一种开关电容电路、半导体器件和芯片的制作方法

1.本技术实施例涉及开关电容技术领域，尤其涉及一种开关电容电路、半导体器件和芯片。


背景技术：

2.开关电容电路是一种由开关和电容器组成的电路，其中开关受时钟信号控制，开关电容电路可以利用电荷的存储和转移来对信号进行的各种处理。由于开关电容电路使用金属氧化物半导体(metal-oxide-semiconductor，mos)工艺，使得开关电容电路的尺寸小、功耗低、工艺过程比较简单，且易于大规模集成，因此得到了较快的发展和广泛的应用。
3.现有技术中，通常开关电容电路中使用较大的电容，可以提高开关电容电路的信噪比。然而，较大的电容具有较大的面积，使得开关电容电路的面积开销增大，如此，无法兼顾开关电容电路的信噪比与面积开销。


技术实现要素：

4.鉴于上述问题，本技术实施例提供了一种开关电容电路、半导体器件和芯片，能够保证较高信噪比的同时，降低开关电容电路的面积开销，使得开关电容电路具有较高的信噪比与较小的面积开销。
5.第一方面，本技术实施例提供了一种开关电容电路，包括：开关组件、第一电容、第二电容、第三电容、控制开关和运算单元；
6.信号输入端通过所述开关组件与所述第一电容的第一极板电连接，所述第一电容的第二极板与所述运算单元的输入端电连接，所述第二电容跨接于所述运算单元的输入端与输出端之间；所述控制开关的第一端电连接所述运算单元的输出端，所述控制开关的第二端通过所述第三电容接地；
7.所述控制开关，用于导通所述第三电容和所述运算单元的输出端。
8.一些实施例中，所述信号输入端与所述开关组件的第一端电连接，所述开关组件的第二端与所述第一电容的第一极板电连接，所述开关组件的第三端与所述第一电容的第二极板电连接，所述开关组件的第四端与所述运算单元的输出端电连接。
9.一些实施例中，所述开关组件包括第一开关、第二开关和第三开关；
10.所述信号输入端与所述第一开关的第一端电连接，所述第一开关的第二端分别与所述第一电容的第一极板和所述第二开关电连接，所述第一电容的第二极板与所述第三开关的第一端电连接，所述第三开关的第二端与所述运算单元的输出端电连接。
11.一些实施例中，所述运算单元包括放大器。
12.一些实施例中，所述信号输入端与所述开关组件的第一端电连接，所述开关组件的第二端与所述第一电容的第一极板电连接，所述开关组件的第三端与所述第一电容的第二极板电连接，所述开关组件的第四端与所述运算单元的输入端电连接。
13.一些实施例中，所述开关组件包括第四开关、第五开关、第六开关和第七开关；
14.所述信号输入端与所述第四开关的第一端电连接，所述第四开关的第二端分别与所述第一电容的第一极板和所述第五开关电连接，所述第一电容的第二极板通过所述第六开关与所述运算单元的输入端电连接，所述第一电容的第二极板与所述第七开关电连接。
15.一些实施例中，所述开关组件包括积分器。
16.一些实施例中，所述第一电容和/或所述第二电容的寄生电容复用为所述第三电容。
17.第二方面，本技术实施例提供了一种半导体器件，包括：第一方面提供的任一开关电容电路。
18.第三方面，本技术实施例提供了一种芯片，包括：第一方面提供的任一开关电容电路。
19.本技术实施例的技术方案中，开关电容电路包括：开关组件、第一电容、第二电容、第三电容、控制开关和运算单元；信号输入端通过开关组件与第一电容的第一极板电连接，第一电容的第二极板与运算单元的输入端电连接，第二电容跨接于运算单元的输入端与输出端之间，控制开关的第一端电连接运算单元的输出端，控制开关的第二端通过第三电容接地；控制开关能够导通第三电容和运算单元的输出端，如此，将第三电容接入至开关电容电路中，可以增大开关电容电路的等效容值，降低开关电容电路的噪声，即提高开关电容电路的信噪比。另外，无需采用较大的电容来设置开关电容电路中的第一电容和第二电容，可以降低开关电容电路的面积花销，使得开关电容电路同时具有较高的信噪比和较小的面积开销。
20.上述说明仅是本技术实施例技术方案的概述，为了能够更清楚了解本技术实施例的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本技术实施例的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本技术的具体实施方式。
附图说明
21.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1为本技术实施例提供的一种开关电容电路的结构示意图；
23.图2为本技术实施例提供的另一种开关电容电路的结构示意图；
24.图3为本技术实施例提供的又一种开关电容电路的结构示意图；
25.图4为本技术实施例提供的又一种开关电容电路的结构示意图；
26.图5为本技术实施例提供的又一种开关电容电路的结构示意图。
具体实施方式
27.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
