CN1237832A - 改善电容器矩阵匹配的电容器矩阵布置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种改善电容器矩阵匹配的电容器矩阵布置方法。电容器矩阵布置在具有中心点的几何图形中。所述的几何图形被分成多个第一部分，其中多个第一部分的每个具有对应的第二部分，所述的第二部分在距第一部分的中心点近似相等的距离对角设置。每个第二部分放置预定值的电容器组，其中所述的多个第一部分的每一个放置与对应的第二部分等值的电容器组。

Description

改善电容器矩阵匹配的 电容器矩阵布置
本发明涉及电容器矩阵，特别是涉及改善电容器矩阵匹配的电容器矩阵布置方法。
逐次逼近模拟-数字(A/D)变换器使用二进制加权电容器矩阵。对于对半检索算法，这些电容器的理想尺寸必须具有以下比值：最小的电容器具有单个单位电容，次之为两个单位电容，四个单位电容，八个单位电容，直至2n-1个单位电容(n是A/D变换器的比特分解度)。这样对具512单位电容的最大电容器的10比特A/D变换器，则需要1024单位的电容。为了保证一比特精度，最大电容器必须在整个矩阵的(100×1/2n)％范围之内。另外，遗漏码和***非线性将会出现。
布置电容器矩阵时必须小心谨慎。电容器矩阵必须以避免加工偏差的方式来布置。通常的方式是把电容器矩阵布置为一组基于电容器尺寸增加其半径的同心电容器(参见图3A)。尽管良好的加工匹配可以实现，该构造表现出了***性失配误差。
其它匹配方式可以包含校正电容器矩阵以匹配理想比值的有源电路。这种方法可以产生更精确的结果，但是在硅面积、功率消耗和检验方面则成本更高。
获得高电容器匹配的无源方式是在非常小的区域放置少量的电容器。此外，如果使用少量的电容器，温度计码(thermometer code)可以用来使加工依赖性和电容器相互作用最小的特定电容器能够保证所有的码存在。但是，这种处理的布线非常密集，并且不能保证精度。
因此，存在着对一种提供改进的电容器矩阵布置的需要。改进的电容器矩阵布置必须能够改善电容器矩阵匹配。改进的电容器矩阵布置必须能够以成本有效的方式(即，最低量的硅面积、功率消耗和检验)改善电容器矩阵匹配。改进的电容器矩阵布置必须能够使边缘电容造成的失配最小。改进的电容器矩阵布置必须能够使加工梯度依赖性(process gradient dependence)最小。改进的电容器矩阵布置还必须能够使宏观(macroscopic)电容器失配造成的失配最小。
根据本发明的一个实施例，本发明的目的是提供一种改进的电容器矩阵布置。
本发明的另一个目的是提供一种改进的电容器矩阵布置，它能够以成本有效的方式(即，最低量的硅面积、功率消耗和检验)改善电容器矩阵匹配。
本发明的再一个目的是提供一种改进的电容器矩阵布置，它能够使边缘电容造成的失配最小。
本发明的再一个目的是提供一种改进的电容器矩阵布置，它能够使加工梯度依赖性最小。
本发明的再一个目的是提供一种改进的电容器矩阵布置，它能够使宏观电容器失配造成的失配最小。
根据本发明的一个实施例，公开了一种改善电容器矩阵匹配的电容器矩阵布置方法。该电容器矩阵布置方法包括以下步骤：提供电容器矩阵；把电容器矩阵置入具有中心点的几何图形中；把该几何图形分成若干第一部分，其中若干第一部分的每个具有对应的第二部分，所述的第二部分从第一部分对角设置并且处于距第一部分的中心点近似相等的距离上；和在每个第二部分中放置预定值的电容器组，其中，多个第一部分的每一个放置与对应的第二部分等值的电容器组。电容器矩阵布置方法可以进一步包括以下步骤：把多个第一部分的至少一个分成多个第一分部；把多个第一部分的至少一个的对应的第二部分分成多个第二分部，其中多个第一分部的每一个具有在距中心点近似相等的距离对角设置的对应的第二分部；和在多个第一分部的每个中放置预定值的分电容器组，其中多个第一分部的每个放入与对应的第二分部等值的分电容器组。
