CN105954596A - 一种用于小电容失配检测及绝对值测量的电路及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于小电容失配及绝对值测量的电路及其测量方法，该电路包括：环形振荡器，包括n个相同串联的反相器，用于利用反相器的延迟将输入数字信号连续进行反相并最终在输出端得到同相信号并反馈至输入端从而获得正反馈形成持续的振荡；负载电容阵列，连接于该环形振荡器的各反相器的输出端作为环形振荡器的负载，用于改变振荡器的输出频率；开关控制阵列，用于改变该负载电容阵列中的电容连接方式,通过本发明，可实现小电容的失配检测。

Description

一种用于小电容失配检测及绝对值测量的电路及方法
技术领域
本发明涉及集成电路设计领域，特别是涉及一种用于小电容失配检测及绝对值测量的电路及方法。
背景技术
在集成电路芯片中电容作为关键器件被广泛使用。电容失配是指在集成电路加工中，因为工艺的系统误差或随机误差造成的相同版图的两个电容，其电容值不一样的现象，通常将一对电容的偏差称为电容失配(mismatch)。电容失配对很多电路的精度会有严重影响，特别是一些模拟电路，高精度的数模和模数转换电路和开关电路等。电容失配检测成为必须。随着工艺的发展，芯片面积越来越小，而电容通常也越做越小，各种高介电常数介质材料的引入，使得电容面积可以越做越小，新工艺材料和更小的面积，使得电容的失配越来越严重，因此，实时而大量的电容失配检测成为必须。
最简单的方法，电容失配可以通过一对电容的直接测量来得到，但是多数应用中，其电容值大小多在pF级，电容失配的数量级通常在fF级，而目前电容测试设备(如Agilent的4284)只能对pF级进行准确测量，因此直接测量小电容的失配无法实现。
发明内容
为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种用于小电容失配检测及绝对值测量的电路及方法，其实现了小电容的失配检测。
为达上述及其它目的，本发明提出一种用于小电容失配及绝对值测量的电路，包括：
环形振荡器，包括n个相同串联的反相器，用于利用反相器的延迟将输入数字信号连续进行反相并最终在输出端得到同相信号并反馈至输入端从而获得正反馈形成持续的振荡；
负载电容阵列，连接于该环形振荡器的各反相器的输出端作为环形振荡器的负载，用于改变振荡器的输出频率；
开关控制阵列，用于改变该负载电容阵列中的电容连接方式。
进一步地，该负载电容阵列包括2n个相同设计值的电容，每两个连接在一反相器的输出端。
进一步地，该开关控制阵列包括2n个相同开关，每个开关接在该负载电容阵列的一电容与地之间。
进一步地，该环形振荡器由与非门(A0)、反相器(A1-A(n-1))逐一首尾相连构成环路，该与非门(A0)的输出端接反相器(A1)的输入端，该反相器(A1)的输出端接反相器(A2)的输入端，依次类推，反相器(A(n-2))的输出端接反相器(A(n-1))的输入端，反相器(A(n-1))的输出端接该与非门(A0)的输入端，控制信号(ST)接该与非门(A0)的另一输入端。
进一步地，该环形振荡器的反相器结构和个数必须保证电路满足巴克豪森震荡条件。
进一步地，该负载电容阵列的电容(C(2i+1))与电容(C(2i+2))的一端连接反相器(Ai)的输出端，另一端分别连接开关控制阵列的开关(K(2i+1))与开关(K(2i+2))的一端。
进一步地，该开关控制阵列的开关(K(2i+1))与开关(K(2i+2))的另一端接地，其控制端分别连接控制信号(S(i+1))与控制信号(S(i+1)B)，控制信号(S(i+1))与控制信号(S(i+1)B)互为反相信号。
进一步地，于测量时，由开关控制阵列使每对电容中同一时间只有一个电容与地相连作为该环形振荡器的负载，并通过控制信号(ST)施加一个由低到高的瞬态信号，使环形振荡器起振。
进一步地，于测量时，依次切换该开关控制阵列的各开关，分别测得该负载电容阵列的各电容作为该环形振荡器负载时环形振荡器的频率f1-f2n。