28.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中在申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本技术；本技术的说明书和权利要求书及附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
29.在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本技术的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语“实施例”并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
30.此外，本技术的说明书和权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序，可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
31.在本技术的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，电路结构的“相连”或“连接”除了可以是指物理上的连接，还可以是指电连接或信号连接，例如，可以是直接相连，即物理连接，也可以通过中间至少一个元件间接相连，只要达到电路相通即可，还可以是两个元件内部的连通；信号连接除了可以通过电路进行信号连接外，也可以是指通过媒体介质进行信号连接，例如，无线电波。
32.本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：存在a，同时存在a和b，存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
33.在本技术的描述中，除非另有说明，“多个”和“至少两个”的含义是指两个以上(包括两个)，同理，“多组”和“至少两组”指的是两组以上(包括两组)。
34.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
35.图1为本技术实施例提供的一种开关电容电路的结构示意图，如图1所示，开关电容电路100包括：开关组件10、第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3、控制开关k0和运算单元20。
36.其中，信号输入端通过开关组件10与第一电容c1的第一极板电连接，第一电容c1的第二极板与运算单元20的输入端电连接，第二电容c2跨接于运算单元20的输入端与输出端之间；控制开关k0的第一端电连接运算单元20的输出端，控制开关k0的第二端通过第三电容c3接地。
37.控制开关k0，用于导通第三电容c3和运算单元20的输出端。
38.示例性的，如图1所示，信号输入端电连接开关组件10的第一端，开关组件10的第二端电连接第一电容c1的第一极板，开关组件10的第三端电连接第一电容c1的第二极板、运算单元20的第一输入端和第二电容c2的第一极板，开关组件10的第四端电连接运算单元20的输出端和第二电容c2的第二极板。
39.开关电容电路100处于采样阶段时，开关组件10可以导通信号输入端与第一电容c1的第一极板。若运算单元20的第二输入端接地，如图1所示，第一电容c1的第二极板电连接运算单元20的第一输入端，因此，第一电容c1的第二极板接地。此时，输入电压vin提供的电荷通过信号输入端和开关组件10存储在第一电容c1中，且第一电容c1两端的电压为vin。
40.在上述采样阶段结束后，开关电容电路100进入保持阶段，开关组件10可以断开信号输入端与第一电容c1的第一极板。若开关组件10的第五端接地，如图1所示，开关组件10可以导通第一电容c1的第一极板与地，同时导通第一电容c1的第二极板与第二电容c2。此时，第一电容c1中存储的电荷转移至第二电容c2，同时，基于运算单元20进行相应的信号处理，使得运算单元20的输出电压为vin*c1/c2，即开关电容电路100的输出电压vout＝vin*c1/c2。
41.需要说明的是，图1仅示例性展示了开关电容电路100中运算单元20的第二输入端接地。在实际应用中，开关电容电路100可以是差分开关电容电路，如图2所示，运算单元20的第一输入端和第二输入端分别连接两个差分信号。或者，运算单元20的第二输入端与共模电压电连接。
42.还需要说明的是，图1仅示例性展示了开关组件10的第五端接地。在实际应用中，开关组件10的第五端可以电连接共模电压，或者，可以电连接输入信号的反向信号。
43.在上述实施例的基础上，控制开关k0的第一端电连接运算单元20的输出端，控制开关k0的第二端电连接第三电容c3的第一极板，第三电容c3的第二极板接地，如图1和2所示。
44.控制开关k0处于导通状态时，运算单元20的输出端与第三电容c3的第一极板导通，即运算单元20的输出端与第三电容c3导通，此时，开关电容电路100的输出等效噪声密度可以表示为：
[0045][0046]
其中，h(s)表示开关电容电路100的传递函数，r
eq
表示开关电容电路100的等效电阻，i
eq
表示开关电容电路100的等效电流，c1表示第一电容c1的容值，c2表示第二电容c2的容值，r
on
