一种等效电容模块、等效电容电路及芯片的制作方法

1.本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种等效电容模块、等效电容电路及芯片。


背景技术：

2.在集成电路中电容是不可或缺的元器件，它具有耦合交流信号、构建延迟和相移网络、滤波等作用，一般集成电路中的电容都是平行板电容器，它由称为电极的两块导电平板及一层称为电介质的绝缘材料组成，上下两块电极板分别位于电介质的两侧。
3.平行板电容器的电容值可通过公式c=a*εr*ε0/t近似算出，其中a为极板面积，ε0=8.85*10-18
f/um，εr是电介质的相对介电常数，t为电介质层厚度。以电介质层厚度为0.1um的sio2为例，其相对介电常数为4，可以算出1nf的电容需要的极板面积为2.825*106um2，而一颗完整芯片的尺寸通常就在2*106um
2-4*106um2，可以看出在集成电路中制造1nf的电容所需的面积是非常大的，故基于成本考虑，片上集成电容不会超过几百皮法。
4.在集成电路中很难集成超过几百皮法的电容，所以大电容均采用片外连接的方式实现。但采用片外连接的方式，即意味着需要额外增加芯片的封装管脚，不利于系统的小型化，且增加了成本。


技术实现要素：

5.本发明为了克服背景技术中提到的集成电路无法集成大电容的问题，提供一种等效电容模块、等效电容电路及芯片。
6.为了实现上述目的，本发明实施例首先提供了一种等效电容模块，包括：偏置级、第一输入级、第二输入级、输出级，所述偏置级由pnp管q25、q31、q34组成，q25、q31、q34的基极互连，q25、q31、q34的发射极都与vdd端相连，q25集电极为第一输入级提供偏置电流i9，q34集电极、q31集电极分别为第二输入级提供偏置电流i10、i11；所述第一输入级由npn管q26、q27、q28、q29、电阻r4组成，q26、q29的集电极与q25集电极相连并接收偏置电流i9，q26基极作为等效电容模块的正相输入端与r4第一端相连，q29基极作为等效电容模块的反相输入端与r4第二端相连，q26发射极与q27集电极相连，q27集电极作为第一输入级输出端与第二输入级相连，q29发射极与q28集电极相连，q27基极与q28基极、q28集电极相连，q27、q28的发射极与gnd端相连；所述第二输入级由npn管q30、pnp管q32、电容c2组成，q30基极与q27集电极相连，q30集电极与q34集电极相连并接收偏置电流i10，q32发射极与q31集电极相连并接收偏置电流i11，q32基极与q30集电极相连，q30发射极、q32集电极与gnd端相连，c2第一端与q30基极相连，c2第二端与q32发射极相连；所述输出极由npn管q33、电阻r5、r6组成，q33集电极与vdd端相连，q33基极与q31集电极相连，q33发射极与r5第一端相连，r5第二端与r4第二端、r6第一端相连，r6第二端与gnd端相连。
7.可选的，所述等效电容模块的等效电容c=，其中，ia为第一输入级的偏置电流i9的电流值，v
t
=26mv，cc为电容c2的电容值，r4为电阻r4的电阻值。
8.可选的，当所述偏置电流i9=1ua，c2=25pf，r4=100ω，等效电容模块的等效电容为13nf。
9.可选的，还包括npn管q35，q35基极与gnd端相连，q35发射极与q30基极相连，q35集电极与q32发射极相连。
10.本发明实施例提供了一种等效电容电路，包括：启动模块，接收外部输入电压以及使能引脚en的控制电压，并根据所述控制电压来产生内部供电电压vdd、基准电压vref；复合开关模块，接收第一开关电压v1、第二开关电压v2，当第二开关电压v2高于第一开关电压v1时，等效电容模块正相输入端与vdd端形成通路；当第二开关电压v2低于第一开关电压v1时，所述等效电容模块正相输入端与gnd端形成通路；和上述的等效电容模块，当内部供电电压vdd端与等效电容模块的正相输入端形成通路时，正相输入端电压缓慢上升，当正相输入端与gnd端形成通路时，正相输入端电压缓慢下降，使正相输入端对gnd端表现为与电容相同的阻抗特性。