为达到上述目的，本发明还提供一种用于电容失配检测及绝对值测量电路的测量方法，包括如下步骤：
步骤一，由开关控制阵列控制使负载电容阵列的每对电容同一时间只有一个与地相连，作为环形振荡器的负载，并给环形振荡器的控制信号(ST)施加一个由低到高的瞬态信号，使该环形振荡器起振；
步骤二，依次切换开关控制阵列的各开关，测得负载电容阵列的各电容作为环形振荡器负载时环形振荡器的频率f1-f2n，频率的，数学期望值为f0；
步骤三，假设环形振荡器的仿真结果可信、够准确，那么给定一个环形振荡器，随着负载电容在一定范围内变化时，其频率曲线单调且唯一，即如果电容负载C时的输出频率为b，那么在C附近有失配ΔC时的输出频率可以表示为其中f为实际频率；ΔC为电容失配量；φ为一特定函数。假设电容实际测量值服从高斯分布，数学期望值为C0，那么负载为C0时对应的频率即f0；
步骤四，回归到环形振荡器的频率仿真曲线；
步骤五，将频率f0代入曲线，得出待测电容的数学期望值，分别将f1-f2n代入曲线，即可得到各电容的绝对值和失配值。
与现有技术相比，本发明一种用于电容失配检测及绝对值测量的电路及其测量方法通过开关控制阵列控制使负载电容阵列的每对电容同一时间只有一个与地相连，作为环形振荡器的负载，然后给环形振荡器的控制电平ST施加一个由低到高的瞬态信号，使环形振荡器起振，通过依次切换开关控制阵列的各开关，测得负载电容阵列的各电容作为环形振荡器负载时环形振荡器的频率，并采用相应的测量方法实现了小电容的失配检测及绝对值测量。
附图说明
图1为本发明一种用于小电容失配检测及绝对值测量的电路的电路结构图；
图2为本发明一种用于电容失配检测及绝对值测量电路的测量方法的步骤流程图；
图3为本发明具体实施例中用于电容失配检测及绝对值测量电路的测量方法的步骤流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
图1为本发明一种用于小电容失配检测及绝对值测量的电路的电路结构图。如图1所示，本发明一种用于小电容失配检测及绝对值测量的电路，包括：环形振荡器10、负载电容阵列20、开关阵列30。
其中，环形振荡器10由数字电路易于实现的n(n通常为3个或以上的奇数)个相同的反相器(本实施例中一端接控制电平的与非门A0等同反相器)组成，用于利用反相器的延迟将输入数字信号连续进行反相并最终在输出端得到同相信号并反馈至输入端从而获得正反馈形成持续的振荡；负载电容阵列20由2n个相同设计值的电容组成，其连接于反相器的输出端作为环形振荡器10的负载，用于改变振荡器的输出频率；开关阵列30由2n个相同开关组成，每两个为一组，用于改变负载电容阵列20中的电容连接方式(如是否作为负载接入振荡器)。
具体地说，与非门A0、反相器A1-A(n-1)逐一首尾相连构成环路，即A0的输出端接A1的输入端，A1的输出端接A2的输入端，……，A(n-2)的输出端接A(n-1)的输入端，A(n-1)的输出端接A0的输入端，控制信号ST接A0的另一输入端；电容C(2i+1)与C(2i+2)之一端连接反相器Ai的输出端(i＝0，1，……，n-1)，其另一端分别连接开关K(2i+1)与K(2i+2)之一端；开关K(2i+1)与K(2i+2)之另一端接地，其控制端分别连接控制信号S(i+1)与S(i+1)B，控制信号S(i+1)与S(i+1)B互为反相信号。
本实施例以n＝3进行说明，当ST为高电平时，与非门A0相当于一个与A1、A2驱动能力一样的反相器，此时，A0、A1、A2一起构成环形振荡器。开关控制信号S1和S1B保证电容C1和C2同一时间只有一个与地连接，作为环形振荡器的负载。S2和S2B、S3和S3B同理。
在此需说明的是，图1中仅以一个与非门和两个反相器构成的环形振荡器为例，但实际在设计中，可以根据实际情况，变换反相器结构和个数，但必须保证电路满足巴克豪森震荡条件。
