CN107040243A - 低频精密振荡器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开低频精密振荡器。一种技术包括使用第一振荡器对集成电路（IC）的无线电的操作进行计时。本技术包括间歇性地使用第一振荡器来对IC的第二振荡器进行频率调谐。

Description

低频精密振荡器
技术领域
本发明涉及低频精密振荡器。
背景技术
可以出于如使处理器核或无线电的操作同步；记录时间；发起周期性活动等等这样的目的而在电子系统中使用时钟信号。典型电子系统包括一个或多个振荡器以生成周期信号，从其导出系统的时钟信号。一种振荡器类型是张弛振荡器（relaxationoscillator），诸如基于电阻器-电容器（RC）的振荡器，其具有张弛频率，所述张弛频率为振荡器的一个或多个电容和一个或多个电阻的函数。另一种振荡器类型是基于晶体的振荡器，其具有通过振动压电晶体的机械谐振而被设置的谐振频率。
发明内容
在示例实施例中，一种技术包括使用第一振荡器来对集成电路（IC）的无线电的操作进行计时。本技术包括间歇性地使用第一振荡器来对IC的第二振荡器进行频率调谐。
根据另一示例实施例，一种装置包括第一振荡器、第二振荡器和调谐电路。第一振荡器提供第一时钟信号，并且第二振荡器提供第二时钟信号。调谐电路对触发事件进行响应以至少部分地基于第一时钟信号的频率来对第二振荡器进行调谐。
根据又另一示例实施例，一种装置包括集成电路（IC），其包括无线电、用以为无线电提供时钟信号的基于晶体的振荡器、基于电阻器-电容器（RC）的振荡器以及调谐电路。该调谐电路对触发事件进行响应以至少部分地基于由基于晶体的振荡器提供的时钟信号的频率来间歇性地对基于RC的振荡器进行调谐。
优点及其它特征从以下绘图、描述和权利要求将变得显而易见。
附图说明
图1是根据示例实施例的电子系统的示意图。
图2是根据示例实施例的图1中的电子系统的微控制器单元（MCU）的示意图。
图3是根据示例实施例的图2的基于电阻器-电容器（RC）的振荡器的振荡器核的示意图。
图4A和4B是根据示例实施例的图3的振荡器核的波形。
图5是根据示例实施例的MCU的时钟系统的示意图。
图6A和6B是根据示例实施例的描绘用以提供低频精密振荡器的技术的流程图。
图7是根据示例实施例的张弛振荡器的示意图。
图8图示根据示例实施例的图7的张弛振荡器的振荡器核的波形。
图9是根据另外的示例实施例的MCU的时钟系统的示意图。
图10和11是根据示例实施例的调谐判定逻辑电路的示意图。
图12A和12B是根据示例实施例的具有相对大的温度系数的振荡器的示意图。
具体实施方式
诸如基于微控制器单元（MCU）的平台的电子系统可以使用具有相对高的频率（例如，在1兆赫（MHz）以上的频率）和相对高的精度（例如，在±百万分之40（ppm）之内的精度）的时钟信号来使系统的某些组件的操作同步。例如，电子系统可以用具有±40 ppm的精度的38.4 MHz时钟信号对近距离无线电进行计时。电子系统还可以使用一个或多个相对低频时钟信号来使系统的其它组件的操作同步。例如，电子系统可以出于如生成实时时钟（RTC）；提供周期性唤醒以用于处理器核执行校准及其它操作；触发系统的组件检查传感器输入；对事件定时器进行计时等等这样的目的而包括相对低频的千赫兹（kHz）频率范围时钟信号。这些低频组件中的一个或多个（诸如，精密事件定时器）可以被用来精确地对电子系统的操作进行定时，并且照此，电子系统使用相对精确的低频时钟信号来对这些组件的操作进行计时。
因为基于晶体的振荡器生成相对精确的信号，所以电子系统可以具有专用的基于晶体的振荡器以生成精确的低频时钟信号。照此，在一个方法中，电子系统可以具有两个基于晶体的振荡器：高频基于晶体的振荡器（即，精确的高频振荡器）和低频基于晶体的振荡器（即，精确的低频振荡器）。替换地，电子系统可以包含单个高频基于晶体的振荡器和电路以对振荡器的时钟信号进行分频从而生成精确的低频时钟信号。
