CN102870329A - 具有内部 rc 振荡器的集成电路及用于校准rc 振荡器的方法 - Google Patents

Abstract

集成电路（10）具有用于提供具有可调振荡器频率的内部时钟信号（CLI）的内部RC振荡器（20）。集成电路（10）还包括用于连接具有谐振频率的外部LC谐振回路（30）的端子（101，102）以及被配置成基于在集成电路（10）的工作期间连接的LC谐振回路（30）的谐振频率来调整振荡器频率的校准电路（40）。内部辅助振荡器（46）以能够切换的方式连接到端子（101，102）并且被配置成基于谐振频率生成辅助时钟信号（CLA）。校准电路（40）包括被配置成基于内部时钟信号（CLI）与辅助时钟信号（CLA）的频率比较来确定修正字（TRW）的频率比较器（47）。要连接的LC谐振回路（30）是用于接收无线电信号的天线。

Description

具有内部 RC 振荡器的集成电路及用于校准RC 振荡器的方法

技术领域

具有内部RC振荡器的集成电路及用于校准RC振荡器的方法。

本发明涉及具有内部RC振荡器的集成电路并且涉及用于校准集成在集成电路中的RC振荡器的方法。

背景技术

许多集成电路包括用于生成并提供要在电路中使用的内部时钟信号的RC振荡器。例如，使用用于生成矩形时钟信号的多谐振荡器，其中，时钟频率取决于多谐振荡器的RC时间常数。可是，由于生产容差，所以为了振荡器的精确操作，通常必须对期望的时钟频率进行修正或校准。

为了这个目的，将外部时钟信号提供给校准电路，其中，外部时钟信号是借助于晶体振荡器或外部微控制器生成的。通过使用外部时钟信号来确定RC振荡器的校准系数。可以在生产具有RC振荡器的集成电路期间将这些校准系数存储在非易失性存储器中，以使得校准处理只需被执行一次。可是，非易失性存储器（例如一次性可编程（OTP）存储器）占用集成电路上的区域，这增加了生产成本。

在另一种传统的校准内部RC振荡器的方式中，必须给集成电路另外提供上述晶体振荡器或微控制器，以提供外部参考时钟信号，使得每次对集成电路上电时都执行校准。在这种情况下，校准系数存储在易失性存储器中。可是，外部部件（如晶体振荡器或微控制器）产生额外的成本。此外，晶体振荡器或微控制器的工作消耗功率，这在移动设备中尤其是不期望的。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有内部RC振荡器的集成电路以及用于校准集成在集成电路中的RC振荡器的方法，该方法使得可以校准RC振荡器，同时改进功率效率并且减小集成电路的面积。

这个目的通过独立权利要求的主题实现。从属权利要求中描述了本发明另外的实施例和展开。

在一种实施例中，集成电路包括用于提供内部时钟信号的内部RC振荡器，该RC振荡器具有可调振荡器频率。集成电路还包括用于连接具有谐振频率的外部LC谐振回路的端子。集成电路内的校准电路被配置成基于在集成电路的工作期间连接的LC谐振回路的谐振频率来调整振荡器频率。

可以通过调谐或切换电阻值、电容值或电阻和电容值二者来对内部RC振荡器（例如基于RC的多谐振荡器）的内部振荡器频率进行调整。

用于集成电路的其他目的的外部LC谐振回路（例如集成电路的天线）具有由LC谐振回路的电感性部件和电容性部件确定的谐振频率。这样的天线或LC谐振回路不是集成电路的一部分，而是当生产电路布置时或在集成电路工作期间外部连接的。LC谐振回路的谐振频率通常通过使用精确部件或通过在生产期间对LC谐振回路的校准来以高精度给出。

在集成电路工作期间，校准电路经由集成电路的端子连接到外部LC谐振回路。校准电路利用被用于集成电路的其他目的的LC谐振回路的特性尤其是LC谐振回路的谐振频率，并且校准电路将精确的谐振频率用于校准内部RC振荡器的振荡器频率。因此，不需要额外的且昂贵的部件。LC谐振回路特性的使用几乎不需要能量，尤其是与操作晶体振荡器或微控制器相比。此外，可以单独将振荡器频率调整为连接的相应LC谐振回路的谐振频率。因此，RC振荡器频率不限制于固定的谐振频率。例如，如果内部振荡器频率对外部LC谐振回路的谐振频率有期望的依赖性，则这是很有用的。