表示开关组件10的电阻，k表示玻尔兹曼常数，t为温度。
[0047]
由上述式子可知，传递函数h(s)越小，开关电容电路100的输出等效噪声密度越小，即开关电容电路100的噪声越小。h(s)可以表示为：
[0048][0049]
其中，c
eq
表示开关电容电路100的等效容值，且c
eq
可以表示为：
[0050][0051]
其中，c3表示第三电容c3的容值，c
par
表示开关电容电路100的寄生电容的容值。
[0052]
显然，设置第三电容c3后，开关电容电路100的等效容值中增加了c3项，可以增大开关电容电路100的等效容值，如此，可以减小开关电容电路100的输出等效噪声密度，即降低开关电容电路100的噪声，从而提高开关电容电路100的信噪比。同时，无需选择较大的电容来设置第一电容c1和第二电容c2，可以降低开关电容电路100的面积花销，使得开关电容电路100同时具有较高的信噪比和较小的面积开销。
[0053]
本技术实施例中，开关电容电路包括：开关组件、第一电容、第二电容、第三电容、
控制开关和运算单元；信号输入端通过开关组件与第一电容的第一极板电连接，第一电容的第二极板与运算单元的输入端电连接，第二电容跨接于运算单元的输入端与输出端之间，控制开关的第一端电连接运算单元的输出端，控制开关的第二端通过第三电容接地；控制开关能够导通第三电容和运算单元的输出端，如此，将第三电容接入至开关电容电路中，可以增大开关电容电路的等效容值，降低开关电容电路的噪声，即提高开关电容电路的信噪比。另外，无需采用较大的电容来设置开关电容电路中的第一电容和第二电容，可以降低开关电容电路的面积花销，使得开关电容电路同时具有较高的信噪比和较小的面积开销。
[0054]
在一些实施例中，图3为本技术实施例提供的又一种开关电容电路的结构示意图，图3为图1所示实施例的基础上，开关组件10包括第一开关k1、第二开关k2和第三开关k3。
[0055]
其中，信号输入端与第一开关k1的第一端电连接，第一开关k1的第二端分别与第一电容c1的第一极板和第二开关k2的第一端电连接，第一电容c1的第二极板与第三开关k3的第一端电连接，第三开关k3的第二端与运算单元20的输出端电连接。
[0056]
示例性的，运算单元20可以为放大器，如图3所示，信号输入端电连接第一开关k1的第一端，第一开关k1的第二端分别电连接第二开关k2的第一端和第一电容c1的第一极板，第二开关k2的第二端接地，第一电容c1的第二极板电连接运算单元20的第一输入端、第二电容c2的第一极板和第三开关k3的第一端，第二电容c2的第二极板电连接运算单元20的输出端、第三开关k3的第二端和控制开关k0的第一端。
[0057]
在开关电容电路100的采样阶段，第一开关k1导通，第二开关k2和第三开关k3均断开，则第一电容c1的第一极板与信号输入端导通，第一电容c1的第二极板与运算单元20的第一输入端导通，如此，输入电压vin提供的电荷通过信号输入端和第一开关k1存储在第一电容c1中。在开关电容电路100的保持阶段，第一开关k1断开，第二开关k2和第三开关k3均导通，则第一电容c1的第一极板与地导通，第一电容c1的第二极板与第二电容c2的第一极板导通，如此，第一电容c1中存储的电荷转移至第二电容c2；同时，基于运算单元20对输入电压vin进行放大处理。
[0058]
需要说明的是，图3仅示例性展示了第二开关k2的第二端接地。在实际应用中，第二开关k2的第二端可以电连接共模电压，或者，可以电连接输入信号的反向信号。
[0059]
在一些实施例中，图4为本技术实施例提供的又一种开关电容电路的结构示意图，如图4所示，信号输入端与开关组件10的第一端电连接，开关组件10的第二端与第一电容c1的第一极板电连接，开关组件10的第三端与第一电容c1的第二极板电连接，开关组件10的第四端与运算单元20的输入端电连接。
[0060]
示例性的，如图4所示，信号输入端电连接开关组件10的第一端，开关组件10的第二端电连接第一电容c1的第一极板，开关组件10的第三端电连接第一电容c1的第二极板，开关组件10的第四端电连接运算单元20的第一输入端和第二电容c2的第一极板，第二电容c2的第二极板电连接运算单元20的输出端，开关组件10的第五端接地，运算单元20的第二输入端接地。
[0061]
开关电容电路100处于采样阶段，开关组件10可以导通信号输入端与第一电容c1的第一极板，还可以导通第一电容c1的第二极板与地。如此，输入电压vin提供的电荷通过信号输入端和开关组件10存储在第一电容c1中，且第一电容c1两端的电压为vin。
[0062]
开关电容电路100处于保持阶段，开关组件10可以断开第一电容c1的第一极板与
信号输入端，并导通第一电容c1的第一极板与地；还可以断开第一电容c1的第二极板与地，并导通第一电容c1的第二极板与第二电容c2的第一极板。如此，第一电容c1中存储的电荷转移至第二电容c2，同时，基于运算单元20进行相应的信号处理。
[0063]
需要说明的是，图4仅示例性展示了开关电容电路100中运算单元20的第二输入端接地。在实际应用中，开关电容电路100可以是差分开关电容电路，运算单元20的第一输入端和第二输入端分别连接两个差分信号。或者，运算单元20的第二输入端与共模电压电连接。