根据在本文中公开的示例实施例，电子系统使用相对精确的高频振荡器的输出来间歇性地对另外相对不精确的低频振荡器进行调谐。更具体地，根据示例实施例，基于MCU的平台（电子系统）包括张弛振荡器（诸如，基于电阻器-电容器（RC）的振荡器）以提供相对低频时钟信号，其可以被用来对与精确定时操作相关联的平台的低频数字组件（诸如，精密事件定时器）进行计时。虽然张弛振荡器典型地不与高精度相关联，如在本文中所描述，但基于MCU的平台还包含被用来间歇性地对张弛振荡器进行调谐的基于晶体的振荡器。以这种方式，基于MCU的平台使用由基于晶体的振荡器提供的相对精确的时钟信号来间歇性地对张弛振荡器进行调谐以控制由于温度而引起的张弛振荡器的变化，以便张弛振荡器有效地提供精确的低频时钟信号。因此，根据示例实施例，基于MCU的平台不包含用以生成精确低频时钟信号的基于晶体的振荡器，由此消除与这样的方法相关联的费用和资源，诸如用于关联晶体的额外封装管脚和电容器；用于晶体的附加电路板空间等等。此外，根据示例实施例，基于MCU的平台不对相对较高的时钟频率进行分频来生成精确的低频时钟信号，由此避免相对高的功率消耗（例如，由于高频振荡器连续地操作），其对于电池供电的应用而言可以是特别有利的。
参考图1，作为更具体的示例实施例，电子系统100包括时钟系统98，其包含多个时钟源，所述时钟源包括：用以为精确定时数字组件（诸如，电子系统100的精密事件定时器）提供相对精确且相对低频的时钟信号（例如，32.768 kHz时钟信号）的张弛振荡器116；以及基于晶体的振荡器114，其用以为电子系统100的一个或多个精确定时高频组件（诸如，近距离无线电220）提供相对精确且相对高频时钟信号（例如，38.4 MHz用于信号的时钟）。
如在本文中所描述，MCU 24包含调谐电路112，其使用基于晶体的振荡器114作为参考来间歇性地对张弛振荡器116进行调谐，以便张弛振荡器116维持相对精确的输出时钟信号频率。在该上下文中，“间歇性地”对张弛振荡器116调谐指的是有时对振荡器116进行调谐，包括在依据对应于周期性调度表（schedule）的时间处发起振荡器116的调谐以及在不规则或不对应于周期性调度表的时间处对振荡器116进行调谐。如在本文中所描述，根据示例实施例，张弛振荡器116的调谐可以响应于触发事件而发生，其中总目标是将（由于温度或其它因素而引起的）振荡器的频率的变化维持在一定的精密程度之内。
根据示例实施例，电子系统100包括微控制器单元（MCU）24，其控制电子系统100的一个或多个组件70的各种方面。一般地，MCU 24经由通信输入/输出（I/O）信号74（取决于特定实施例，其可以是无线信号；基于硬接线的线缆的信号等等）与组件70通信。作为示例，组件70可以包括像以下这样的组件：发光元件；电马达；家用电器；库存控制终端；计算机；平板电脑；智能功率表；无线接口；蜂窝接口；射频（RF）前端接口；交互式触摸屏用户接口等等。
如在图1中描绘的，根据示例实施例，MCU 24的组件中的全部或部分可以是半导体封装110的部分。以这种方式，可以取决于特定实施例而在单个管芯上或在多个管芯上制造MCU 24的组件中的全部或部分，并且被密封而形成半导体封装110。
连同图1一起参考图2，根据示例实施例，MCU 24包含一个或多个处理器核150、数字组件90和模拟系统96。作为示例，处理器核150可以是32位核，诸如高级RISC机器（ARM）处理器核，其执行精简指令集计算机（RISC）指令集。在另外的示例实施例中，处理器核150可以是不太强大的核，诸如8位核（例如，8051核）。作为示例，数字组件90可以是一个或多个时间精密事件定时器91、通用串行总线（USB）接口；通用异步接收机/发射机（UART）接口；系统管理总线接口（SMB）接口；串行外围接口（SPI）接口等等。一般地，数字组件90可以经由关联I/O信号74-1与在MCU 24外部的设备通信。
模拟系统96可以包括接收模拟信号的各种模拟组件和系统，诸如模数转换器（ADC）和比较器；以及提供模拟信号的模拟组件，诸如电流驱动器。一般地，模拟系统96经由关联I/O信号74-2与在MCU 24外部的设备通信。
