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CN118011069A - 适用于高精度片上电容的测量电路 - Google Patents

适用于高精度片上电容的测量电路 Download PDF

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CN118011069A
CN118011069A CN202410047855.3A CN202410047855A CN118011069A CN 118011069 A CN118011069 A CN 118011069A CN 202410047855 A CN202410047855 A CN 202410047855A CN 118011069 A CN118011069 A CN 118011069A
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CN
China
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output end
capacitor
circuit
capacitance
input end
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Application number
CN202410047855.3A
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Inventor
潘锐
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Suzhou Mingzhang Semiconductor Technology Co ltd
Original Assignee
Suzhou Mingzhang Semiconductor Technology Co ltd
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Publication date
Application filed by Suzhou Mingzhang Semiconductor Technology Co ltd filed Critical Suzhou Mingzhang Semiconductor Technology Co ltd
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R1/00—Details of instruments or arrangements of the types included in groups G01R5/00 - G01R13/00 and G01R31/00
    • G01R1/30—Structural combination of electric measuring instruments with basic electronic circuits, e.g. with amplifier
    • G—PHYSICS
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    • G—PHYSICS
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    • G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/26—Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables
    • G01R27/2605—Measuring capacitance

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)

Abstract

本发明涉及一种适用于高精度片上电容的测量电路，采用偏置电流产生电路、时序控制电路、运算放大器、模数转换器、控制开关相连构成链路，链路中串联有参考电容与被测电容，运算放大器采用两个进行布局，运算放大器具有正输入端、负输入端以及输出端，其负输入端与输出端相连，偏置电流产生电路设有独立的输出端，该输出端通过第一开关连接至被测电容，同时该输出端连接到其中一个单位增益电路的正输入端。由此，能够利用通过电容电荷共享原理，引入片外标准电容做参考，可以精确测量芯片内的电容数值。通过将电容两端电压分别作为ADC的输入和参考电压，使得参考电流、充电时间、电容漏电等非理想因素被排除，提高测量精度。