测量时，由开关控制使C1和C2、C3和C4、C5和C6三对电容中同一时间只有一个与地相连，作为环形振荡器的负载，给ST信号施加一个由低到高的瞬态信号，使环形振荡器起振。
如当S1控制开关闭合、S1B控制开关断开时，C1作为环形振荡器的负载，测得环形振荡器的频率f1；然后其他开关不变，切换开关K1和K2(通过S1和S1B)，使K1断开、K2闭合，使C2作为环形振荡器的负载，测得环形振荡器的频率为f2。同理，可以测得C3-C6作为负载时，对应的频率分别为f3-f6。重复上述方法，测得多组数据f1-f2n。
由于给定一个环形振荡器，随着负载电容在一定范围内变化时，其频率曲线单调且唯一。设电容负载C时的输出频率为b，那么在C附近有失配ΔC时的输出频率可以表示为其中f为实际频率；ΔC为电容失配量；φ为一特定函数。假设电容实际测量值服从高斯分布，测量结果的数学期望值为C0，那么负载为C0时对应的频率即f0；将数据f1-f2n以及其数学期望值f0代入该环形振荡器的曲线，即可得到电容的绝对值和失配值。
图2为本发明一种用于电容失配检测及绝对值测量电路的测量方法的步骤流程图。如图2所示，本发明一种用于电容失配检测及绝对值测量电路的测量方法，包括如下步骤：
步骤201，由开关控制阵列控制使负载电容阵列的每对电容同一时间只有一个与地相连，作为环形振荡器的负载，给环形振荡器的控制电平ST施加一个由低到高的瞬态信号，使环形振荡器起振。
步骤202，依次切换开关控制阵列的各开关，测得负载电容阵列的各电容作为环形振荡器负载时环形振荡器的频率f1-f2n。以n为3为例，如当S1控制开关K1闭合、S1B控制开关K2断开时，C1作为环形振荡器的负载，测得环形振荡器的频率f1；然后其他开关不变，切换开关K1和K2(通过S1和S1B)，使开关K1断开、K2闭合，使C2作为环形振荡器的负载，测得环形振荡器的频率为f2。同理，可以测得C3-C6作为负载时，对应的频率分别为f3-f6。重复上述方法，测得多组数据f1-f2n。
步骤203，假设环形振荡器的仿真结果可信、够准确，那么给定一个环形振荡器，随着负载电容在一定范围内变化时，其频率曲线单调且唯一。设电容负载C时的输出频率为b，那么在C附近有失配ΔC时的输出频率可以表示为其中f为实际频率；ΔC为电容失配量；φ为一特定函数。假设电容实际测量值服从高斯分布，测量结果的数学期望值为C0，那么负载为C0时的频率即f0；
步骤204，回归到环形振荡器的频率仿真曲线；
步骤205，将步骤202测得的多组数据f1-f2n以及其数学期望值f0代入该曲线，得到电容的绝对值和失配值。
图3为本发明具体实施例中用于电容失配检测及绝对值测量电路的测量方法的步骤流程图。如图3所示，
测量时，由开关控制使C1和C2、C3和C4、C5和C6三对电容中同一时间只有一个与地相连，作为环形振荡器的负载，给ST信号施加一个由低到高的瞬态信号，使环形振荡器起振。
如当S1闭合、S1B断开时，C1作为环形振荡器的负载，测得环形振荡器的频率f1；然后其他开关不变，切换开关S1和S1B，使S1断开、S1B闭合，使C2作为环形振荡器的负载，测得环形振荡器的频率为f2.。同理，可以测得C3-C6作为负载时，对应的频率分别为f3-f6。
由于给定一个环形振荡器，随着负载电容在一定范围内变化时，其频率曲线单调且唯一。设电容负载C时的输出频率为b，那么在C附近有失配ΔC时的输出频率可以表示为其中f为实际频率；ΔC为电容失配量；φ为一特定函数。假设电容实际测量值服从高斯分布，测量结果的数学期望值为C0，那么负载为C0时的频率即f0；将数据f1-f6以及其数学期望值f0代入该环形振荡器的曲线，即可得到电容的绝对值和失配值。
综上所述，本发明一种用于电容失配检测及绝对值测量的电路及其测量方法通过开关控制阵列控制使负载电容阵列的每对电容同一时间只有一个与地相连，作为环形振荡器的负载，然后给环形振荡器的控制电平ST施加一个由低到高的瞬态信号，使环形振荡器起振，通过依次切换开关控制阵列的各开关，测得负载电容阵列的各电容作为环形振荡器负载时环形振荡器的频率，并采用相应的测量方法实现了小电容的失配检测及绝对值测量。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (10)

