[發明專利]電容元件、電容器陣列和A/D轉換器

有效

• 申請號: 201310532817.9
• 申請日: 2013-10-31
• 公開（公告）號: CN103872007A
• 公開（公告）日: 2014-06-18
• 發明（設計）人: 有賀健太
• 申請（專利權）人: 富士通半導體股份有限公司
• 主分類號: H01L23/522
• 分類號: H01L23/522;H03M1/12
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 朱勝;陳煒

技術領域

本文所討論的實施例涉及電容元件、電容器陣列和A/D轉換器。

背景技術

近年來，A/D轉換器廣泛用在各個領域中。更具體地，作為具有相對高分辨率的A/D轉換器，已知逐次逼近型A/D轉換器和Δ-Σ（delta-sigma）A/D轉換器。這樣的A/D轉換器包括例如開關電容器電路，并且以CMOS（互補金屬氧化物半導體）集成電路的形式來廣泛使用。

作為A/D轉換器的性能指標，存在例如線性度、偏移和增益誤差。然而，A/D轉換器的轉換特性的優點很大程度上在于多數情況下的電容元件的匹配、電壓依賴性等的控制。因此，為了實現具有高轉換準確度的A/D轉換器，優選地應用具有良好特性的電容元件。

這樣的具有良好特性的電容元件不限于應用于A/D轉換器，而且例如可廣泛應用于包括用于測量儀器的電路的各種電子電路。

[關于逐次逼近型A/D轉換器]

首先，將說明逐次逼近型A/D轉換器。逐次逼近型A/D轉換器包括內部D/A轉換器（數模轉換器：電容器DAC）、比較器和用于逐次逼近控制的數字電路。

逐次逼近型A/D轉換器通過如下方式來獲得A/D轉換結果：對輸入模擬電壓進行采樣，將輸入模擬電壓與電容器DAC的輸出電壓進行比較，以及搜索兩個電壓最接近匹配的電容器DAC的輸出。

根據包括在電容器DAC中的電容元件的匹配來確定逐次逼近型A/D轉換器的微分非線性（DNL）。于是，當電容元件的匹配不良時，出現缺乏樓梯狀轉移特性的一部分的代碼丟失。

此外，根據包括在電容器DAC中的電容元件的電壓依賴性來確定逐次逼近型A/D轉換器的積分非線性（INL）。當電容元件包括電壓依賴性時，由于電容值隨著電容元件兩端的電壓而改變，因此A/D轉換特性變為非線性，并且這可能是失真的原因。

至此，提出了自校準技術作為解決逐次逼近型A/D轉換器中的電容器失配的問題的方法。自校準技術添加了包括電容器DAC的自校準電路以在制造之后執行單獨校準（例如，參考非專利文獻1）。

使用自校準技術在一定程度上減輕了電容元件的失配的影響。然而，對于包括在自校準電路中的電容器DAC，失配越大，則電路規模增大越多，這使得電路面積和制造成本增加。因此，仍然優選的是具有電容元件的較低失配。

另外，至此，提出了如下方法：其使得電容器DAC為微分結構以便減輕電容元件的電壓依賴性的影響，并且使得在正側和負側施加到電容器DAC的電壓在采樣步驟和比較步驟為相同電壓（例如，參考專利文獻1）。

通過采用上述構成，可以消除電容元件的電壓依賴性的一次項并且改進A/D轉換的線性度。然而，由于等于或高于電容元件的電壓依賴性的二次的項仍存在，因此A/D轉換的線性度受到影響。

[關于Δ-ΣA/D轉換器]

接下來，將說明Δ-ΣA/D轉換器。Δ-ΣA/D轉換器包括Δ-Σ調制器和執行信號處理的數字電壓。

Δ-Σ調制器對輸入信號執行Δ-Σ調制，并且將數字信號傳遞到后面的數字電路。數字電路從經Δ-Σ調制的數字信號中提取期望的信息，并且輸出該信息作為A/D轉換結果。

典型的Δ-Σ調制器由開關電容器來實現，并且包括采樣電路、加減電路、積分電路和電容器DAC。電容元件（諸如采樣電容器、參考電容器和積分電容器）被應用于這些部件（例如，參考非專利文獻2）。

順便地，在具有1位電容器DAC的Δ-ΣA/D轉換器中，電容器DAC僅輸出二值，因此，電容元件的失配不會直接影響線性度。

然而，采樣電容器與參考電容器之間的失配影響偏移，另外，采樣電容器、參考電容器和積分電容器這三個電容之間的失配影響增益誤差。換言之，為了使得偏移和增益誤差小，期望增加電容元件的相對準確度。

在Δ-ΣA/D轉換器中，電容元件的電容值的電壓依賴性影響A/D轉換的線性度。包括典型結構的Δ-ΣA/D轉換器難以使得施加到電容元件的電壓在采樣步驟和積分步驟為相同電壓。

因此，與具有類似分辨率程度的逐次逼近型A/D轉換器相比，Δ-ΣA/D轉換器需要具有甚至更低電壓依賴性的電容元件。

這樣，可以理解，如對于逐次逼近型A/D轉換器或Δ-ΣA/D轉換器，A/D轉換器的準確度高度依賴于電容元件的特性。

[關于集成電路中的電容元件]

存在平行板結構和梳狀結構作為用于具有相對高分辨率的A/D轉換器的電容元件的結構。從晶片橫截面看到的電極之間的電場對于平行板結構而言為長度方向，而對于梳狀結構而言為水平方向。