11.可选的，所述启动模块由基准模块，npn管q2、q3、q6，pnp管q1、q4、q5、q7，电阻r0、r1，电容c1，稳压管dz，二极管d1，nmos管nj1组成，nj1漏极、q4发射极、r1第一端、q5发射极、q6集电极、q7发射极与外部输入电压vcc端相连，nj1栅极与gnd端相连，nj1源极分别与q1发射极、q2集电极、q3基极相连，q1基极与使能引脚en相连，q1集电极与gnd端相连，q2发射极与gnd端相连，q2基极与r0第一端、d1负极相连，r0第二端与gnd端相连，d1正极与q3发射极相连，q3集电极与q4集电极、q4基极、q5基极、q7基极、r1第二端相连，q5集电极与q6基极、dz负极相连，dz正极与gnd端相连，q6发射极与基准模块第一端相连，基准模块第二端与q7集电极相连，基准模块第三端作为基准电压输出端输出基准电压vref，电容c1第一端与q6发射极相连，电容c1第二端与gnd端相连。
12.可选的，所述q1为spnp三极管。
13.可选的，所述复合开关模块由npn管q8、q11、q12、q16、q17、q19、q22，pnp管q9、q10、q13、q14、q15、q18、q20、q21、q23、q24、q36，电阻r2、r3组成，q8基极与启动模块相连，q8集电极与q9集电极、q36基极相连，q8发射极与r2第一端相连，r2第二端与gnd端相连，q36发射极与q9基极相连，q36集电极与gnd端相连，q9、q10、q14、q24的发射极都与vdd端相连，q9、q10、q14、q24的基极互连；q11集电极与q10集电极、q11基极、q12基极相连，q11、q12的发射极都与gnd端相连；q13基极接收第一开关电压v1，q13发射极与q14集电极、q16基极相连，q13集电极与gnd端相连，q16集电极与q15集电极、q15基极、q18基极相连，q16发射极与q12集电极、q22发射极相连，q15、q18、q20、q21的发射极与vdd端相连，q18集电极与q17集电极、q17基极、q19基极相连，q17、q19的发射极与gnd端相连，q19集电极与q20集电极、r3第一端相连，r3第二端与正相输入端相连，q20基极与q21基极、q21集电极、q22集电极相连，q22基极与q24集电极、q23发射极相连，q23集电极与gnd端相连，q23基极接收第二开关电压v2。
14.本发明实施例还提供了一种芯片，包括上述所述等效电容模块或等效电容电路。
15.综上所述，本发明的有益效果在于：本发明实施例提供一种等效电容电路，由依次连接的启动模块、复合开关模块、等效电容模块组成，启动模块提供所需的基准电压、内部工作电压vdd，复合开关模块通过接收到的第一开关电压v1、第二开关电压v2来使等效电容模块正相输入端电压缓慢上升或下
降，使正相输入端对gnd端表现为与电容相同的阻抗特性，从而等效电容模块可等效为一个纳法级电容，解决了集成电路无法集成超过几百皮法电容的技术问题，相比现有技术采用片外连接方式具有结构简单、功耗低、成本低的优点。
16.为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。
附图说明
17.图1为本发明实施例提供的一种等效电容电路的电路结构示意图；图2为本发明实施例等效电容电路中启动模块的电路结构示意图；图3为本发明实施例等效电容电路中复合开关模块的电路结构示意图；图4为本发明实施例等效电容电路中等效电容模块的电路结构示意图；图5为本发明实施例使能引脚en施加的高电平2v，低电平0v方波的仿真图；图6为本发明实施例一种等效电容电路的等效结构框图；图7为本发明实施例一种等效电容电路充放电仿真图。
具体实施方式
18.为了便于本领域技术人员的理解，下面将结合具体实施例对本发明作进一步详细描述。
19.本发明首先提供了一种等效电容电路，请参考图1，包括：启动模块stage1、复合开关模块stage2、等效电容模块stage3。
20.启动模块stage1，接收外部输入电压以及使能引脚en的控制电压，并根据所述控制电压来产生内部供电电压vdd、基准电压vref，具体的，当控制电压为低电平时，不产生内部供电电压vdd、基准电压vref，从而使整个等效电容电路处于关闭状态；当控制电压为高电平时，正常产生内部供电电压vdd、基准电压vref，从而使整个等效电容电路处于正常工作状态。
