CN106788258A - 一种频率稳定的时钟电路 - Google Patents

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陈永良
张帆
张文华
胡霄
操炜鼎
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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03B—GENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
    • H03B5/00—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input
    • H03B5/02—Details
    • H03B5/04—Modifications of generator to compensate for variations in physical values, e.g. power supply, load, temperature

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  • Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)

Abstract

本发明提供了一种频率稳定的时钟电路，时钟电路通过内部的振荡器电路产生振荡波形，经整形后输出时钟信号，并提供给逻辑控制电路；复位电路产生复位信号，控制逻辑控制电路开始工作；逻辑控制电路通过计数器检测时钟电路输出的时钟信号的频率，当时钟信号的频率出现偏差时，计数器计数结果不等于设定数，则调整电流镜阵列输出电流的大小，进而调整时钟电路的输出时钟频率。本发明受电源电压波动、温度变化和工艺变化的影响很小，算法简单，电路规模较小，电路整体功耗较低，适用于不同频率要求的应用。

Description

一种频率稳定的时钟电路
技术领域
本发明属于电子电路技术领域，涉及时钟电路及时钟校准。
背景技术
系统时钟通常由石英晶体振荡器提供，但因其内部腔体结构很难满足高加速度的应用要求，可以通过设计片内时钟发生器代替石英晶振，以提高高加速度应用的可靠性，并且降低系统成本。时钟电路主要包括电源、振荡器和时钟校准等模块，振荡器主要有环形振荡器和弛豫振荡器两种形式，因电路结构不同时钟校准方法较多，但是在低功耗、较高时钟精度的应用领域中存在以下缺点：
1、传统的时钟产生电路输出时钟的稳定性严格依赖于工作电压和电流，对前级稳压电路和电流基准电路要求严格。其电路结构本身没有抑制时钟抖动的能力，工作电压或电流的变化将会直接影响输出时钟的精度，且电路性能受PVT变化的影响较大。
2、传统的时钟校准方法可以提高时钟抖动的抑制能力，但是受限于时钟电路很难同时兼顾工艺、电压、温度和功耗，无法在uW级功耗设计要求下，电路随PVT变化时，保证输出时钟具有较高的精度(≤1％)。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种时钟电路和时钟校准方法，以实现输出时钟信号的频率稳定。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括稳压器、带隙基准电路、时钟电路、复位电路、逻辑控制电路和电流镜阵列。
外部电源为稳压器和带隙基准电路供电，稳压器给时钟电路、电流镜阵列和复位电路提供稳定电源电压，带隙基准电路产生与温度变化无关的基准电流，提供给电流镜阵列、复位电路和稳压器；时钟电路通过内部的振荡器电路产生振荡波形，经整形后输出时钟信号，并提供给逻辑控制电路；复位电路产生复位信号，控制逻辑控制电路开始工作；逻辑控制电路通过计数器检测时钟电路输出的时钟信号的频率，当时钟信号的频率出现偏差时，计数器计数结果不等于设定数，则调整电流镜阵列输出电流的大小，进而调整时钟电路的输出时钟频率。
本发明的有益效果是：由于采用了稳压器，使输出时钟频率受电源电压波动的影响很小；由于采用了带隙基准电路，使输出时钟频率受温度变化的影响很小；本发明的校准算法采用反馈控制，经过多次迭代，使输出时钟频率受工艺变化的影响很小；本发明采用的逻辑控制电路算法简单，电路规模较小，电路整体功耗较低。另外，本发明可以通过对电流镜阵列进行微调，适用于不同频率要求的应用。
附图说明
图1是本发明的时钟电路结构图。
图2输出时钟频率偏低时的时钟校准输出过程示意图。
图3是输出时钟频率偏高时的时钟校准输出过程示意图。
图4是本发明的时钟电路逻辑示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明包括电流镜阵列、时钟电路以及逻辑控制电路。电流镜阵列的输出端连接到时钟电路，用来控制时钟电路内部的充放电电流的大小，以调整时钟的输出频率。逻辑控制电路的输出端连接到电流镜阵列，用来控制电流镜阵列中PMOS管的开启与关断，调整电流镜阵列输出电流的值。时钟电路的输出端连接到逻辑控制电路，逻辑控制电路内部的计数器通过对输出时钟计数，控制时钟校准数据的值，校准输出时钟信号。同时，时钟电路的输出端作为整个电路结构的输出，输出给外部电路。
稳压器的输入端连接到外部输入的电源供电信号，其输出端连接到时钟电路、电流镜阵列和复位信号的输入端，为上述电路提供稳定的电源电压
