一种用于小电容失配检测及绝对值测量的电路及方法
【专利摘要】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。
【专利说明】
-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
[0001] 本发明设及集成电路设计领域，特别是设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】
[0002] 在集成电路忍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，忍片面积越来越小，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W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。
[0003] 最简单的方法，电容失配可W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】
[0004] 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。
[0005] 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：
[0006] 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；
[0007] 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；
[000引开关控制阵列，用于改变该负载电容阵列中的电容连接方式。
[0009] 进一步地，该负载电容阵列包括化个相同设计值的电容，每两个连接在一反相器 的输出端。
[0010] 进一步地，该开关控制阵列包括化个相同开关，每个开关接在该负载电容阵列的 一电容与地之间。
[OCm]进一步地，该环形振荡器由与非n(A0)、反相器(Al-A(n-l))逐一首尾相连构成环 路，该与非口（AO)的输出端接反相器(Al)的输入端，该反相器(Al)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-l))的输入端，反相器(A(n- 1))的输出端接该与非口 (AO)的输入端，控制信号(ST)接该与非口 (AO)的另一输入端。
[0012]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己克豪森震荡条 件。
[0013] 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化(2i+l))与开关化(2i+2))的一端。
[0014] 进一步地，该开关控制阵列的开关化(2i + l))与开关化(2i+2))的另一端接地，其 控制端分别连接控制信号（SQ+1))与控制信号（S(i+1)B)，控制信号（SQ+1))与控制信号 (S(i+1)B)互为反相信号。
[0015] 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。
[0016] 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n-f化。
[0017] 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：
[0018] 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；
[0019] 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n-f化，频率的，数学期望值为fo;
[0020] 步骤=，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A別寸的输出频率可W表示为f=(p(AC)+b，其中f为实际频率；AC 为电容失配量；4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CO,那 么负载为CO时对应的频率即fO;
[0021 ]步骤四，回归到环形振荡器的频率仿真曲线；
[0022] 步骤五，将频率fo代入曲线，得出待测电容的数学期望值，分别将n-f化代入曲 线，即可得到各电容的绝对值和失配值。
[0023] 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】
[0024] 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；
[0025] 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；
[0026] 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】
[0027] W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 由本说明书所掲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 W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。
[0028] 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。
[0029] 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W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口 AO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由化个相同 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）。
[0030] 具体地说，与非口 A0、反相器Al-A(n-l)逐一首尾相连构成环路，即AO的输出端接 Al的输入端，Al的输出端接A2的输入端，......，4(11-2)的输出端接4(]1-1)的输入端，4(]1-1) 的输出端接AO的输入端，控制信号ST接AO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，l，……，11-1)，其另一端分别连接开关1((21+1)与1((21+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。
[0031] 本实施例Wn = 3进行说明，当ST为高电平时，与非口AO相当于一个与A1、A2驱动能 力一样的反相器，此时，AO、A1、A2-起构成环形振荡器。开关控制信号Sl和SlB保证电容Cl 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。
[0032] 在此需说明的是，图1中仅W-个与非口和两个反相器构成的环形振荡器为例，但 实际在设计中，可W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己克豪森 震荡条件。
[0033] 测量时，由开关控制使Cl和C2、C3和C4、C5和C6S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。
[0034] 如当Sl控制开关闭合、SlB控制开关断开时，Cl作为环形振荡器的负载，测得环形 振荡器的频率n;然后其他开关不变，切换开关Kl和K2(通过Sl和S1B)，使Kl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W测得C3-C6作为负载 时，对应的频率分别为巧-f6。重复上述方法，测得多组数据n-f化。
[0035] 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。设电容负载別寸的输出频率为b，那么在C附近有失配A別寸的输出频率可W表示为 f=奶AC)+b，其中f为实际频率；A C为电容失配量；d)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CO，那么负载为CO时对应的频率即fo;将数据n- f化W及其数学期望值fO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。
[0036] 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：
[0037] 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。
[0038] 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n-f化。Wn为3为例，如当Sl控制开关Kl闭合、SlB控制开 关K2断开时，Cl作为环形振荡器的负载，测得环形振荡器的频率n;然后其他开关不变，切 换开关Kl和K2(通过Sl和S1B)，使开关Kl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W测得C3-C6作为负载时，对应的频率分别为巧-f6。重复上 述方法，测得多组数据n-f化。
[0039] 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A別寸的输出频率可W表示为f=q>(AC)+b，其中f为实际频率；A C为电 容失配量；4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 CO,那么负载为CO时的频率即fO;
[0040] 步骤204,回归到环形振荡器的频率仿真曲线；
[0041] 步骤205,将步骤202测得的多组数据n-f化W及其数学期望值fO代入该曲线，得 到电容的绝对值和失配值。
[0042] 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，
[0043] 测量时，由开关控制使Cl和C2、C3和C4、C5和C6S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。
[0044] 如当Sl闭合、SlB断开时，Cl作为环形振荡器的负载，测得环形振荡器的频率n;然 后其他开关不变，切换开关Sl和S1B，使Sl断开、SlB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W测得C3-C6作为负载时，对应的频率分别为巧-f6。
[0045] 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。设电容负载別寸的输出频率为b，那么在C附近有失配A別寸的输出频率可W表示为 f=(p(AC)+b，其中f为实际频率；AC为电容失配量；(6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CO,那么负载为CO时的频率即fO;将数据n-f6W 及其数学期望值fO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。
[0046] 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。
[0047]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。
【主权项】
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η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2η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2η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（Α0)、反相器(Al-A(n-l))逐一首尾相连构成环路，该与非门(Α0)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-l))的输入端，反相器(A(n-l))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+Ι))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fl-f2n。10. -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fl-f 2n，频率的数学期望值为f 0; 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AC时的输出频率可以表示为f=q)(AC)+b，其中f为实际频率；AC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CO时对应的频率即??; 步骤四，回归到环形振荡器的频率仿真曲线； 步骤五，将频率f〇代入曲线，得出待测电容的数学期望值，分别将fl-f2n代入曲线，即 可得到各电容的绝对值和失配值。
【文档编号】G01R27/26GK105954596SQ201610250571
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年4月21日
【发明人】王志利, 张宁, 张轩
【申请人】上海华力微电子有限公司