除它的其它组件之外，MCU 24还可以包括被耦合到数字组件90、模拟系统96和处理器核150的系统总线130。存储器系统158也被耦合到系统总线130。该存储器系统包括存储器控制器或管理器160，其控制对MCU 24的各种存储器组件（诸如，高速缓冲存储器172、非易失性存储器168（例如，闪速存储器）和易失性存储器164（例如，静态随机存取存储器（SRAM））的访问。根据示例实施例，易失性存储器164和非易失性存储器168可以形成MCU 24的系统存储器。换言之，易失性存储器164和非易失性存储器168具有存储器位置，其是用于MCU 24的系统存储器地址空间的部分。
注意到图2描绘示例MCU架构的一般简化表示，因为根据另外的实施例MCU 24具有在图2中未被描绘的许多其它组件、桥接器、总线等等。例如，根据另外的示例实施例，MCU24可以具有总线矩阵模块，其对从侧仲裁进行响应以调节对MCU 24的存储器设备的访问。因此，预期许多其它实施例，其在所附权利要求的范围内。
根据示例实施例，时钟系统98包括调谐电路112，其间歇性地对张弛振荡器116的基本（或张弛）时钟频率进行校准或调谐以维持用于振荡器116的相对精确的时钟信号203。如在本文中所描述，取决于特定实施例，调谐电路112可以在其振荡器核115方面对张弛振荡器116进行调谐，或者可以通过调节由振荡器核115产生的信号来对振荡器116进行调谐。
一般地，调谐电路112可以被由频率误差测量电路184提供的信号控制。在这方面，根据示例实施例，响应于MCU 24中的周期性或非周期性事件的发生和/或张弛振荡器116的预定环境改变（例如，温度改变）而由调谐判定逻辑118启用频率误差测量电路184。如在图2中描绘的，根据某些实施例，调谐判定逻辑188可以接收各种事件触发信号178，其被调谐判定逻辑188处理以便确定何时启用频率误差测量电路184，如在本文中进一步描述的。
根据示例实施例，当被启用时，频率误差测量电路184执行由张弛振荡器116提供的时钟信号203的频率与由基于晶体的振荡器114提供的时钟信号205的比较。作为此测量的结果，频率误差测量电路184向调谐电路112提供信号以便对张弛振荡器116进行重新校准或重新调谐，如在本文中进一步描述的。
参考图3，根据示例实施例，张弛振荡器116可以是基于电阻器电容器（RC）的振荡器，其包含包括电阻器304和电容器308的张弛电路300。针对图3的实施例，振荡器核115的张弛频率与电阻器304的电阻和电容器308的电容的积成反比。注意到根据另外的实施例，张弛电路300可以包含其它且潜在地更加复杂的RC网络，诸如包含多个电容器和多个电阻器的网络。此外，根据另外的示例实施例，张弛振荡器可以是除基于RC的振荡器之外的振荡器。
在操作中，电容器308每个振荡循环被充电和放电一次（即，每个针对振荡器116的谐振循环被充电和放电一次）。更具体地，在给定振荡循环的部分期间，振荡器核115的开关逻辑320断开开关314，并且在其中开关314和开关318两者断开的小欠重叠（underlap）时间之后，开关逻辑320闭合开关318以将电容器308耦合至地以使电容器308放电。在给定振荡循环的另一部分期间，开关逻辑320断开开关318，并且在其中开关314和318两者断开的欠重叠之间之后，开关逻辑320闭合开关314以将电容器308耦合至电源电压以使电容器308充电。
振荡器核115的比较器310包括被耦合到电容器308的节点306以感测电容器的电压（在本文中称为“VS电压”）的输入端子313和感测可变开关阈值电压（在本文中称为“VT电压”）的输入端子311。比较器310对在输入端子311和313处接收到的电压进行响应以提供输出电压（在本文中称为“VC电压”），其是用于振荡器核115的输出电压并控制开关逻辑320的操作。