在借助于校准电路校准期间，可以将振荡器频率设置为谐振频率的整数倍或设置为谐振频率的非整数倍。优选地，将校准电路配置成调整振荡器频率，使得振荡器频率基本上与谐振频率相同。

在一个实施例中，校准电路被配置成借助于修正字来调整振荡器频率。例如，使用修正字接通或断开电容性元件或电阻性元件，以调整振荡器频率。例如，修正字可以存储在集成电路包括的易失性存储器中。在这种情况下，每次对集成电路上电时都执行对内部RC振荡器的校准。优选地，在正常工作模式之前的上电工作模式下执行校准。一旦被校准，振荡器频率的精度通常在集成电路工作或上电期间分别都是足够的。然而，如果需要，可以在之后的工作阶段再次开始校准处理。

在集成电路的正常工作模式期间，LC谐振回路连接到集成电路的不同电路部分，例如连接到用于接收无线电信号的接收器。换句话说，在一些实施例中，LC谐振回路是用于接收无线电信号的天线。

有多种用于基于谐振频率来校准内部振荡器频率的方式。在一个具体实施例中，集成电路还包括以可切换的方式连接到端子的内部辅助振荡器。辅助振荡器被配置成基于谐振频率来生成辅助时钟信号，该辅助时钟信号例如具有等于谐振频率的时钟频率。校准电路包括被配置成基于内部时钟信号与辅助时钟信号的频率比较来确定修正字的频率比较器。

例如，如果振荡器频率低于辅助时钟信号的频率，则增加振荡器频率，而如果振荡器频率高于辅助时钟信号的频率，则减小振荡器频率。

在一个实施例中，频率比较包括在辅助时钟信号的预定义时钟边沿处评估内部时钟信号的逻辑状态。例如，如果RC振荡器的内部时钟信号在辅助时钟信号的时钟上升沿处为高状态，则这意味着振荡器频率快于或高于辅助时钟信号的频率。在这种情况下，必须减小RC振荡器的时钟频率，直到振荡器频率等于或者低于辅助时钟信号的频率。优选地，在这种情况下，以与辅助时钟信号的时钟边沿同步的方式重新开始内部时钟信号。

如果内部时钟信号在辅助时钟信号的时钟上升沿处具有低状态，则振荡器频率慢于或低于辅助时钟信号的频率。因此，在这种情况下必须增加振荡器频率。

在另一具体实施例中，校准电路被配置成将内部时钟信号提供给端子并且被配置成基于对在端子处得到的信号的评估来调整振荡器频率。换句话说，对在LC谐振回路处的由于内部时钟信号而产生的信号进行评估，以确定所得到的信号与内部时钟信号之间的差。

例如，RC振荡器的输出端借助于电容器耦合到端子。在这种情况下，校准电路包括检测装置，该检测装置被配置成基于电容器上的电压来确定内部时钟信号与在端子处得到的信号之间的相位差。例如，如果振荡器频率基本上等于连接到端子的LC谐振回路的谐振频率，则将导致90°的相位差。因此，校准电路将试着调整内部RC振荡器，使得达到90°的相位差。

应注意，内部RC振荡器的校准不局限于上述电路，而是还包括使用连接到集成电路的端子的LC谐振回路的特性的其他电路。

在校准方法的一个实施例中，对集成在集成电路中的RC振荡器进行校准。为了这个目的，将具有谐振频率的外部LC谐振回路连接到集成电路的端子。借助于RC振荡器生成具有振荡器频率的内部时钟信号。基于谐振频率调整振荡器频率。也可以将上述集成电路的各种实施例用于该校准方法。

附图说明

以下对示例性实施例的图的描述可以更进一步阐明和说明本发明。具有相同结构和相同效果的元件分别以相同的附图标记出现。在不同的图中，只要电路或元件在其功能方面彼此对应，那么不再针对下述各图中的每个图来重复描述电路或元件。