21.复合开关模块stage2，接收第一开关电压v1、第二开关电压v2，当第二开关电压v2高于第一开关电压v1时，vdd端与等效电容模块正相输入端形成通路；当第二开关电压v2低于第一开关电压v1时，所述正相输入端与gnd端形成通路。
22.等效电容模块stage3，将其输出信号输送至与所述正相输入端通过电阻相连的反相输入端，并作为反相输入端电压的一部分，使vdd端与等效电容模块的正相输入端形成通路时，正相输入端电压缓慢上升，正相输入端与gnd端形成通路时，正相输入端电压缓慢下降，从而所述正相输入端对gnd端的阻抗等效为纳法级电容。
23.请参考图2，启动模块stage1由基准模块、npn管q2、q3、q6、pnp管q1、q4、q5、q7、电阻r0、r1、电容c1、稳压管dz、二极管d1，nmos管nj1组成。
24.nj1漏极与外部输入电压vcc端相连，nj1栅极与gnd端相连，nj1源极分别与q1发射极、q2集电极、q3基极相连，q1基极使能引脚en相连，q1集电极与gnd端相连，其中nj1主要作用为提供一个启动电流i1，当使能引脚en为高电平时，晶体管q1关断，电流i1流进节点a不经过q1，后续电路正常工作，启动模块开启；当使能引脚en为低电平时，q1导通，由于q1集电极与gnd端相连，电流i1会迅速经q1流向gnd端而无法流进a节点，此时后续电路因没有启动
电流而无法正常工作，启动模块stage1关闭。
25.优选地，启动模块stage1中三极管q1采用spnp三极管，spnp三极管的电流放大倍数β比常规pnp三极管大，使能引脚en处只需提供一个很小的电流，即可以确保启动电流i1全部经q1流向gnd端。
26.q3发射极与d1正极相连，d1负极与r0第一端相连，r0第二端与gnd端相连，上述高电平、低电平是由q3发射结、d1导通电压、r0两端电压v
r0
决定，这里q3发射结以及d1导通电压为0.7v，故使能引脚en处电压要比a点低0.7v时，q1才导通，即使能引脚en处电压小于0.7v v
r0
时，关闭启动模块stage1。
27.同理，使能引脚en处电压大于0.7v v
r0
时，开启启动模块stage1，此时v
r0
=(0.7v/r1)*r0，可以根据这个公式设置v
r0
的值，又因为q2发射极与gnd端相连，q2基极与r0第一端、d1负极相连，从而q3、q2及二极管d1形成了反馈环路，故v
r0
不会超过0.7v，即使能引脚的电压大于1.4v时，启动模块stage1正常工作。本实施例中，在使能引脚en处施加0v和2v分别作为关闭电压、开启电压，在其他实施例中，关闭电压、开启电压的数值可根据需要进行选择，在此不再赘述。
28.当启动模块stage1正常工作后，i2=0.7v/r0。q3集电极与q4集电极、q4基极、q5基极、q7基极、r1第二端相连，q5集电极与dz负极相连，dz正极与gnd端相连，q4、q5和q7构成了电流镜，故i3、i4可以成比例的复制i2的电流，其中i3、i4分别为电流镜q5、q7支路上的电流。
29.q5集电极与q6基极、dz负极相连，q6集电极与外部输入电压vcc端相连，q6发射极作为内部供电电压vdd的输出端，i3的存在使稳压管dz以及三极管q6正常工作，从而产生内部供电电压vdd，其中vdd=v
dz-0.7v，这里的稳压管dz两端电压v
dz
仅由工艺中所提供的器件决定，可以根据所需进行选择，电容c1第一端与q6发射极相连，电容c1第二端与gnd端相连，电容c1起到储能滤波的作用。
30.基准模块为根据外部输入来产生基准电压vref的模块，本发明仅利用了现有基准模块的功能，并未对其内部结构进行改进，故这里仅提供了框图，其中基准模块第一端与q6发射极相连来接收内部供电电压vdd，基准模块第二端与q7集电极相连来接收电流i4，基准模块根据内部供电电压vdd以及电流i4来产生基准电压vref，并通过基准模块第三端输出基准电压vref。