根据本发明的另一个实施例，公开了改善电容器矩阵匹配的电容器矩阵布置方法。该电容器矩阵布置方法包括以下步骤：设置电容器矩阵；把电容器矩阵置入具有中心点的几何图形中；把该几何图形分成四个相等部分，其中这些部分的每个共享该中心点，这些部分的每个具有从这些部分的每个对角设置的对应部分；和在这些部分的每个中放置预定值的电容器组，其中，这些部分的每个放置与对应部分等值的电容器组。电容器矩阵布置方法可以进一步包括以下步骤：把这些部分的至少一个分成多个第一分部；把这些部分的至少一个的对应部分分成多个第二分部，其中多个第一分部的每一个具有在距中心点近似相等的距离对角设置的对应的第二分部；和在多个第一分部的每个中放置预定值的分电容器组，其中多个第一分部的每个放入与对应的第二分部等值的分电容器组。
通过下面结合附图对本发明优选实施例的具体说明，将会明白本发明的前述和其它目的、特点和优点。
图1是基于模拟-数字(A/D)变换器的逐次逼近寄存器(SAR)的简化功能方框图；
图2是在图1所示的基于A/D变换器的SAR中使用的电容器矩阵的简化功能方框图；
图3A是在图1所示的基于A/D变换器的SAR中使用的电容器矩阵的已有技术实施例的简化方框图；
图3B示出了电容器矩阵最高有效位(MSB)的电容器矩阵匹配；
图4是将减少边缘电容造成的失配的电容器矩阵的一个分支的简化示意图；
图5A是改善电容器矩阵匹配的电容器矩阵布置的一个实施例的简化方框图；
图5B是改善电容器矩阵匹配的电容器矩阵布置的另一个实施例的简化方框图；
图6A是改善电容器矩阵匹配的电容器矩阵布置的再一个实施例的简化方框图；
图6B是改善电容器矩阵匹配的电容器矩阵布置的又一个实施例的简化方框图；
参考图1，示出了模拟-数字(A/D)变换器10。A/D变换器10具有用于驱动电容器矩阵14的每一行的驱动电路12。驱动电路12由多个单元12A组成。每个单元12A用来驱动电容器矩阵14中的指定列或排。通过触发和不触发电容器矩阵14中的每一排，驱动电路12可以控制电容器矩阵14的输出电压Vout。
电容器矩阵14可以采用不同的实施例。在优选实施例中，电容器矩阵14采用图2所示的二进制加权电容器矩阵14＇的构造。在二进制加权电容器矩阵14＇中，每个电容器组(tank)14A′具有理论上等于2Cn-1的电容值，这里n是大于或等于0的整数，C是单位电容器的电容值。
参见图1，电容器矩阵14的输出电压Vout被送入比较器16的一个输入端。比较器16的第二输入端与取样电路20的输出端耦合。取样电路20具有耦合到模拟输入信号18的输入端。取样电路20以定时间隔对模拟信号取样然后把取样信号送给比较器16。比较器16将取样信号的电压与电容器矩阵14的输出电压Vout进行比较。
在比较这两个输入电压电平之后，根据输出电压Vout是高于或低于取样电压，比较器16将一个信号送给逐次逼近寄存器(SAR)22。然后，SAR 22将向电容器矩阵14的行需要触发和/或不触发的驱动电路12发送信号。
参考图3A-B，示出了现有技术的电容器矩阵布置方法30。电容器矩阵14＇(图2)被布置为一组基于电容器支路14A′(图2)的尺寸增加其半径的同心电容器。电容器矩阵14＇的MSB是最外圈32。电容器矩阵14＇的MSB-1分支是圈34。随着电容器分支14A′的尺寸减小，圈的尺寸也减小。这种情况一直持续到LSB分支被布置为最内圈36。
尽管图3A-B所示的布置方法可以提供精确的加工匹配，但其构造表现出***性失配误差。正如在图3B中可以看到的那样，在MSB变换期间，出现了大的失配误差。为了保证A/D变换器中的一比特精度，最大电容器(MSB)必须在电容器(C到2n-2C)的其它部分的+/-(100×1/2n-1)％范围之内。例如，对于10-比特A/D变换器，如果C至2n-2C=512，则最大电容器必须在511和513单位范围之内。如果最大电容器(MSB)不在这个范围内，则将出现遗漏码和非线性。换句话说，在A/D变换期间可能遗漏一个完整的比特，从而产生不精确的结果。