更具体地，连同图3一起参考图4A和4B，如从时间T1至时间T2所图示（在示例振荡循环的示例时间段中），当电容器308正在放电时，电容器308的VS电压减小直至VS电压达到下阈值（在本文中称为“VL电压”或“VL阈值电压”）为止。响应于VS电压在时间T2处达到VL阈值电压，比较器310取消断言VC电压（deassert）（例如，驱动为低），如在图4B中描绘的。响应于VC电压的取消断言，开关逻辑320断开开关318，并且在其中开关314和318两者断开的欠重叠时间之后，开关逻辑320闭合开关314以将电容器308耦合至电源电压从而在时间T2至T3期间使电容器308充电。此充电又发生直至VS电压在时间T3处达到上阈值电压（在本文中称为“VH电压”或“VH阈值电压”）为止，并且当这发生时，比较器310断言（assert）VC电压（例如，驱动为高）。已断言VC电压又使开关逻辑320断开开关314，并且在其中开关314和318两者断开的欠重叠时间之后，开关逻辑320闭合开关318以开始另一振荡循环。
除控制开关314和318以调节电容器308何时充电或放电之外，开关逻辑320还控制开关324和328，其控制阈值，比较器310对照该阈值比较电容器308的VS电压（即，开关324和328的操作控制VT电压）。以这种方式，如在图3中所描绘的，根据示例实施例，VL和VH阈值电压分别地由电阻器梯或网络321的节点331和329提供。根据示例实施例，当电容器308开始充电时，开关逻辑320断开开关328，并且在其中开关324和328都断开的欠重叠时间之后，开关逻辑320闭合开关324以将VH阈值电压耦合至比较器310的输入端子311（以在电容器308在充电的同时形成VT电压，如在图4A中描绘的）。当电容器308开始放电时，开关逻辑320断开开关324，并且在其中开关324和328都断开的欠重叠时间之后，开关逻辑320闭合开关328，以便VL阈值电压被耦合到比较器310的输入端子311（以在电容器308在放电的同时形成VT电压，如在图4A中描绘的）。
除它的其它特征之外，根据某些实施例，振荡器核115可以包括低压差（LDO）稳压器334以调节较高电源电压（在图3中称为“VDD1”）从而提供较低的已调节电源电压（在图3中称为“VDD2”），其被用来为比较器310和开关逻辑320提供电源电压。根据示例实施例，振荡器核115的另一LDO稳压器336可以进一步调节VDD2电源电压以提供被用来对电容器308充电的较低电源电压（在图3中称为“VDD3”）。虽然比较器310具有关联1/f噪声，但通过每个振荡循环切换阈值，对于在频率方面低于振荡频率的1/f噪声而言，振荡频率与1/f噪声无关。
因为VH和VL阈值电压可以是VDD3电源电压的部分（fraction），所以这导致在阈值电平与充电电平之间的相对强的追踪。该方面可以提供关于功率供应的DC电平而言增强的频率稳定性。以这种方式，经由比较器310和开关逻辑320的反馈迫使VS电容器电压具有在VL与VH阈值之间的信号摆动，而从未被物理连接到电阻器网络321的对应节点329和331。创建源免疫力（supply immunity），因为VL和VH阈值与VDD3电源电压成比例，并且施加于电容器308的充电电压也与VDD3电源电压成比例。因此，针对VDD3电源电压中的不同DC电平，很少或不存在振荡频率中的改变。
影响振荡器稳定性的因素是温度。根据示例实施例，可以用叉指式金属指状物来制造电容器308，以便电容器308的电容大体上与温度无关。振荡器核115的温度稳定性因此很大程度上是电阻器304的温度系数的稳定性的函数。根据示例实施例，电阻器304可以由p型和n型多晶电阻器（poly resistor）的适当加权构造以实现相对低的温度系数（例如，±50 ppm/℃的温度系数）。
虽然RC振荡器核115的以上描述的特征可以为张弛振荡器116赋予相对低的温度系数，但是振荡器核115可以在相对宽的温度范围（例如，诸如从-40至+125℃的温度范围）上操作。在这样的宽工作温度范围下，甚至相对小的温度系数也可以使振荡器核115的频率变化超过期望的范围（例如，变化超过±500 ppm）。因此，出于间歇性地对张弛振荡器116进行校准或调谐以调节由于温度改变而引起的振荡器的频率的变化的目的而在本文中描述了系统和技术。
