CN102545815B

CN102545815B - 集成电路电容器

Info

Publication number: CN102545815B
Application number: CN201110339763.5A
Authority: CN
Inventors: 汉斯·哈贝尔施塔特
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2010-11-03
Filing date: 2011-11-01
Publication date: 2015-06-10
Anticipated expiration: 2031-11-01
Also published as: EP2451077B1; US8542052B2; EP2451077A1; CN102545815A; US20120105135A1

Abstract

一种用于仿真电容的电路，包括利用来自电路的输入的电荷流为进行充电的物理电容器。放大器对电路的输入处的电压进行放大，使得按照比输入处的电压的改变量大的电压改变量来对物理电容器进行充电。这实现了有效的电容倍增。复位系统包括复位物理电容器，而无需从电路的输入提取电荷。这扩展了可以向输入提供的电压。

Description

集成电路电容器

技术领域

本发明涉及集成电路电容器。

背景技术

对于不同的功能，例如保持信息、创建定时器功能、用作滤波器电路的组件等等，使用通常是集成电路(即芯片级(on-chip))电容器的集成电路技术是必要的。

由于单位面积上的受限电容，芯片级电容器的值基于成本原因而被限制于约10到100pF。芯片级电容器还具有漏电流，但是对于氧化物电容器来说该漏电流非常小(毫微微安培的数量级)。然而，当电路与电容器相连时，例如与MOS晶体管的漏极或源极相连时，漏电流由于相连的pn结而显著增大。这些漏电流是依赖于温度的，并且这些漏电流可以增长到微微安培的范围，或对于大于150℃的极高温度，甚至降低到纳安培的范围。

点缺陷(point defects)可以使漏电流增大，但是稍后漏电平又可能太低而不能被测量。作为一个示例，具有50pA的总漏电流的10pF电容器产生每秒5伏特的电压变化率dv/dt。这防止了使用内部电容器在芯片级产生长时间常量的可能性。当然，存在诸如计数器之类的经常长时间工作的数字解决方案，但是在一些情况下，简单的模拟解决方案节约了面积和成本，并且可以提供行为类似物理电容器的部件。

由于通常不可以在使用中调谐物理电容器，所以在操作期间适配组件(component)值是不可能的。例如，可以期望物理电容器依赖于应用中的操作点来产生滤波器时间常量。

因此，存在解决集成电容器实际最大值问题和适配电容器值的需要。

发明内容

根据本发明，提供了一种用于仿真电容的电路，包括：

物理电容器，利用来自电路的输入的电荷流对物理电容器进行充电；

放大器，用于将电路的输入处的电压放大，使得以比输入处的电压的改变量大的电压改变量来对物理电容器进行充电；以及

复位系统，用于复位物理电容器的电荷的状态，而无需从电路的输入提取电荷。

放大器执行放大要施加到物理电容器两端的电压的功能。该电压的放大等价于电路的电容的放大，其中对于给定电荷流，物理电容器两端的较大电压等价于较大仿真电容两端的较小电压。

复位系统使得电荷流向用于对物理电容器进行多次充电的电路输入。按照这种方法，可以充电使所仿真电容器达到的电压可以与充电使物理电容器达到的电压相等。因此，电路仿真不需要对较大仿真电容器进行低压操作。

因此，本发明使用小物理电容器和附加电路来仿真较大电容器。电路通过将流向仿真电容器电路的输入端子的电流拷贝到小物理电容器来实现使物理电容器值倍增(multiplication)的第一功能。复位系统被用作系统的一部分，以增大仿真电容器可以操作的电压窗口。本发明实现了可以节约面积和成本的新电路解决方案。