带隙基准电路的输入端连接到外部输入的电源供电信号，其输出端连接到电流镜阵列、复位电路和稳压器，为上述电路提供稳定的基准电流。
复位电路的输入端连接到稳压器和带隙基准电路，其输出端连接到逻辑控制电路，为逻辑控制电路提供复位信号。
为实现上述目的，本发明的时钟电路工作过程如下：
(1)外部输入的电源供电信号为稳压器和带隙基准电路供电，稳压器给时钟电路和复位电路提供纹波较小的稳定电源电压，带隙基准电路产生与温度变化无关的基准电流，提供给电流镜阵列。
(2)时钟电路在稳定的电源电压作用下，通过内部的振荡器电路，产生振荡波形，经整形后将产生的时钟信号提供给逻辑控制电路，并且该时钟信号作为电路的最终输出。
(3)复位电路在稳压器输出电压和带隙基准输出电流的作用下开始工作，产生复位信号，输出到逻辑控制电路，使其准备就绪，开始工作。
(4)逻辑控制电路通过计数器检测时钟电路输出的时钟信号的频率。计数器在复位信号后的初始的50μs时间内，对时钟信号进行计数。当时钟频率恰好为符合要求的X MHz时，计数结果为100，此时不需要进行时钟校准。初始状态时，逻辑控制电路中时钟校准数据adj_bit的值为128(8’b10000000)，该组数据用来控制电流镜阵列。
(5)当时钟频率出现偏差时，计数器计数结果N不等于100，在逻辑控制电路内部，通过算法调整时钟校准数据adj_bit的值，从而调整电流镜阵列输出电流的大小。该电流用于对时钟电路内部电容的充放电，电流的变化会使充放电时间发生变化，进而调整了输出时钟频率。时钟频率的变化又作为逻辑控制电路的输入，使其内部计数器的计数结果N发生变化。当时钟频率偏小时，N小于100，此时时钟校准数据的值调整为[(100-N)+adj_bit]，经过多次迭代直至N的值满足99＜N＜101，即N＝100，此时输出时钟频率满足需求，校准完成；当时钟频率偏大时，计数结果N大于100，此时将adj_bit值除以2后作为新的adj_bit值，继续利用公式adj_bit＝[(100-N)+adj_bit]进行迭代，直至N＝100，此时输出时钟频率满足需求，校准完成。
通过上述步骤完成时钟校准过程，输出稳定的时钟信号。
参照图1，本发明的实施例包括，稳压器102、复位电路105、带隙基准101、电流镜阵列104、时钟电路103以及逻辑控制106。其中，时钟电路103的输入端D、电流镜阵列104的输入端E和复位电路105的输入端G均连接到稳压器的输出端。时钟电路用来产生符合要求的时钟信号。电流镜阵列104用于为时钟电路提供充放电电流，该电流值决定了最终输出时钟频率的大小。复位电路用来使逻辑控制电路准备就绪，开始工作状态。
逻辑控制106的输入端I连接时钟电路的输出端，逻辑控制的输入端K连接复位电路105的输出端，逻辑控制电路用于检测输出时钟频率，根据检测值输出时钟校准数据J，提供给电流镜阵列，用于时钟频率的校准。
带隙基准101的输入端均连接到外部输入的电源供电信号，带隙基准101的输出端F、C和B分别连接到电流镜阵列、复位电路和稳压器，为上述电路提供稳定的基准电流。
稳压器102的输入端A连接到外部输入的电源供电信号，稳压器102的输出端D、E和G分别连接到时钟电路、电流镜阵列和复位电路的输入端，为上述各电路提供稳定的电源电压。
参照图4，逻辑控制电路产生的控制逻辑如下：
时刻401，复位信号有效，复位逻辑控制电路。逻辑控制电路开始工作。在50μs内对时钟输出进行计数。
时刻402，计数完成，根据计数结果校准时钟频率。
本发明的时钟电路包括如下工作过程：
步骤1，电源信号对稳压器和带隙基准电路供电。
稳压器和带隙基准电路正常工作，为时钟电路，电流镜阵列及复位电路提供稳定的电压电流信号，复位电路产生复位信号，使逻辑控制电路完成复位。
步骤2，时钟电路产生输出时钟信号。
步骤3，逻辑控制电路检测时钟误差并校准。
当输出时钟频率等于X MHz时，逻辑控制电路输出的时钟校准数据不变，时钟频率稳定。当输出时钟频率大于X MHz时，逻辑控制电路通过减小电流镜阵列输出电流值，来降低时钟频率。当输出时钟频率小于X MHz时，逻辑控制电路通过增大电流镜阵列输出电流值，来提高时钟频率。
步骤4，经校准后输出频率稳定的时钟信号。
经过上述步骤，时钟电路能够输出符合要求的X MHz的时钟信号。

Claims (1)

1.一种频率稳定的时钟电路，包括稳压器、带隙基准电路、时钟电路、复位电路、逻辑控制电路和电流镜阵列，其特征在于：外部电源为稳压器和带隙基准电路供电，稳压器给时钟电路、电流镜阵列和复位电路提供稳定电源电压，带隙基准电路产生与温度变化无关的基准电流，提供给电流镜阵列、复位电路和稳压器；时钟电路通过内部的振荡器电路产生振荡波形，经整形后输出时钟信号，并提供给逻辑控制电路；复位电路产生复位信号，控制逻辑控制电路开始工作；逻辑控制电路通过计数器检测时钟电路输出的时钟信号的频率，当时钟信号的频率出现偏差时，计数器计数结果不等于设定数，则调整电流镜阵列输出电流的大小，进而调整时钟电路的输出时钟频率。
CN201611173956.7A 2015-12-22 2016-12-19 一种频率稳定的时钟电路 Pending CN106788258A (zh)

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