参考图5，根据某些实施例，向由振荡器核115提供的VC时钟信号施加频率抖动（frequency dithering）；并且出于维持用于张弛振荡器116的相对精确的时钟信号的目的而调节此频率抖动。更具体地，根据示例实施例，振荡器核115可以与高于针对张弛振荡器116的目标频率的标称频率相关联。作为更具体的示例，针对32.768 kHz频率时钟信号，针对振荡器核115的标称频率可以是例如40.96 kHz。此外，根据某些实施例，可以使用VC时钟信号的上升沿（positive going edge）和下降沿两者来对双模分频器514进行计时。
双模分频器514施加频率抖动（dithering）以为振荡器116提供相对精确的时钟信号203。针对以下示例假设双模分频器514被二或三除。更具体地，根据示例实施例，假设分频器514在由振荡器核115提供的VC时钟信号的两个边沿上进行操作，双模分频器514有时除以二并且其它时间除以三，以实现针对振荡器核115的标称频率的2.5的有效分频比（divide radio）。
根据示例实施例，双模分频器514是除以二还是除以三由施加于其控制端子515的信号控制。针对图5的示例实施例，此控制信号由调谐电路112提供，并且更特别地，由调谐电路112的Σ-△（sigma delta）调制器512提供。Σ-△调制器512产生控制信号，其是在Σ-△调制器512的输入处接收到的校准字510的函数。Σ-△调制器512的输出变化，并且由双模分频器514除以二所花费的时间对比除以三所花费的时间由Σ-△调制器的输出控制。
因此，由振荡器核115提供的时钟信号的频率抖动由如由Σ△调制器512所控制的到双模分频器514的输入的抖动控制。
根据示例实施例，校准字510由频率误差测量电路184控制。以这种方式，频率误差测量电路184出于将时钟信号203调谐至精确频率（例如，32.768 kHz的频率）的目的而调整校准字510。因此，如在图5中描绘的，可以由张弛振荡器116对相对精确的定时器91进行计时。
调谐判定逻辑188接收信号178，其指示事件，所述事件提示或触发调谐判定逻辑188考虑是否要启用频率误差测量电路184以对张弛振荡器116进行重新校准或重新调谐，如以上所描述。特别地，根据某些实施例，信号178中的一个可以指示MCU 24的无线电220（例如，参见图2）何时被上电，以便张弛振荡器116的重新调谐在基于晶体的振荡器114可用时发生。如在本文中进一步描述的，另一信号178可以是由温度传感器514提供的信号，调谐判定逻辑188将其用来确定从张弛振荡器116最后一次被调谐起温度是否已明显改变，由此提示振荡器116的重新调谐。
作为更具体的示例，根据某些实施例，当自振荡器116最后一次被调谐以来温度改变超过4℃时，调谐判定逻辑188可以确定对张弛振荡器116进行重新调谐或重新校准。如也在图5中描绘的，根据某些实施例，信号178中的一个可以是来自定时器91中的一个（例如，定时器91-1）的信号。在这方面，定时器91-1可以是看门狗定时器，其周期性地断言信号178以使调谐判定逻辑188周期性地对张弛振荡器116进行重新调谐。根据另外的实施例，可以使用其它信号178来触发张弛振荡器116的调谐。
根据示例实施例，频率误差测量电路184可以是数字计数器，其出于确定频率误差的目的将由基于晶体的振荡器114提供的高频时钟信号205的循环数计数成由张弛振荡器116提供的时钟信号203的循环数。由频率误差测量电路184提供以设置校准字510的信号又可以因此是频率误差的函数。作为由Σ-△调制器512进行的控制的更具体示例，如果张弛振荡器116例如正运行过快，则Σ-△调制器512可以将双模分频器514的有效分频比从2.60更新成2.61。