图1示出了具有内部RC振荡器的集成电路的第一示例性实施例，

图2示出了具有内部RC振荡器的集成电路的第二示例性实施例，

图3示出了具有内部RC振荡器的集成电路的第三示例性实施例，

图4示出了集成电路的第三实施例的细节，以及

图5示出了集成电路的第三实施例内的信号的示例性时序图。

具体实施方式

图1示出了集成电路10的示例性实施例，该集成电路10包括内部RC振荡器20、校准电路40以及例如接收器60。集成电路10还包括连接外部LC谐振回路30的端子101、端子102。例如，LC谐振回路包括例如由无线电天线提供的电感31和电容32。端子101、102以及因此LC谐振回路30借助于开关元件50连接到接收器60。此外，端子101、端子102连接到校准电路40。接地GND耦合到端子102。

由RC振荡器20生成的内部时钟信号CLI被提供给校准电路40。此外，校准电路40耦合到RC振荡器20以调整内部时钟信号CLI的振荡器频率。

内部时钟信号CLI也被提供给接收器60。应注意，接收器60仅作为下述示例性电路块而被示出在这幅图中，该示例性电路块在集成电路工作期间连接到外部LC谐振回路以例如接收无线电信号，并且被提供有内部时钟信号CLI以进行信号处理。换句话说，接收器60可以用连接到LC谐振回路和内部RC振荡器20的任何信号处理电路来替换。

应注意，LC谐振回路30不是集成电路的一部分，而是只在集成电路10工作期间连接到端子101和端子102。

当集成电路10上电时，RC振荡器20通常是未校准的并且没有校准信息存储在集成电路10内。因此，在启动工作模式期间，接收器60与端子101、端子102断开，而校准电路40连接到端子101、端子102。校准电路40评估LC谐振回路30的谐振频率，并且使用所述信息来校准RC振荡器20。换句话说，以与LC谐振回路的谐振频率相关联的方式来设置还被提供给校准电路40的内部时钟信号CLI，以确定用于RC振荡器20的校准信息。校准信息可以存储在易失性存储器中，用于设置RC振荡器20的电阻性的和/或电容性的元件的相应配置。例如，RC振荡器是基于RC的多谐振荡器。

在以足够的精度校准RC振荡器之后，为了集成电路10的正常工作模式，开关元件50可以闭合。例如，在正常工作模式中，接收器60然后经由形成LC谐振回路30的天线接收无线电信号。

图2示出了集成电路10的另一实施例，该实施例是图1的集成电路10的发展。在图2的实施例中，RC振荡器20借助于电容器45连接到端子101。图2的实施例中的校准电路40包括：相位检测器42、低通滤波器43、比较器44和修正块41。相位检测器42的输入端连接到电容器45的两端。相位检测器42的输出端耦合到低通滤波器43，低通滤波器43的输出端耦合到比较器44的同相输入端。比较器44的反相输入端提供有例如为集成电路的电源电压的一半的参考电位。比较器44的输出端耦合到修正块41以提供比较结果。修正块41耦合到易失性存储器21以提供用于调整RC振荡器20的振荡器频率的修正信息。

在对RC振荡器20的校准期间，内部时钟信号CLI经由电容器45被提供给LC谐振回路30。由RC振荡器产生的信号与LC谐振回路的自谐振频率之间的频率差被转换为耦合电容器45的两个管脚上的相位差。相位检测器42生成其占空比与该相位差成比例的信号。相位检测器42的具有该占空比的输出信号通过低通滤波器43被转换为DC电压。如果RC振荡器20的振荡器频率与LC谐振回路的谐振频率相匹配，则相位差为例如导致50%的占空比的90°。由此，在低通滤波器43的输出端处得到的DC电压为提供给低通滤波器43的电源电压的大约一半。

因此，在比较器44的输出端处的比较结果将指示RC振荡器的振荡器频率是高于还是低于外部LC谐振回路的谐振频率。换句话说，相位检测器42、低通滤波器43和比较器44形成下述检测装置，该检测装置被配置成确定内部时钟信号CLI与在端子101、端子102处得到的信号之间的相位差，其中，电容器45上的电压被用于此目的。此外，该检测装置被配置成检测内部时钟信号CLI具有高于还是低于LC谐振回路的谐振频率的频率。比较器44的比较结果被修正块41用于调整RC振荡器20的振荡器频率。