为了获得良好的匹配电容器矩阵14＇(图2)，应该执行下面的标准。电容器矩阵应该在宏观范围匹配。换句话说，电容器矩阵的每一分支14A′应该由均等的单位电容器组成(参见图4)。电容器矩阵14＇应该进一步使加工梯度依赖性最小。最后，电容器矩阵14＇应该在宏观范围匹配。
参见图4，为了保证因边缘电容的匹配，电容器矩阵14＇(图2)必须在宏观范围匹配。换句话说，电容器矩阵14＇中的所有分支14A′(图2)应该由单位电容器40组成。这样，电容器矩阵14＇的每个电容器分支14A′应该具有2n-1单位电容器40，这里n是大于或等于零的整数。因而，最大电容器(即MSB)将含有并联耦合在一起的512(对于10-比特A/D变换器，n=10)单位电容器40，而不是具有最小电容器(即，LSB)512倍面积的单个电容器。
参见图3A和图3B，在MSB变换期间，外圈32(10比特A/D变换器的512单位电容器)与剩余电容器(下面的512单位电容器)的总和相比较。在同心布置方面，内或下面的512单位电容器具有方形形状，而外圈32或上面的512单位电容器取方形圈(square ring)形状。基于相邻单位电容器40的不同单位电容器40(图4)的相互作用，在宏观形状方面的这种差值造成了失配。
为避免这种失配，当一个分支14A′(图2)与剩余分支14A′相比较时必须以设置相同形状的方式布置电容器矩阵。这样，电容器矩阵14＇应该被布置在具有中心点的几何图形中，例如方形、矩形、圆形或类似图形中。
参见图5A，电容器矩阵14＇(图2)被布置在几何图形70(即，方形或矩形)中。该几何图形70被进一步分成多个部分72。每个部分72将具有在距中心点近似相等距离上对角设置的对应部分72。例如，部分A将具有对应部分A＇。类似地，部分B将具有对应部分B＇。
每个部分72可以进一步细分成一个或多个更小的分部74。每个分部74将具有在距中心点近似相等距离上对角设置的对应分部74。例如，分部X将具有对应部分X＇。类似地，分部Y将具有对应分部Y＇。
每个部分72将放置预定的电容值。对应部分72将放置相等的电容值。类似地，每个分部74将放置预定的电容值，对应分部74将放置相等的电容值。
下面，参照图5B说明相对于10比特A/D变换器的本发明的布置方法的实例。电容器矩阵14＇(图2)被布置在几何图形80中。该几何图形被分成4个相等部分。应该注意的是，该几何图形可以分成四个以上的部分并且所有这些部分不一定具有相等尺寸。(参见图5A和5B)。
第一部分82将有对应部分82′(即，第三部分)。类似地，第二部分84将有对应部分84′(即，第四部分)。这些部分的至少一个可以进一步分成多个分部。在图5B所示的实施例中，第二部分84被细分为8个分部(C,2C,4C,8C,16C,32C,64C，和128C)。类似地，对应部分84′也将细分为8个分部(C＇,2C＇4C′,8C′,16C′,32C′,64C′，和128C′)。
然后，把电容器矩阵的电容器布置到每个部分和分部中。为了避免失配，当A/D变换器的一个比特与剩余比特相比较时，必须以提供相同形状的方式布置电容器矩阵。正如在图5B中所看到的那样，部分82和82′都放置256C大小的电容器。如上所述，部分82和82′将放置并联耦合在一起的256单位大小的电容器40(图4)，而不是具有单位电容器40面积256倍的单个电容器。每个分部将放置与2n-1C大小相同的电容器，这里，n是从0到8的整数。需要说明的是每个分部和对应分部需要放置相同大小的电容器值。