在一个示例中，放大器包括：

放大积分器电路，所述放大积分器电路包括：

放大器；

物理电容器，在直接处于放大器的输出和放大器的第一输入之间的第一反馈路径中，其中电路的输入被提供给放大器的第一输入；以及

增益元件，在放大器(10)的输出和放大器的第二输入之间的第二反馈路径中，

以及复位系统包括：

控制电路，用于依据电路的输入的电压来控制第二反馈路径。

在该设计中，为了使输入电压增大，根据输入电压自适应地配置包括增益元件的反馈路径。

优选地，增益元件包括电压放大器，所述电压放大器具有小于1的增益。这意味着放大器的输出电压高于输入电压，因此在物理电容器的两端具有较大电压。

优选地，控制电路包括用于控制被提供给增益元件的电流或电压的电路。按照这种方式，可以重新校准放大器输入，以使放大器被配置来处理可能超出范围的输入电压。因此，可以认为控制电路改变放大器偏置，使得控制电路与电路的输入电压相匹配。

控制电路可以包括：

递增/递减计数器，当电荷流向/流自电路的输入促使达到第一阈值时，所述递增/递减计数器递增计数，当电荷流向/流自电路的输入促使达到第二阈值时，所述递增/递减计数器递减计数；以及

D/A转换器，所述D/A转换器将递增/递减计数器的输出转换为模拟信号，

其中，模拟信号被施加到增益元件的输入。

当每次输入电压超出(大于或小于)阈值时，这种结构向第二反馈路径提供了递增改变量，该递增改变量等同于放大器的偏置条件的递增改变量。

D/A转换器具有电压输出或电流输出，并且相应地设计增益元件。

物理电容器可以具有可编程的电容值，和/或增益元件可以具有可编程的增益值。这些特征使得物理电容器值与仿真电容之间的倍增因子是可调的。

电路可以具有在其间限定了浮动电容器的第一输入和第二输入。可以将流到输入之一的输入电流拷贝到另一输入。

本发明还提供了一种集成电路，所述集成电路包括本发明的电容器仿真电路。

本发明还提供了一种使用电路来仿真电容的方法，包括：

通过来自电路的输入的电荷流对物理电容器进行充电；

将电路的输入处的电压放大，使得以比输入处的电压的改变量大的电压改变量来对物理电容器进行充电，以及

响应于电路的输入的电压达到阈值，复位物理电容器的电荷的状态，而无需从电路的输入提取电荷。

附图说明

现在将参考附图详细描述本发明的示例，其中：

图1是基本的高等级框图，演示了用于实现本发明潜在第一思想的电路组件；

图2示出了本发明电路的第一示例；

图3示出了本发明电路的第二示例；

图4示出了本发明电路的第三示例；

图5示出了需要浮动电容器的积分器应用；

图6示出了针对浮动电容器的本发明电路的第四示例；

图7示出了需要浮动电容器的反相微分器应用；

图8示出了针对概念形式的浮动电容器的本发明电路的第五示例；以及

图9示出了图8的电路的实现。

具体实施方式

本发明提供了一种用于仿真电容的电路，其中，物理电容器和放大积分器电路用于提供物理电容的有效倍增。可以将该电容倍增看作第一主特征。根据电路的输入处的电压控制复位系统，使得扩大输入电压的范围。可以将此看作第二主特征。

图1是基本高等级框图，演示了用于实现上述第一特征的电路组件。

电路包括放大器10，其中物理电容器12(也被标为Cint)在直接到反相输入的第一反馈路径中。这实现了放大积分器13。到正相输入的第二反馈路径包括增益元件14。增益元件具有小于1的增益，使得放大器的正相输入接收按照比例递减的输出。在所示示例中，增益是1/2^N，这产生的结果是放大器10的输出是按照比例递增的输入电压。因此，物理电容器两端的电压是按照比例递增的电路输入处16的电压。

积分器感测来自仿真电容器的输入端子16的输入电流。将所感测的电流自动地拷贝到小物理电容器12。增益元件14是电压放大器的形式，基于具有电阻分压器的基本运算放大器，给出了电压增益作为反馈：