31.请参考图5，为使能引脚en施加高电平2v，低电平0v方波的仿真图，当使能引脚en处电压为0v时，不产生内部工作供电电压vdd以及基准电压vref，即关闭整个电路；当使能引脚en处电压为2v时，正常产生供电电压vdd及基准电压vref，即整个电路可以正常工作，且当启动模块stage1关闭时，仅nj1和q1中存在电流i1，所以启动模块stage1待机损耗是非常低的。启动模块stage1具有低功耗、结构简单的优点，还具有很好的移植性可应用于其他芯片中。
32.请参考图3，复合开关模块stage2由npn管q8、q11、q12、q16、q17、q19、q22，pnp管q9、q10、q13、q14、q15、q18、q20、q21、q23、q24、q36，电阻r2、r3组成。
33.q8基极与启动模块中的基准模块第三端相连来接收基准电压vref，q8集电极与q9集电极相连，q8发射极与r2第一端相连，r2第二端与gnd端相连，从而在由q8、q9构成的支路上，产生基准电流i5=(vref-0.7v)/r2，q9、q10、q14、q24的发射极都与vdd端相连，q9、q10、
q14、q24的基极互连，从而q9、q10、q14、q24构成电流镜，故i6、i7、i8可以成比例的复制i5的电流，其中i6为q10所在支路上的电流，i7为q14所在支路上的电流，i8为q24所在支路上的电流。
34.q11集电极与q10集电极、q11基极、q12基极相连，q11、q12的发射极都与gnd端相连，q11、q12构成第二电流镜，故i12会成比例的复制i6的电流，其中i12为q12所在支路上的电流。
35.q13基极接收第一开关电压v1，q13发射极与q14集电极、q16基极相连，q16集电极与q15集电极、q15基极、q18基极相连，q16发射极与q12集电极、q22发射极相连，q18集电极与q17集电极、q17基极、q19基极相连，q19集电极与q20集电极、r3第一端相连，r3第二端与正相输入端相连，q20基极与q21基极、q21集电极、q22集电极相连，q22基极与q24集电极、q23发射极相连，q23基极接收第二开关电压v2，q15、q18、q20、q21的发射极与vdd端相连，q17、q19的发射极，q13、q23的集电极与gnd端相连。
36.请参考图1、图3，当第二开关电压v2高于第一开关电压v1时，q23关闭、q22导通，q21有电流流过，q20与q21组成电流镜，且此时q13导通，q16、q15、q18、q17、q19均关闭，vdd端、q20发射极、q20集电极、r3、等效电容模块正相输入端形成通路，电流镜q20处电流经上述通路流入等效电容模块stage3。
37.请参考图6、图7，当第二开关电压v2高于第一开关电压v1时，复合开关模块stage2与等效电容模块stage3的关系相当于开关k1闭合，k2断开，恒流源经电阻r3给电容充电，电容上极板电压v 逐渐升高，这里电阻r3可以在电路工作异常时起到限流的作用。
38.请参考图1、图3，当第二开关电压v2低于第一开关电压v1时，q13关闭、q16导通，q15有电流流过，q18与q15组成电流镜，q18有电流流出，q17与q19组成电流镜，此时q23导通，q22、q21、q20均关闭，从而等效电容模块正相输入端、r3、q19集电极、q19发射极、gnd端形成通路。
39.请参考图6、图7，此时复合开关模块stage2与等效电容模块stage3的关系相当于开关k2闭合、k1断开，电容经电阻r3对gnd端放电，电容上极板电压v 逐渐降低。
40.请参考图4，等效电容模块stage3为一种由偏置级、第一输入级、第二输入级、输出级组成的运算放大电路。
41.所述偏置级由pnp管q25、q31、q34组成，q25、q31、q34的基极互连，q25、q31、q34的发射极都与vdd端相连，q25、q34、q31与复合开关模块stage2中的电流镜相连，可以成比例复制i5的电流，q25集电极为第一输入级提供偏置电流i9，q34集电极、q31集电极分别为第二输入级提供偏置电流i10、i11。