Description

适用于高精度片上电容的测量电路
技术领域
本发明涉及一种测量电路，尤其涉及一种适用于高精度片上电容的测量电路。
背景技术
在芯片设计中，电容器是一个不可或缺的器件。
结合目前的主流的集成电路工艺制程来看，常见的片上电容制作办法有以下几种：
1.利用MOS源漏与栅作为极板的MOS电容。
2.利用相邻的金属作为极板的金属插指电容。
3.利用上下层金属作为极板的MIM电容。
但是，不论哪种工艺，电容的绝对精度都难以做到非常精确，考虑到寄生效应，实际电容值与设计值相差较大。而且随工艺角、温度等参数变化而变化。在一些应用场合中，我们需要知道芯片中的电容器的精确电容值。
目前，传统处理方式如图3所示，构建一个测量电路，其中CDUT为待测的电容器。先将待测电容器进行放电，然后给待测电容器用一个参考电流源Iref进行充电，充电时间为△t，然后将电流源关掉。此时CDUT上的电压值为此电压经过ADC进行模数转换后(这里以8bit ADC为例)，得到数字码
由此可以得到待测电容器的电容为
但此方法中，电流值Iref，时间Δt，电压Vref，都难以做到非常精确，同时考虑到电容上存在的漏电情况，因此CDUT的绝对值需就无法得到精确的测量。
有鉴于上述的缺陷，本设计人，积极加以研究创新，以期创设一种适用于高精度片上电容的测量电路，使其更具有产业上的利用价值。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种适用于高精度片上电容的测量电路。
本发明的用于高精度片上电容的测量电路，其中：采用偏置电流产生电路、时序控制电路、运算放大器、模数转换器、控制开关相连构成链路，
所述链路中串联有参考电容与被测电容，
所述运算放大器采用两个进行布局，所述运算放大器具有正输入端、负输入端以及输出端，其负输入端与输出端相连，分别构成第一单位增益电路，与第二单位增益电路，
所述偏置电流产生电路设有独立的输出端，该输出端通过第一开关连接至被测电容，同时该输出端连接到其中一个单位增益电路的正输入端，
所述被测电容连接到另一个单位增益电路的正输入端，
所述参考电容有一端接地。
进一步地，上述的适用于高精度片上电容的测量电路，其中，所述时序控制电路配置有三个独立输出端，包括第一输出端、第二输出端、第三输出端，
所述第一输出端接至偏置电流产生电路与被测电容之间的第一开关，
所述第二输出端接至被测电容、参考电容、接地之间的第三开关，
所述第三输出端接模数转换器。
更进一步地，上述的适用于高精度片上电容的测量电路，其中，所述模数转换器的信号输入端接第二个单位增益电路的输出端与第二单位增益电路的输出端相连，所述模数转换器的参考电压输入端连接第一单位增益电路的输出端。
更进一步地，上述的适用于高精度片上电容的测量电路，其中，所述模数转换器配置有8位输出信号，作为整个测量电路的输出信号。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：
1、能够利用通过电容电荷共享原理，引入片外标准电容做参考，可以精确测量芯片内的电容数值。
2、通过将电容两端电压分别作为ADC的输入和参考电压，使得参考电流、充电时间、电容漏电等非理想因素被排除，提高测量精度。
3、整个电路布局简单，易于实施。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是适用于高精度片上电容的测量电路的结构示意图。
图2是第一输出端C1和第二输出端C2的时序图。
图3是现有测量电路的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1至2的适用于高精度片上电容的测量电路，其与众不同之处在于：采用偏置电流产生电路、时序控制电路、运算放大器、模数转换器、控制开关相连构成链路。同时，链路中串联有参考电容与被测电容，便于进行参考与对应的测量。实施期间，运算放大器采用两个进行布局，运算放大器具有正输入端、负输入端以及输出端，其负输入端与输出端相连，分别构成第一单位增益电路，与第二单位增益电路。并且，偏置电流产生电路设有独立的输出端，该输出端通过第一开关连接至被测电容，同时该输出端连接到其中一个单位增益电路的正输入端，被测电容连接到另一个单位增益电路的正输入端。电路设立完毕后，参考电容有一端接地。
结合本发明一较佳的实施方式来看，采用的时序控制电路配置有三个独立输出端，包括第一输出端、第二输出端、第三输出端。具体来说，第一输出端接至偏置电流产生电路与被测电容之间的第一开关，第二输出端接至被测电容、参考电容、接地之间的第三开关，第三输出端接模数转换器。
进一步来看，本发明采用的模数转换器的信号输入端接第二个单位增益电路的输出端与第二单位增益电路的输出端相连。同时，模数转换器的参考电压输入端连接第一单位增益电路的输出端。
再者，为了实现检测期间有效的模数处理，模数转换器配置有8位输出信号，作为整个测量电路的输出信号。
本发明的工作原理如下：
如图1所示，将本发明按照电路的规划进行排版，参考电容CREF为片外已经知电容值。时序控制电路产生控制信号，用于控制三个开关对待测电容CDUT和参考电容CREF进行充放电以及ADC的采样控制。同时，第一输出端C1和第二输出端C2的时序图如图2所示。
首先令开关第二开关S2和第三开关S3导通，对待测电容CDUT和参考电容CREF进行放电，使其上的电荷为0。
第二开关S2和第三开关S3关断，第一开关S1导通。由此，偏置电路产生的固定偏置电流，对待测电容CDUT和参考电容CREF进行充电。之后，设充电时间为△t。待测电容CDUT上极板电压为VX，参考电容CREF上极板电压为VT。
在排版期间，测电容CDUT和参考电容CREF为串联，两者可共享一个极板，因此两个电容上的电荷相同。
设VTCREF＝(VX-VT)CDUT。同时，该等式在电容存在漏电情况下，也依然成立。
由此，可以得到：
继而可知，电压VT和电压VX分别经过两个相同的单位增益电路后，分别作为8位ADC的输入与参考电压。
对于模数转换器来看，其输出
由于VIN＝VT，VREF＝VX，
因此，
由此可得片内电容的容值，
由此，待测电容CDUT的实际数值，可由ADC的输出数字码得到，而与偏置电流IREF，充电时间Δt等参数均无关联。
需要注意的是，对于单位增益电路，可以采用目前通用的做法，其后接的低速8位模数转换器，由于速度低，因此可以采用多种形式的电路。但是，这些电路不是本发明所需要保护的要点，在此不再赘述。
通过上述的文字表述并结合附图可以看出，采用本发明后，拥有如下优点：
1、能够利用通过电容电荷共享原理，引入片外标准电容做参考，可以精确测量芯片内的电容数值。
2、通过将电容两端电压分别作为ADC的输入和参考电压，使得参考电流、充电时间、电容漏电等非理想因素被排除，提高测量精度。
3、整个电路布局简单，易于实施。
此外，本发明所描述的指示方位或位置关系，均为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或构造必须具有特定的方位，或是以特定的方位构造来进行操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.适用于高精度片上电容的测量电路，其特征在于：采用偏置电流产生电路、时序控制电路、运算放大器、模数转换器、控制开关相连构成链路，
所述链路中串联有参考电容与被测电容，
所述运算放大器采用两个进行布局，所述运算放大器具有正输入端、负输入端以及输出端，其负输入端与输出端相连，分别构成第一单位增益电路，与第二单位增益电路，
所述偏置电流产生电路设有独立的输出端，该输出端通过第一开关连接至被测电容，同时该输出端连接到其中一个单位增益电路的正输入端，
所述被测电容连接到另一个单位增益电路的正输入端，
所述参考电容有一端接地。
2.根据权利要求1所述的适用于高精度片上电容的测量电路，其特征在于：所述时序控制电路配置有三个独立输出端，包括第一输出端、第二输出端、第三输出端，
所述第一输出端接至偏置电流产生电路与被测电容之间的第一开关，
所述第二输出端接至被测电容、参考电容、接地之间的第三开关，
所述第三输出端接模数转换器。
3.根据权利要求1所述的适用于高精度片上电容的测量电路，其特征在于：所述模数转换器的信号输入端接第二个单位增益电路的输出端与第二单位增益电路的输出端相连，所述模数转换器的参考电压输入端连接第一单位增益电路的输出端。
4.根据权利要求1所述的适用于高精度片上电容的测量电路，其特征在于：所述模数转换器配置有8位输出信号，作为整个测量电路的输出信号。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN119535014A (zh) * 2025-01-23 2025-02-28 杭州荷声科技有限公司 用于超声换能器阵列的自测试装置

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