依据图5B所示的实施例，当MSB被激励时，部分82和82′将被激励，而部分84和84′不被激励。此时，电容器矩阵绕中心对称。图5A和图5B所示的布置方法由此匹配宏观电容器尺寸，从而用最小加工梯度效果(processgradient impact)来消除失配误差。
参见图6A和6B，它示出了与图5A和图5B相似的布置方法。它们的主要差别是图6A和6B的几何图形是圆形。
需要说明的是，将不是A/D变换器中的所有比特都允许对称布置。然而，当MSB与剩余电容器相比较时会出现最大失配误差。在MSB与剩余电容器相比较时，本布置方法可以为对称，从而减小了失配误差。
尽管已经结合优选实施例对本发明作了具体说明，但本领域的技术人员将会明白：在不背离本发明的精神和范围的条件下前述和其他形式变化以及细节变化都是可以作出的。

Claims (26)

1．一种改善电容器矩阵匹配的电容器矩阵布置方法，包含以下步骤：
提供电容器矩阵；
把所述的电容器矩阵置入具有中心点的几何图形中；
把所述的几何图形分成多个第一部分，其中多个第一部分的每一个具有对应的第二部分，所述的第二部分从第一部分对角设置并且在距第一部分的中心点近似相等的距离上；和
在所述的第二部分的每一个中放置预定值的电容器组，其中，所述的多个第一部分的每一个放置与对应的第二部分等值的电容器组。
2．根据权利要求1所述的改善电容器矩阵匹配的电容器矩阵布置方法，其中所述第一部分和所述对应的第二部分的每个所述的电容器组包括并联耦合在一起的单位电容器，以获得所述预定值。
3．根据权利要求1所述的改善电容器矩阵匹配的电容器矩阵布置方法，进一步包括步骤：
把所述的多个第一部分的至少一个分成多个第一分部；
把所述的多个第一部分的所述至少一个的所述对应的第二部分分成多个第二分部，其中所述的多个第一分部的每一个具有在距所述的中心点近似相等的距离对角设置的对应的第二分部；和
在所述的多个第一分部的每一个中放置预定值的分电容器组，其中所述的多个第一分部的每一个放置与对应的第二分部等值的分电容器组。
4．根据权利要求3所述的改善电容器矩阵匹配的电容器矩阵布置方法，其中每个所述的第一分电容器组和每个所述的第二分电容器组包括并联耦合在一起的单位电容器，以获得所述预定值。
5．根据权利要求3所述的改善电容器矩阵匹配的电容器矩阵布置方法，进一步包括步骤：激励所述多个第一部分和所述对应的第二部分的至少一个或者激励所述多个第一分部和所述对应的第二分部的至少一个，以获得期望的电容值。
6．根据权利要求1所述的改善电容器矩阵匹配的电容器矩阵布置方法，其中把所述的电容器矩阵置入几何图形中的步骤进一步包括：把所述的电容器矩阵置入方形图形中的步骤。
7．根据权利要求1所述的改善电容器矩阵匹配的电容器矩阵布置方法，其中把所述的电容器矩阵置入几何图形中的步骤进一步包括：把所述的电容器矩阵置入矩形图形中的步骤。
8．根据权利要求1所述的改善电容器矩阵匹配的电容器矩阵布置方法，其中把所述的电容器矩阵置入几何图形中的步骤进一步包括：把所述的电容器矩阵置入圆形图形中的步骤。
9．一种改善电容器矩阵匹配的电容器矩阵布置方法，包括以下步骤：
提供电容器矩阵；
把所述的电容器矩阵置入具有中心点的几何图形中；
把所述的几何图形分成四个相等部分，其中所述部分的每一个共享所述的中心点，所述部分的每一个具有从每个所述部分对角设置的对应部分；和
在每个所述部分中放置预定值的电容器组，其中每个所述部分放置与所述对应部分等值的电容器组。
10．根据权利要求9所述的改善电容器矩阵匹配的电容器矩阵布置方法，其中每个所述的电容器组包括并联耦合在一起的单位电容器，以获得所述预定值。
11．根据权利要求9所述的改善电容器矩阵匹配的电容器矩阵布置方法，进一步包括步骤：
把所述部分和所述对应部分的至少一个分成多个第一分部；
