到电压的转换（IVC）。在实际应
用中，电流型DAC常采用全差分电流归零（RTZ）电路，以减小码间干扰和降低对时钟上升延和下降延的匹配要求。相应
地，输出电路也需要采用差分结构。
图1典型的ΣΔ电流型DAC系统
图2电流型DAC输出级的IVC原理
为了简化分析，图2给出了能实现IVC的输出级原理图。图2中，虚线框内是电流型DAC的等效电路，其中，R
o
、C
o
分别
是电流型DAC的输出电阻和输出电容，R
f
、C
f
分别是反馈电阻和反馈电容，V
ref
是外接基准电压。假设电流型DAC的输出阻抗
为无穷大，运放为理想情况，那么输出级转移函数为：
（1）
由式（1）可见，电流转换到电压可以由Rf实现。
图2中加入了反馈电容C
f
，这是为了使输出级电路稳定，下面给予证明。在无反馈电容C
f
时，从图3给出的开环小信号等
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