具体地，由于闭环结构，修正块将试着调整振荡器频率，使得比较器44的输入端处的电压尽可能地接近电源电压的一半。RC振荡器的实际频率由存储在易失性存储器21中的校准信息确定。例如，修正算法确定具有预定字长的修正字。修正字的每一位都可以设置RC振荡器的特定部件，例如接通或断开特定的电容值。如果修正块41确定RC振荡器20的振荡器频率被充分地校准，则存储在易失性存储器21中的修正字对于稍后的操作来说保持不变，在稍后的操作期间，将内部时钟信号CLI提供给例如接收器60。

图3示出了基于图1所示的实施例的集成电路10的另一实施例。仅为了更好地概述，在图3中省略了接收器60。可是，在该实施例中，接收器或类似的信号处理电路可以经由开关元件50连接到端子101、端子102。集成电路10包括辅助LC振荡器46，该辅助LC振荡器46集成在集成电路内并且借助于开关元件49分别连接到端子101、端子102或LC谐振回路30。辅助振荡器46的输出端耦合到修正块41，修正块41连接到RC振荡器20以接收内部时钟信号CLI，并且修正块41连接到易失性存储器21以提供修正字TRW。

在校准工作模式期间，开关元件50是断开的并且开关元件49是闭合的，使得辅助振荡器46连接到LC谐振回路30。辅助振荡器46使用LC谐振回路30的LC特性来生成辅助时钟信号CLA。修正块41接收内部时钟信号CLI以及辅助时钟信号CLA二者并且执行对于两个时钟信号的频率比较。比较结果用于借助于修正字TRW来调整RC振荡器。例如，调整时钟信号CLI的振荡器频率，使得振荡器频率与辅助时钟信号的频率相比具有固定比率。辅助时钟信号CLA的频率可以是LC谐振回路30的谐振频率或得自于所述谐振频率的频率。然而，在以下的描述中，假定辅助时钟信号CLA的频率基本上与谐振频率相同，并且内部时钟信号CLI被校准成使得振荡器频率也基本上与谐振频率相同。参考图4描述在修正块41中执行的修正算法的详细功能。

图4示出了修正块41的细节连同RC振荡器20及辅助LC振荡器46。修正块41包括频率比较器47和脉冲发生器48。频率比较器47包括两个时钟输入端，LC振荡器46和RC振荡器20分别连接到这两个时钟输入端以提供辅助时钟信号和内部时钟信号。频率比较器的输出端连接到RC振荡器20以提供N位修正字TRW。仅为了更好地概述，在图4中没有示出易失性存储器21。LC振荡器46的输出端连接到脉冲发生器48，脉冲发生器48的输出端耦合到RC振荡器20以提供脉冲信号STP。

在校准工作模式期间，LC振荡器46持续地给频率比较器47提供辅助时钟信号CLA。此外，辅助时钟信号CLA被提供给脉冲发生器48。脉冲发生器48在辅助时钟信号CLA的正时钟边沿或负时钟边沿处生成短脉冲信号STP，其中，脉冲信号STP的脉冲持续时间与辅助脉冲信号CLA的脉冲宽度相比可忽略不计。RC振荡器20被设置成使得如果脉冲信号STP中没有出现脉冲则RC振荡器20正常工作，并且RC振荡器20被设置成使得RC振荡器20在脉冲信号STP中的每个脉冲处被重置。例如，内部时钟信号CLI在脉冲信号STP中脉冲的时间期间呈现低状态并且在脉冲信号STP中的脉冲结束之后开始新的时钟周期。换句话说，借助于脉冲信号STP来使内部时钟信号CLI的时钟周期的开始与辅助时钟信号CLA的时钟周期的开始同步。因此，脉冲信号STP用作RC振荡器20的启动/停止信号。没有更详细地示出或描述可复位RC振荡器20尤其是多谐振荡器的电路实现，这是因为这样的电路在现有技术中是公知的。