把所述部分的所述至少一个的所述对应部分分成多个第二分部，其中所述的多个第一分部的每一个具有在距所述的中心点近似相等的距离对角设置的对应的第二分部；和
在所述的多个第一分部的每一个中放置预定值的分电容器组，其中所述的多个第一分部的每一个放置与对应的第二分部等值的分电容器组。
12．根据权利要求11所述的改善电容器矩阵匹配的电容器矩阵布置方法，其中所述第一分部和所述互衬第二分部的每一个分电容器组包括并联耦合在一起的单位电容器，以获得所述预定值。
13．根据权利要求11所述的改善电容器矩阵匹配的电容器矩阵布置方法，进一步包括步骤：激励所述部分和所述对应部分的至少一个或者激励所述多个第一分部和所述对应的第二分部的至少一个，以获得期望的电容值。
14．根据权利要求9所述的改善电容器矩阵匹配的电容器矩阵布置方法，其中把所述的电容器矩阵置入几何图形中的步骤进一步包括把所述的电容器矩阵置入方形图形中的步骤。
15．根据权利要求9所述的改善电容器矩阵匹配的电容器矩阵布置方法，其中把所述的电容器矩阵置入几何图形中的步骤进一步包括：把所述的电容器矩阵置入矩形图形中的步骤。
16．根据权利要求9所述的改善电容器矩阵匹配的电容器矩阵布置方法，其中把所述的电容器矩阵置入几何图形中的步骤进一步包括：把所述的电容器矩阵置入圆形图形中的步骤。
17．一种改善电容器矩阵匹配的电容器矩阵布置方法，包括以下步骤：
提供电容器矩阵；
把所述的电容器矩阵置入具有中心点的几何图形中；
把所述的几何图形分成多个第一部分，其中多个第一部分的每一个具有对应的第二部分，所述的第二部分从第一部分对角设置并且位于第一部分的中心点近似相等的距离上；
把所述的多个第一部分的至少一个分成多个第一分部；
把所述的多个第一部分的至少一个的对应的第二部分分成多个第二分部，其中所述的多个第一分部的每一个具有在距所述的中心点近似相等的距离对角设置的对应的第二分部；
在所述多个第一分部的所述至少一个的所述多个第一分部的每一个中放置预定值的分电容器组，其中所述若干第一分部的每一个放置与对应的第二分部等值的分电容器组；
在未分成多个第一分部的每个所述第一部分中放置预定值的电容器组，其中未分成多个第一分部的所述第一部分的每个所述对应的第二部分放置等值的电容器组；和
激励所述多个第一部分和所述对应的第二部分的至少一个或者激励所述若干第一分部和所述对应的第二分部的至少一个，以获得期望的电容值。
18．根据权利要求17所述的改善电容器矩阵匹配的电容器矩阵布置方法，其中所述第一部分和所述对应的第二部分的每一个所述电容器组包括并联耦合在一起的单位电容器，以获得所述预定值。
19．根据权利要求17所述的改善电容器矩阵匹配的电容器矩阵布置方法，其中每个所述的第一分电容器组和每个所述的第二分电容器组包括并联耦合在一起的单位电容器，以获得所述预定值。
20．根据权利要求17所述的改善电容器矩阵匹配的电容器矩阵布置方法，其中把所述的电容器矩阵置入几何图形中的步骤进一步包括：把所述的电容器矩阵置入方形图形中的步骤。
21．根据权利要求17所述的改善电容器矩阵匹配的电容器矩阵布置方法，其中把所述的电容器矩阵置入几何图形中的步骤进一步包括：把所述的电容器矩阵置入矩形图形中的步骤。
22．根据权利要求17所述的改善电容器矩阵匹配的电容器矩阵布置方法，其中把所述的电容器矩阵置入几何图形中的步骤进一步包括：把所述的电容器矩阵置入圆形图形中的步骤。
23．一种根据权利要求1的方法制造的电容器矩阵。
24．一种根据权利要求9的方法制造的电容器矩阵。
25．一种根据权利要求17的方法制造的电容器矩阵。
26．根据权利要求1所述的改善电容器矩阵匹配的电容器矩阵布置方法，其中把所述的电容器矩阵置入几何图形中的步骤进一步包括：把所述的电容器矩阵置入对称几何图形中的步骤。
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