1.一种用于小电容失配及绝对值测量的电路，包括：
环形振荡器，包括n个相同串联的反相器，用于利用反相器的延迟将输入数字信号连续进行反相并最终在输出端得到同相信号并反馈至输入端从而获得正反馈形成持续的振荡；
负载电容阵列，连接于该环形振荡器的各反相器的输出端作为环形振荡器的负载，用于改变振荡器的输出频率；
开关控制阵列，用于改变该负载电容阵列中的电容连接方式。
2.如权利要求1所述的一种用于小电容失配及绝对值测量的电路，其特征在于：该负载电容阵列包括2n个相同设计值的电容，每两个连接在一反相器的输出端。
3.如权利要求2所述的一种用于小电容失配及绝对值测量的电路，其特征在于：该开关控制阵列包括2n个相同开关，每个开关接在该负载电容阵列的一电容与地之间。
4.如权利要求2所述的一种用于小电容失配及绝对值测量的电路，其特征在于：该环形振荡器由与非门(A0)、反相器(A1-A(n-1))逐一首尾相连构成环路，该与非门(A0)的输出端接反相器(A1)的输入端，该反相器(A1)的输出端接反相器(A2)的输入端，依次类推，反相器(A(n-2))的输出端接反相器(A(n-1))的输入端，反相器(A(n-1))的输出端接该与非门(A0)的输入端，控制信号(ST)接该与非门(A0)的另一输入端。
5.如权利要求4所述的一种用于小电容失配及绝对值测量的电路，其特征在于：该环形振荡器的反相器结构和个数必须保证电路满足巴克豪森震荡条件。
6.如权利要求4所述的一种用于小电容失配及绝对值测量的电路，其特征在于：该负载电容阵列的电容(C(2i+1))与电容(C(2i+2))的一端连接反相器(Ai)的输出端，另一端分别连接开关控制阵列的开关(K(2i+1))与开关(K(2i+2))的一端。
7.如权利要求6所述的一种用于小电容失配及绝对值测量的电路，其特征在于：该开关控制阵列的开关(K(2i+1))与开关(K(2i+2))的另一端接地，其控制端分别连接控制信号(S(i+1))与控制信号(S(i+1)B)，控制信号(S(i+1))与控制信号(S(i+1)B)互为反相信号。
8.如权利要求7所述的一种用于小电容失配及绝对值测量的电路，其特征在于：于测量时，由开关控制阵列使每对电容中同一时间只有一个电容与地相连作为该环形振荡器的负载，并通过控制信号(ST)施加一个由低到高的瞬态信号，使环形振荡器起振。
9.如权利要求8所述的一种用于小电容失配及绝对值测量的电路，其特征在于：于测量时，依次切换该开关控制阵列的各开关，分别测得该负载电容阵列的各电容作为该环形振荡器负载时环形振荡器的频率f1-f2n。
10.一种用于电容失配检测及绝对值测量电路的测量方法，包括如下步骤：
步骤一，由开关控制阵列控制使负载电容阵列的每对电容同一时间只有一个与地相连，作为环形振荡器的负载，并给环形振荡器的控制信号(ST)施加一个由低到高的瞬态信号，使该环形振荡器起振；
步骤二，依次切换开关控制阵列的各开关，测得负载电容阵列的各电容作为环形振荡器负载时环形振荡器的频率f1-f2n，频率的数学期望值为f0；
步骤三，假设环形振荡器的仿真结果可信、够准确，那么给定一个环形振荡器，随着负载电容在一定范围内变化时，其频率曲线单调且唯一，即如果电容负载C时的输出频率为b，那么在C附近有失配ΔC时的输出频率可以表示为其中f为实际频率；ΔC为电容失配量；φ为一特定函数，假设电容实际测量值服从高斯分布，数学期望值为C0，那么负载为C0时对应的频率即f0；
步骤四，回归到环形振荡器的频率仿真曲线；
步骤五，将频率f0代入曲线，得出待测电容的数学期望值，分别将f1-f2n代入曲线，即可得到各电容的绝对值和失配值。
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