频率比较器47评估辅助时钟信号CLA和内部时钟信号CLI在辅助时钟信号CLA的预定时钟边沿（即时钟上升沿或下降沿）处的状态。在该评估中，假定：如果时钟信号CLA、CLI二者在评估时刻具有相同的状态，则内部时钟信号CLI的振荡器频率过高。类似地，假定：如果内部时钟信号CLI的状态与辅助时钟信号CLA的状态不同，则振荡器频率过低。这种假定是基于下述事实：在理想的已校准情况下，内部时钟信号CLI的时钟边沿将与辅助时钟信号CLA的时钟边沿一致。基于在每个评估时刻的评估，相应地，修正字TRW适于分别调整RC振荡器20和内部时钟信号CLI的振荡器频率。

图5示出了用图4中示出的布置执行的示例性校准处理的时序图。最上面的图示出了具有恒定时钟频率的辅助时钟信号CLA，该恒定时钟频率基于外部LC谐振回路的谐振频率。中间的图示出了由脉冲发生器48在辅助时钟信号CLA的每个正时钟边沿处生成的脉冲信号STP。第三幅图示出了校准处理期间的内部时钟信号CLI。可以看出，在脉冲信号STP的高状态期间，内部时钟信号CLI处于低状态并且在脉冲信号STP的末尾以新的时钟周期开始。应指出，为了更好地概述，没有按比例绘制脉冲信号STP的持续时间。因此，在实际的实现中，时钟信号CLA的时钟周期的开始与时钟信号CLI的时钟周期的开始之间的时间偏移可忽略不计。

在第一时钟周期P1期间，通过最初的修正字TRW设置或调整内部时钟信号CLI。如可以从图中看出的那样，第一周期P1中内部时钟信号CLI的时钟周期明显短于辅助时钟信号CLA的时钟周期。因此，RC振荡器20的振荡器频率过高。因而，在第二时钟周期P2开始时，频率比较器47检测到内部时钟信号CLI已经处于高状态，这使得频率比较器47通过调整修正字TRW（例如通过变更修正字TRW的一位）来减小RC振荡器20的振荡器频率。在修正字TRW被调整之后，新的时钟周期P2在RC振荡器20中开始，导致内部时钟信号CLI的新的时钟周期。然而，可以从图中看出，内部时钟信号CLI的振荡器频率仍然过高。因此，在第三时钟周期P3开始时，在频率比较器47中执行如之前所述那样的类似处理，再次导致对修正字TRW的调整以及针对时钟周期P3开始内部时钟信号CLI的新的时钟周期。

可以从图中看出，在时钟周期P3期间，内部时钟信号CLI的振荡器频率几乎与辅助时钟信号CLA的频率一致但仍然过高。因此，在第四时钟周期P4开始，进一步减小内部时钟信号CLI的振荡器频率，使得在第五时钟周期P5开始时内部时钟信号CLI处于低状态。因此，然后，假定内部时钟信号CLI的振荡器频率低于辅助时钟信号CLA的频率。此外，状态的这种相对变化可以被解释为使得可以停止校准处理，或者换句话说，找到了修正字TRW的终值。相应地，可以停止校准工作模式，并且可以将集成电路10设置成正常工作模式，在此正常工作模式期间，RC振荡器20以所述修正字TRW来工作。

应注意，在上述例子中，在校准处理开始时振荡器频率过高。然而，如果在校准处理开始时振荡器频率过低，则频率比较器47将以与上述过程类似的方式增加振荡器频率。

如果使用无线电天线作为LC谐振回路30，则天线的自谐振频率通常适于要在所述天线上接收的无线电信号的频率。例如，在唤醒接收器中，检测是否接收到了具有所述预定频率的无线电信号。这是通过下述方式来实现的：评估无线电信号，使得在由内部时钟信号CLI定义的时钟周期期间在无线电信号中出现确定数量的时钟脉冲。例如，用内部时钟信号CLI的给定数量的时钟周期来定义时间窗，并且在该时间窗内对无线电信号中不同数量的时钟脉冲计数。如果被计数的时钟脉冲的数量正确，则假定在天线上接收的无线电信号不仅是噪声而且还是应该在集成电路10的另外的电路部分中被处理的数据信号。因而，可以通过预先调整天线的谐振频率来设置数据信号的期望频率，而且集成电路10和RC振荡器20将分别适应在各个情况下连接的天线的谐振频率。因此，根据上述实施例中的一个实施例的集成电路相对于对内部RC振荡器20的校准更灵活。

