一种用于高精度电流型DAC的输出级设计

定性，加入Miller电容C_c进行频率补偿。为排除由Miller补偿所产生右半平面零点的影响，加入了电阻R_z。为了确定运放的直流增益、单位增益带宽以及C_c和R_z的取值，图5给出了运放的小信号等效图。由图5可计算出运放的直流增益为：A(0)=g_m1g_mmultR₁R_L （7）

图4输出级中运放的电路图

图5运放的小信号等效图

其中g_m1为运放第一级中M₁跨导，，k、m、h如图4中所示，有

其中W和L为相应MOS管的宽和长。并得到运放的单位增益带宽为：

GB=g_m1/C_c （8）

为了消除C_c造成的右半平面零点的影响，可令：

（9）

即将零点推至无穷远处，保证了电路的稳定。此时，运放的转移特性可以表示为：

（10）

为了获得60度的相位裕量，并且A(0)很大时，由式（10）可以得到：

（11）

设p₃~p_n>>GB，则有：（12）

由式（12）得，|p₂|>1.73GB。设计时取|p₂|>2GB，所以C_c取值应满足：

（13）

应该指出，上述分析并没考虑运放第一级和输出级的镜像零极点。如果考虑第一级的镜像零极点：

（14）

式中，C₃为图4中A点的寄生电容。从式（14）可知，z₃部分抵消了p₃的影响。设计时需要使p₃和z₃的值大于GB。

再考虑到运放输出级的镜像零极点。由如图6所示的小信号原理图可知，输入和输出关系为：

（15）

其中g_mo为输出级跨导，并有：

（16）

由式（16）可知，运放输出级中电流镜的镜像极点将影响g_mo，从而影响运放的带宽和相位裕量，设计时需要通过模拟进行调整。

图6运放输出级的等效小信号原理图

噪声分析

运放结构中，来自第二级的噪声在除以第一级增益后可以忽略，主要考虑第一级噪声，总噪声则为：

（17）

其中，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，µ为器件载流子迁移率，C_ox为单位面积氧化层电容，ID为MOS管的漏源极电流，K为与工艺有关的常数。式（17）中，前一部分为热噪声，而后一部分为闪烁噪声。为了尽可能地降低运放噪声，设计时可根据式（17），来选择输入级M₁和M₂的宽长比，并且进一步确定M₁₄、M₁₅以及M₂₀、M₂₁管的尺寸。

模拟结果

采用0.6μm工艺进行Hspice模拟验证，根据应用要求，模拟时采用电源电压为5V，负载电阻为1kΩ。图7为运放的环路频率特性。由上图可见，运放的直流增益为108dB，环路带宽为30MHz，环路相位裕量为60度，这表明电路是稳定的。

图8为输出噪声电压（模拟时积分到100GHz），其值为29µVrms。此外，在输出摆幅为±1.4V时，模拟得到运放的谐波失真电压（至9次谐波）为3.62µVrms。因此，本文所设计的运放的THD+N高达104.8dB。

图7 环路频率特性

图8 运放的输出噪声电压

结论

设计了一种应用于电流型DAC的输出电路。在详细分析输出级稳定性的基础上，对其中的运放电路进行了重点设计，模拟结果表明运放在输出为1rms时，THD+N为104.8dB；直流增益为108dB，环路带宽为30MHz，环路相位裕量为60度。此电路具有占用芯片面积小、噪声低等优点，适用于高精度电流型DAC的输出级中。