[0064]
还需要说明的是，图4仅示例性展示了开关组件10的第五端接地。在实际应用中，开关组件10的第五端可以电连接共模电压，或者，可以电连接输入信号的反向信号。
[0065]
在一些实施例中，图5为本技术实施例提供的又一种开关电容电路的结构示意图，图5为图4所示实施例的基础上，开关组件10包括第四开关k4、第五开关k5、第六开关k6和第七开关k7。
[0066]
其中，信号输入端与第四开关k4的第一端电连接，第四开关k4的第二端分别与第一电容c1的第一极板和第五开关k5电连接，第一电容c1的第二极板通过第六开关k6与运算单元20的输入端电连接，第一电容c1的第二极板与第七开关k7电连接。
[0067]
示例性的，运算单元20可以为积分器，如图5所示，信号输入端电连接第四开关k4的第一端，第四开关k4的第二端电连接第五开关k5的第一端和第一电容c1的第一极板，第五开关k5的第二端接地，第一电容c1的第二极板电连接第六开关k6的第一端和第七开关k7的第一端，第六开关k6的第二端电连接运算单元20的第一输入端和第二电容c2的第一极板，第七开关k7的第二端电连接接地，第二电容c2的第二极板电连接运算单元20的输出端。
[0068]
在开关电容电路100的采样阶段，第四开关k4和第七开关k7导通，第五开关k5和第六开关k6断开，则导通信号输入端和第一电容c1的第一极板，导通第一电容c1的第二极板与地。如此，输入电压vin提供的电荷可以存储在第一电容c1中。在开关电容电路100的保持阶段，第四开关k4和第七开关k7断开，第五开关k5和第六开关k6导通，则导通第一电容c1的第一极板与地，导通第一电容c1的第二极板与第二电容c2，以及导通第一电容c1的第二极板与运算单元20的第一输入端。如此，第一电容c1中存储的电容可以转移至第二电容c2，同时，基于运算单元20对输入电压vin进行积分处理。
[0069]
需要说明的是，图5仅示例性展示了第五开关k5的第二端和第七开关k7的第二端均接地。在实际应用中，第五开关k5的第二端和第七开关k7的第二端可以电连接共模电压，或者，可以电连接输入信号的反向信号。
[0070]
上述实施例仅示例性展示了运算单元20可以为积分器或者放大器，在实际应用中，运算单元还可以是滤波器或者模数转换器。例如，若开关电容电路100为开关电容放大器电路，则运算单元20包括放大器；若开关电容电路100为开关电容积分器电路，则运算单元20包括积分器；若开关电容电路100为开关电容滤波电路，则运算单元20包括滤波器；若开关电容电路100为开关电容模数转换电路，则运算单元20包括模数转换器。
[0071]
在一些实施例中，第一电容c1和/或第二电容c2的寄生电容复用为第三电容c3。
[0072]
基于上述实施例可知，将开关电容电路100的寄生电容c
par
接入开关电容电路100中，可以增大开关电容电路100的等效电容c
eq
，从而可以减小开关电容电路100的输出等效噪声密度，即降低开关电容电路100的噪声，提升开关电容电路100的信噪比。
[0073]
开关电容电路100的寄生电容c
par
主要由第一电容c1和第二电容c2提供，据此，可以将第一电容c1的寄生电容和第二电容c2的寄生电容中的至少一个复用为第三电容c3。如此，在提高开关电容电路100的信噪比的同时，无需另外设置第三电容c3，可以进一步降低开关电容电路100的面积花销。
[0074]
本技术实施例还提供了一种半导体器件，半导体器件包括上述任一实施例提供的开关电容电路100。
[0075]
本技术实施例提供的半导体器件包括上述任一实施例提供的开关电容电路100，具有与开关电容电路100相同的功能模块和有益效果，这里不再赘述。
[0076]
本技术实施例还提供了一种芯片，包括上述任一实施例提供的开关电容电路100。
[0077]
示例性的，将上述任一实施例提供的开关电容电路100集成到芯片中，可以减小开关电容电路100的体积，有利于开关电容电路100的小型化发展。
[0078]
本技术实施例提供的芯片包括上述任一实施例提供的电压转换电路，具有与电压转换电路相同的功能模块和有益效果，这里不再赘述。
[0079]
以上公开的仅为本技术的具体实施例，但是，本技术实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本技术的保护范围。
[0080]
本技术描述的“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本技术可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了装置若干的单元权利要求中，这些装置中的若干个单元可以是通过同一个硬件项来具体体现。第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序，可将这些单词解释为名称。上述实施例中的步骤，除有特殊说明外，不应理解为对执行顺序的限定。
[0081]
以上所述，以上实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围。