增益＝-R/(R x 2^N)＝-1/2^N。

输入是电压Vin，输出是-2^N Vin，所以物理电容器两端的电压是(2^N+1)Vin。

这针对输入节点处的相同电荷量有效地以因子2^N+1降低了输入端子处的电压。有效地通过因子2^N+1增加了Cint的值。

图1的组件实现了放大积分器电路。

由于仍然使用来自输入的相同电荷对电容器12(Cint)进行充电并因而将Cint充电到相同的最大电压，所以通过因子2^N+1降低了输入的最大电压。

上述第二主特征给出了当Cint两端的最大电压达到该最大阈值时，按照使到仿真器电路输入的电压继续升高的方式来降低Cint两端的最大电压。

思想是对Cint进行放电，使得可以容忍增大的输入电压。但是，不得不补偿在输入上对Cint进行放电的效应。

使用电压ΔV对电容器Cint进行放电将导致在放大器的输入处产生ΔV的电压改变量，在放大器的输出处并从而在仿真电容器的输入处产生ΔVx(1/[2^N+1])的电压改变量。

因此，通过控制对电容器Cint的放电，可以补偿输入16处的电压改变量。该思想用于示出了高等级框图的图2的实施例。

通过比较器20、22将输入16处的电压与最大值和最小值进行比较，以分别产生递增计数脉冲21或递减计数脉冲23。

当电流流入输入16(表示对虚电容器进行充电)时，放大积分器13的输出处的电压由于输入与反相端子的连接而下降。当放大积分器13的输出达到低阈值时，即当比较器22检测到积分放大器的输出电压是Vmin小于输入16处的电压时，产生递减计数脉冲23。这降低了D/A转换器28的输出。

类似地，如果积分器的输出处的电压比输入16处电压的值超出多于Vmax值，这意味着电路尝试将物理电容器充电到超过Vmax，则产生递增计数脉冲21。这与仿真电容器的放电相对应，也是增益元件14的反相配置的结果。图2中的值Vmin和Vmax可以相等。

以空仿真电容器开始的第一计数脉冲开始于增益元件14的输出处的模拟输出AD＝0，即0V，并且没有电流流入增益元件的输入。

如图2所示，输入16处的电压具有与放大积分器13的输出进行比较前施加的Vmin和Vmax阶跃(step)。这实现了上述功能。

将计数脉冲馈送给递增/递减计数器26，递增/递减计数器26产生N比特计数器输出。当给出递增计数脉冲或递减计数脉冲时，对积分器电容器进行完全放电，并且通过如下所述以相同量来补偿该效应(仿真电容器输入16处的电压阶跃Vmax/[2^N+1]增大或减小)：如上所述，递减计数脉冲使D/A转换器的输出电流lout下降，并使放大器14的输出上升。这响应于(以电容器两端的复位开关29的方式来)复位电容器Cint来对在节点16处发生的电压下降进行补偿。类似地，递增计数脉冲使得D/A转换器的输出电流lout上升，并使放大器14的输出下降。这响应于电容器的复位来对否则在输入16处出现的电压上升进行补偿。

通过闭合电容器两端的复位开关29来实施复位。补偿包括通过D/A转换器28来转换计数值。D/A转换器28的输出增大1LSB，这等价于电流Vref/(R x 2^N)。因此，D/A转换器具有电流输出，并且电压转换电阻器30是D/A转换器设计的一部分。

将参考电压Vref设计为在放大器10的正相输入处产生阶跃，使得输入16处的电压可以无缝地继续上升，以从放电状态返回对电容器Cint进行充电。

将D/A转换器28的电流输出添加到增益元件14的运算放大器的虚拟地，使积分器10的正相输入处的电压升高Vref/(2^N)，由此将作为仿真电容器输入16的积分器的反相输入的电压升高Vref/(2^N)。

按照这种方式，总的效果是：当将Vref选为与Vmax相等时，在仿真电容器的输入处没有电压改变，但是存在再次将Cint充电到Vmax电平的可能性。

可以将相同的迭代过程应用到与Vmax相等并导致递减计数的Vmin电平。

在这种情况下，当电容器两端的电压是相反方向(opposite sense)时，复位操作工作。因此，相同的复位操作允许输入16处的电压连续下降。因此，响应于递增计数脉冲和递减计数脉冲来进行复位操作。

