[发明专利]一种微瓦级微电容测量方法及电路

权利要求书

1.一种微瓦级微电容测量电路，其特征在于，包括电容转换电路、寄生消除电路、逻辑控制电路及量化电路；

所述电容转换电路，用于分别对待测电容Ctest、参考电容Cref进行不断充放电，产生周期信号，以电容-频率转换作为电容的读出方法，通过环形振荡器将待测电容Ctest与参考电容Cref分别转换成周期信号T1和T2；周期信号T1被2ⁿ倍分频后产生使能信号EN，使能信号EN用于在量化电路内部作为计数器的控制信号，同时作为逻辑控制电路的输入信号，n表示分频位数；周期信号T2作为量化电路的时钟信号；

所述寄生消除电路，用于连接待测电容Ctest和电容转换电路，通过切换开关对待测电容Ctest及寄生电容进行多次不同分组测量，通过差分方式消除寄生电容对测量结果的影响；

所述逻辑控制电路，用于为寄生消除电路提供所需切换开关的时序控制信号，控制对应开关在单次分组测量完成后，在测量时序内切换到下一分组测量状态；

所述量化电路，用于将电容转换电路得到的频率信号量化为数字信号，输出；

所述电容转换电路包括两个完全匹配的环形振荡器单元，两个环形振荡器单元共用电压基准电路、电流基准电路，每个环形振荡器单元包括一个两级比较器、反相器，反相器包括并联的PMOS管和NMOS管，PMOS管源端与电流基准电路连接，NMOS管源端连接到地；第一级比较器的反相输入端连接电压基准电路，第一级比较器的输出端连接第二级比较器的输入端，第二级比较器的输出端通过缓冲电路连接反相器的输入端，反相器的输出端连接环形振荡器单元的充电节点处，环形振荡器单元的充电节点处回接至第一级比较器的同相输入端；环形振荡器单元的充电节点连接参考电容Cref的一端，参考电容Cref的另一端接地，参考电容Cref集成在芯片内部；待测电容Ctest从芯片外部以浮空模式接入另一个环形振荡器单元的充电节点。

2.根据权利要求1所述的一种微瓦级微电容测量电路，其特征在于，所述寄生消除电路包括连接待测电容Ctest的环形振荡器单元，待测电容Ctest的上极板与开关S1相连，待测电容Ctest的下极板与开关S2相连，开关S1和开关S2都直接与环形振荡器单元的充放电节点相连；在开关S1与待测电容Ctest上极板的节点处，通过开关S4与地相连，在开关S2与待测电容Ctest下极板的节点处，通过开关S3与地相连接；待测电容Ctest的上下极板与芯片的连线上对地存在寄生电容Cpex1、Cpex2。

3.根据权利要求2所述的一种微瓦级微电容测量电路，其特征在于，所述逻辑控制电路根据使能信号EN的变化，在适当的时刻改变寄生消除电路中开关S1、S2、S3、S4的控制信号；在使能信号有效时，逻辑控制电路停止振荡器，并且切换寄生消除电路的开关状态，改变待测电容Ctest接入消除寄生电路的方式，再进行下一组测试。

4.根据权利要求1所述的一种微瓦级微电容测量电路，其特征在于，所述量化电路包括分频电路、计数器电路及运算电路。

5.根据权利要求4所述的一种微瓦级微电容测量电路，其特征在于，所述分频电路，用于将周期信号T1被2ⁿ倍分频后产生使能信号EN。

6.根据权利要求4所述的一种微瓦级微电容测量电路，其特征在于，所述计数器电路包括控制计数器，用于根据使能信号的高低变化对参考电容Cref一路的输出信号进行计数，得到数字信号，存储计数结果。

7.根据权利要求4所述的一种微瓦级微电容测量电路，其特征在于，所述运算电路由加法器和移位电路构成，用于对计数器得到的三组数据进行数值运算与移位运算，输出结果。