42.所述第一输入级由npn管q26、q27、q28、q29、电阻r4组成，q26、q29的集电极与q25集电极相连并接收偏置电流i9，q26基极作为正相输入端与r4第一端相连，q29基极作为反相输入端分别与r4第二端相连，根据等效电容模块stage3的运算放大特性可得出：其中i为充电电流，r4为电阻r4阻值，v

为正相输入端电压，v-为反相输入端电压。q26发射极与q27集电极相连，q27集电极作为第一输入级输出端与第二输入级相连，q29发射极与q28集电极相连，q27基极与q28基极、q28集电极相连，q27、q28的发射极与gnd端相
连。
43.所述第二输入级由npn管q30、pnp管q32、电容c2组成，q30基极与q27集电极相连，q30集电极与q34集电极相连并接收偏置电流i10，q32发射极与q31集电极相连并接收偏置电流i11，q32基极与q30集电极相连，q30发射极、q32集电极与gnd端相连，c2第一端与q30基极相连，c2第二端与q32发射极相连。
44.所述输出级由npn管q33、电阻r5、r6组成，q33集电极与vdd端相连，q33基极与q31集电极相连，q33发射极作为等效电容模块stage3的输出端与r5第一端相连，根据等效电容模块stage3的运算放大特性，从而满足如下公式：模块stage3的运算放大特性，从而满足如下公式：模块stage3的运算放大特性，从而满足如下公式：模块stage3的运算放大特性，从而满足如下公式：其中a(jf)为开环响应，vo为输出端电压，j为虚数，f为频率，fb为开环带宽，a为开环直流增益，f
t
为单位增益频率，ω为角频率。又因为r5第二端与r4第二端、r6第一端相连，r6第二端与gnd端相连，故等效电容模块stage3输出端电压与反相输入端电压满足如下关系：其中r5、r6分别为电阻r5、电阻r6的阻值，当r6阻值较大、r5阻值较小时，可认为反相输入端电压v-与输出端电压vo相等。
45.将上述公式代入至等效电容模块stage3正相输入端的阻抗表达式中：化简可得等效电容模块stage3正相输入端对gnd端阻抗表达式：由于电容阻抗公式为，可以看出等效电容模块stage3正相输入端对gnd端的等效阻抗与电容阻抗有相同的格式，从而等效电容模块stage3的等效电容c=1/(2πf
t
r4)，因为电阻r4的阻值已知，可根据单位增益频率f
t
的公式：计算出等效电容模块stage3的等效电容的大小c=，其中，ia为第一输入级的偏置电流i9的电流值，v
t
=26mv，cc为电容c2的电容值，r4为电阻r4的电阻值。
46.本实施例中i9=1ua，c2=25pf，r4=100ω，等效电容模块stage3的等效电容c=13nf。在其他实施例中，任何对偏置电流i9、电容c2、电阻r4的数值大小进行相应调整，从而改变等效电容模块stage3等效电容大小的技术方案都属于本发明的保护范围。
47.优选地，等效电容模块stage3还包括npn管q35，q35基极与gnd端相连，q35发射极与q30基极相连，q35集电极与q32发射极相连，q35起到为电容c2放电的作用，若等效电容模块stage3中不存在q35，当电路在工作过程中突然断电，c2会存储一定电荷，再次上电时，整
个等效电容电路不是从初始状态开始，这导致等效电容上的初始电荷不为零；而等效电容模块stage3中存在q35，当电路在工作过程中突然断电，c2上存储的电荷会经q35管进行释放，使c2两端电压差为零。
48.综上所述，本发明实施例提供了一种等效电容电路，由依次连接的启动模块、复合开关模块、等效电容模块组成，启动模块提供所需的基准电压、内部工作电压vdd，复合开关模块通过接收到的第一开关电压v1、第二开关电压v2来使等效电容模块正相输入端电压缓慢上升或下降，使正相输入端对gnd端表现为与电容相同的阻抗特性，从而等效电容模块可等效为一个纳法级电容，解决了集成电路无法集成超过几百皮法电容的技术问题，相比现有技术采用片外连接方式具有结构简单、功耗低、成本低的优点。
49.此外，本发明实施例还提供了一种模拟芯片，包括上述的等效电容电路或等效电容模块。
50.以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。