以相同的因子2^N来增加有效的电压窗口。

实质上，仿真电容器电路从输入16提取电荷/向输入16提供电荷，并且使用输入16将较小物理电容器充电/放电到较大电压。因为存在可以将小物理电容器充电到何种电压的限制，当达到限制电压时，对物理电容器进行放电，使得物理电容器可以继续从输入16接收电荷/向输入16提供电荷。电荷能够流向输入16，因此相应的电压改变量与较大的期望仿真电容相当。

图3示出了对图2的方案的修改，其中，D/A转换器28具有电压输出。与图2相比，将转换电阻器30从D/A转换器转移到增益元件14。

在图3中，向增益元件14的反相输入提供D/A转换器28的电压输出。备选地，可以将D/A转换器28的输出反相，并且将其馈送给增益元件14的正输入。还可以通过正相结构来实现放大积分器13。在这种情况下，增益元件14还应该是正相的，并且D/A转换器的输出将具有正符号。

通过使用本发明的方法，可以在操作期间适配仿真电容器的值。

一种可能是：切换与物理电容器12(Cint)并联的电容器，如果必要，当连接时利用电容器两端的电压拷贝来预偏置以防止电压跳跃。按照这种方式，可以实现电容器值的较小阶跃。

另一种可能是：适配确定了倍增因子2^N的因子N。这可以以整数阶跃(integer step)的形式实现。还可能的是，如果倍增因子以因子2改变，则通过例如向左或向右将完整的计数器值移位1比特来适配计数器值，防止了仿真电容器电压的突然跳跃。

图4示出了使用双积分器的实施例。双积分器包括两个积分器电路13a、13b，每个积分器电路包括放大器以及其反馈电容器。当一个积分器积分时，对另一个积分器进行放电。如图4所示，开关结构40控制哪个积分器与输入16和增益元件14相连，并且这是在计数器LSB的控制下。因此，积分器在计数器的每次改变处切换任务。积分器13a、13b具有互补的复位命令。

这种结构避免了对快速复位积分器的需求，否则需要防止积分器输出与D/A输出之间的失配，这会导致仿真电容器的电压尖峰(spike)。在图4的设计中，可以使放电间隔更长来简化电路设计。因此，双积分器防止了在复位间隔期间由于积分器有限的放电速度而导致的尖峰。

以上实施例示出了具有一侧接地的电容器，并且由电容器的浮动侧形成输入16。

本发明还可以用于一种仿真电容器需要两侧浮动的电路。

取决于应用，必要的是使电压电流关系可用于电容器的一个(浮动)端子或两个浮动端子。例如，在图5所示的的积分器应用中，其中具有从运算放大器的输出到反相输入的反馈路径中的仿真电容器，不期望将电流提供给与运算放大器的输出相连的端子，但是需要使两个节点浮动。因此，仅在仿真电容器的一个端子中需要电流。

在这种情况下，图2(或图3)的设计可以适于使下方节点(lowernode)浮动，但是没有容性电流流入该节点。在图6中示出了这种设计。

图6与图2的不同仅在于增益元件14的放大器正相输入与下方(lower)的浮动电容器端子60相连。

然后，可以将下方端子60与不同于地的电压相连，同时保持与上方(upper)端子相关的电压。

对于上方节点，电压与电流之间的关系是：

I1＝C_emulated x dv/dt，其中，v是浮动端子之间的电压差。

图7示出了两个端子中的电流都是必要的示例，其中，将电容器与运算放大器的反相输入串联连接以形成反相微分器。

在这种情况下，浮动电容器需要将与上方端子中的电流相等的额外电流添加到下方端子中，但是具有相反的符号。图8给出了这种浮动电容器的实施例。

图8与图6的不同仅在于将流向顶部输入16的电流拷贝复制到下方端子60，如电流源80所表示。

图9中给出了这种思想的实际实现方法。

通过第二单位(unity)放大器90拷贝电容器Cint两端的电压来产生流入输入的电流l1。通过将具有第二电容器Cint92的第二放大器90的输出与下方端子60相连来产生上方端子中电流的拷贝，但是根据期望具有相反符号。