附图标记列表

10          集成电路

20          RC振荡器

21          易失性存储器

30          LC谐振回路

31          电感

32          电容

40          校准电路

41          修正块

42          相位检测器

43          低通滤波器

44          比较器

45          电容器

46          LC振荡器

47          频率比较器

48          脉冲发生器

49，50      开关元件

60          接收器

101，102    端子

CLI，CLA    时钟信号

STP         脉冲信号

TRW         修正字

Claims (11)

1.一种具有内部RC振荡器（20）的集成电路（10），所述内部RC振荡器（20）用于提供具有可调振荡器频率的内部时钟信号（CLI），所述集成电路（10）还包括：

-端子（101，102），所述端子（101，102）用于连接具有谐振频率的外部LC谐振回路（30）；

-校准电路（40），所述校准电路（40）被配置成基于在所述集成电路（10）的工作期间连接的所述LC谐振回路（30）的谐振频率来调整所述振荡器频率；

-内部辅助振荡器（46），所述内部辅助振荡器（46）以能够切换的方式连接到所述端子（101，102）并且被配置成基于所述谐振频率生成辅助时钟信号（CLA），其中，所述校准电路（40）包括频率比较器（47），所述频率比较器（47）被配置成基于所述内部时钟信号（CLI）与所述辅助时钟信号（CLA）的频率比较来确定修正字（TRW）；以及

-其中，要连接的所述LC谐振回路（30）是用于接收无线电信号的天线。

2.根据权利要求1所述的集成电路（10），其中，所述校准电路（40）被配置成调整所述振荡器频率，使得所述振荡器频率与所述谐振频率基本相同。

3.根据权利要求1或2所述的集成电路（10），其中，所述校准电路（40）被配置成借助于所述修正字（TRW）来调整所述振荡器频率。

4.根据权利要求1至3中的一项所述的集成电路（10），还包括用于存储所述修正字（TRW）的易失性存储器（21）。

5.根据权利要求1至4中的一项所述的集成电路（10），其中，所述频率比较包括评估在所述辅助时钟信号（CLA）的预定义时钟边沿处所述内部时钟信号（CLI）的逻辑状态。

6.根据权利要求1至5中的一项所述的集成电路（10），其中，所述校准电路（40）被配置成将所述内部时钟信号（CLI）提供给所述端子（101，102）并且被配置成基于对在所述端子（101，102）处得到的信号的评估来调整所述振荡器频率。

7.根据权利要求1至6中的一项所述的集成电路（10），其中，所述RC振荡器（20）的输出端借助于电容器（45）耦合到所述端子（101，102），并且其中，所述校准电路（40）包括检测装置（42，43，44），所述检测装置（42，43，44）被配置成基于所述电容器（45）上的电压来确定所述内部时钟信号（CLI）与在所述端子（101，102）处得到的信号之间的相位差。

8.一种用于校准集成在集成电路（10）中的RC振荡器（20）的方法，所述方法包括：

-将具有谐振频率的外部LC谐振回路（30）连接到所述集成电路（10）的端子（101，102）；

-借助于所述RC振荡器（20）生成具有振荡器频率的内部时钟信号（CLI）；

-基于所述谐振频率调整所述振荡器频率；

-将辅助振荡器（46）连接到所述端子（101，102），所述辅助振荡器（46）集成在所述集成电路（10）中；

-借助于所述辅助振荡器（46）基于所述谐振频率生成辅助时钟信号（CLA）；

-基于所述内部时钟信号（CLI）与所述辅助时钟信号（CLA）的频率比较来确定修正字（TRW）；以及

-其中，所述外部LC谐振回路（30）是用于接收无线电信号的天线。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，通过所述修正字（TRW）来调整所述振荡器频率。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，将所述修正字（TRW）存储在所述集成电路（10）的易失性存储器（21）中。

11.根据权利要求8至10中的一项所述的方法，其中，将所述内部时钟信号（CLI）提供给所述端子（101，102），并且基于对在所述端子（101，102）处得到的信号的评估来调整所述内部时钟信号（CLI）。

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