在复位过程期间，当积分器电容器放电时，需要中断附加电容器92和下方端子60之间的连接，因为仅由Cint的充电/放电过程产生的电流应该流向下方端子。因此，复位命令还控制开关94，开关94允许电流流动或阻止电流流动(通过将电容器92与在复位时间段期间提供下方端子60的缓冲电压的放大器输出相耦合)。

可以将本发明用于需要较大电容器的芯片级应用中。

以上不同示例中的基本电路设计是相同的。然而，可以不同方式实现本发明。实质思想在于：对于仿真电容器，电路的输入处的电压改变量被用于导出与仿真电容一致的电荷流。将该电荷流提供给比仿真电容小的真实电容器，这导致产生与在电路的输入处出现的相比较大的电压改变量。重复地对小电容器进行充电，使其可以汇集(sink)与较大电容相对应的所需电流。因此，本发明基本上需要用于较小真实电容器的充电电路，从仿真电容器电路的输入为较小真实电容器提供电荷。此外，需要复位真实电容器的方法，并且该方法不使用流向或来自仿真电容器电路的输入的电荷。

替代放大积分器，可以使用的其它电路的示例是：

-用于调整(regulation)环的补偿网络，其中，例如将反馈用于开关模式电源的反馈路径中，以允许由内部组件来替代外部组件，并且还允许带电修整补偿网络。

-具有长时间常量的模拟定时器。

-具有较长保持时间的采样和保持电路。

-在长时间间隔期间需要保持信息的其它模拟电路，例如产生被锁定到主电压的相角的信号的环。

本发明可以使用例如10pf-100pF的芯片级电容器来产生低nF范围内的仿真电容。因此，倍数2^N+1可以是数百或数千的数量级。例如，可以将10pF的真实电容器倍增257(2⁸+1)倍来产生2.57nF的仿真电容。

如果在仿真电容器的两端存在满电压摆动，则2^N+1的值越大，就需要更多的复位操作。因此，由于要确定必须使用其来实施复位操作的速度，针对具体应用，根据所期望的电荷和电压波动以及所需电荷流动速率(电流)来设计仿真电容器。

反馈路径降低了(放大器反馈路径中的)物理电容器中的漏电流效应。当电容增益近似2^N时，以1/2^N的比率降低漏电流效应。因此，电路设计对物理芯片级的电容器中的漏电流具有较好的容忍度。相对于漏电流，对于电容器重要的是电压由于漏电流而下降的速度，即，dV/dt。由于对于简单电容器，dV/dt＝Ileakage/Cint，为了改善泄漏现象，应该减小比率Ileakage/Cint。

参考图1，物理电容器是具有漏电流Ileakage的Cint。

由于输入端子引入的电荷Q将促使在Cint两端产生电压改变量ΔV＝Q/Cint，因此以因子2^N来增大Cint。但是，由于以2^N划分该电压然后将其馈送回放大器的正输入，当在反相输入提供相同电压时，输入端子处实际的电压变化量是ΔV/2^N。为了补偿漏电流，仅需要将原始漏电流Ileakage输入到上方端子以保持Cint两端的电压恒定。这最终意味着比率Ileakage/Charge是原始比率1/2^N，与具有因子2^N的现有技术的解决方案相比，这有效地减少了漏电流。

如上所述，物理电容器可以具有可编程的电容值和/或增益元件可以具有可编程的增益值。如果增益元件具有可编程值，则应当相应地适配D/A转换器的比特数目。可以通过在编程期间相应地适配AD值来防止仿真电容器电压突然跳跃。

通过学习附图、说明书和所附的权利要求书，本领域技术人员在实践本发明时可以理解和实施相对于所公开实施例的其它变体。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，不定冠词“一个”不排斥多个。单个处理器或其它单元可以满足权利要求中所记载的若干项功能。在互不相同的从属权利要求中记载特定特征的唯一事实并不表示不可以有利地使用这些特征的组合。权利要求中的任何参考标记不应该解释为对范围的限制。

Claims

1.一种用于仿真电容的电路，包括：

物理电容器(12)，利用来自电路的输入(16)的电荷流对所述物理电容器(12)进行充电；

放大积分器(13)，用于将电路的输入(16)处的电压放大，使得以比输入(16)处的电压的改变量大的电压改变量来对物理电容器(12)进行充电；以及

复位系统(20，22，26，28，29)，用于复位物理电容器(12)的电荷的状态，而无需从电路的输入(16)提取电荷，

其中，放大积分器(13)包括：

放大积分器电路，所述放大积分器电路包括：

放大器(10)；

物理电容器(12)，在直接处于放大器(10)的输出和放大器(10)的第一输入之间的第一反馈路径中，其中电路的输入(16)被提供给放大器(10)的第一输入；以及

增益元件(14)，在放大器(10)的输出和放大器(10)的第二输入之间的第二反馈路径中，

其中复位系统包括：

控制电路(20，22，26)，用于依据电路的输入(16)处的电压来控制第二反馈路径，

其中，控制电路包括用于对提供给增益元件(14)的电流或电压加以控制的电路(26，28)，

其中，控制电路包括：

递增/递减计数器(26)，当放大器(10)的输出处的电压与输入(16)相比达到第一水平时，所述递增/递减计数器(26)递增计数；当放大器(10)的输出处的电压与输入(16)相比达到第二水平时，所述递增/递减计数器(26)递增计数；以及

D/A转换器(28)，所述D/A转换器将递增/递减计数器(26)的输出转换为模拟信号，

其中，模拟信号被施加到增益元件(14)的输入。

2.如权利要求1所述的电路，其中，增益元件(14)包括电压放大器(10)，所述电压放大器(10)具有小于1的增益幅度。

3.如权利要求1所述的电路，其中，放大积分器电路包括两个积分器(13a，13b)，配置所述两个积分器使得其中的一个积分器执行积分功能，而另一个积分器复位。

4.如权利要求1所述的电路，其中，D/A转换器(28)具有电压输出。

5.如权利要求1所述的电路，其中，D/A转换器(28)具有电流输出。

6.如前述权利要求中任一项所述的电路，其中，物理电容器(12)具有可编程的电容值。

7.如前述权利要求1-5中任一项所述的电路，其中，增益元件(14)具有可编程的增益值。

8.如前述权利要求1-5中任一项所述的电路，其中，所述电路具有第一和第二输入(16，60)，在所述第一和第二输入(16，60)之间限定浮动电容器。

9.如权利要求8所述的电路，其中，将到输入之一(16)的输入电流拷贝到另一个输入(60)。

10.一种集成电路，包括根据前述权利要求中任一项所述的电路。

11.一种使用电路来仿真电容的方法，包括：

通过来自电路的输入(16)的电荷流对物理电容器(12)进行充电；

将电路的输入(16)处的电压放大，使得以比输入处的电压的改变量大的电压改变量来对物理电容器(12)进行充电，以及

响应于电路的输入的电压达到阈值，复位物理电容器(12)的电荷的状态，而无需从电路的输入提取电荷，

其中，放大包括：

通过将物理电容器(12)连接在直接处于放大器(10)的输出与放大器(10)的第一输入之间的第一反馈路径中，对流向物理电容器(12)的电荷流进行积分和放大，其中，放大器(10)的第一输入与电路的输入相连，以及

复位包括：

对放大器(10)的输出与放大器(10)的第二输入之间的第二反馈路径进行控制，其中，第二反馈路径包括增益元件(14)，控制第二反馈路径依赖于电路的输入处电压，

其中，控制第二反馈路径包括：

当放大器(10)的输出处的电压与输入(16)相比达到第一水平时，递增/递减计数器(26)递增计数；当放大器(10)的输出处的电压与输入(16)相比达到第二水平时，递增/递减计数器(26)递增计数；以及

将递增/递减计数器(26)的输出转换为模拟信号，

其中，模拟信号被施加到增益元件(14)的输入。