因此，参考图6A，根据示例实施例，技术600包括使用（框604）第一振荡器来提供第一时钟信号并使用第二振荡器来提供第二时钟信号。依据技术600，响应于触发事件，至少部分地基于第一时钟信号的频率来对第二振荡器进行调谐（框610）。
更具体地，参考图6B，根据示例实施例，技术620包括使用（框624）基于晶体的振荡器来为集成电路的无线电提供时钟信号。依据框628，技术620包括对触发事件进行响应以至少部分地基于由基于晶体的振荡器提供的时钟信号而间歇性地对张弛振荡器进行调谐。
因此，图5的频率调整方法将双模分频器放置于振荡器核115之后。这种方法在长期期间实现正确的平均频率。然而，本方法删除了整个半循环。这可以引起两个问题：1. 输出时钟信号可以具有大的边到边定时抖动（jitter）；以及2. 可能需要观察最小的循环数来获得正确的平均频率。
根据另外的实施例，可以使用在图7中描绘的张弛振荡器700来代替张弛振荡器116。如所示出，张弛振荡器700提供时钟信号703。不同于张弛振荡器116，张弛振荡器700直接地调整振荡器700的振荡器核702的振荡频率。这导致相对细小的频率调谐，由此导致对于相对短间隔测量而言的相对较高准确度平均频率。张弛振荡器700的特定优点在于振荡器700的输出可以是相对精确的，即使是对于相对短间隔测量而言。
更具体地，根据示例实施例，振荡器核702是基于RC的芯，其具有与图3的振荡器核115相似的设计，其中相似的参考数字被用来表示相似的元件。然而，不同于振荡器核115，振荡器核702具有抖动的VH和VL阈值电压。在这方面，开关324和328被用于振荡器核702的开关710、712、714和716替换。
开关710、712、714和716被用来选择性地将比较器310的输入端子311分别地耦合至电阻分压器721（替换振荡器核115的电阻分压器321）的节点723、725、727和729。节点723、725、727和729分别地与称为VH2、VH1、VL1和VL2的阈值电压相关联。更具体地，开关710和712在电容器充电期间控制施加于比较器310的输入端子311的上阈值；并且开关714和716在电容器放电期间控制施加于比较器310的输入端子311的下阈值。根据示例实施例，Σ-△调制器720在电容器308的充电期间选择两个上VH1和VH2阈值电压中的一个（经由适当开关710和712的闭合及其它开关710和712的断开），并且当电容器308放电时通过开关714和716的使用来使下阈值电压VL1和VL2电平的选择抖动。电压阈值抖动又允许对振荡频率的相对细小的频率调整。
更具体地，连同图7一起参考图8，根据示例实施例，Σ-△调制器720可以施加阈值抖动以使电容器308在给定振荡循环期间在VH1较低上阈值电压与VL2较高下阈值电压之间充电和放电，并且随后在另一振荡循环期间在VH2较高上阈值电压与VL1较低下阈值电压之间变化。根据示例实施例，此电压阈值抖动可以允许以细小步幅（诸如，振荡频率的±3%）调整振荡频率。因此，由RC振荡器700提供的时钟信号703的定时抖动可以是相对小的，并且因此可以使用少得多的求平均时间来获得期望的间隔准确度。
参考图9，使用以上描述的阈值电平抖动的时钟系统900（替换时钟系统98）包括RC振荡器700；调谐电路904（替换调谐电路112），其包括对校准字910进行响应的Σ△调制器720；频率误差测量电路184；以及调谐判定逻辑188。
根据另外的示例实施例，可以在张弛振荡器的核内部使用抖动来调整除阈值电平之外的参数。例如，可以通过使用Σ-△调制器来使电容器308的电容抖动而对振荡频率进行调谐。以这种方式，根据某些实施例，电容器308可以由具有开关的电容器组形成，该开关可以被选择性地断开和闭合以便选择电容308；并且此选择可以被由Σ-△调制器提供的抖动控制。作为另一示例，根据另外的示例实施例，电阻器304可以由通过关联开关被选择性地耦合到复合电阻和从其解耦合的电阻器组提供。此耦合和解耦合可以被Σ-△调制器控制。
使阈值电平抖动的特定优点在于可以保持三个不同的调整完全分开：1. 可以在制造时调整电容器308的电容以在期望频率的小百分比之内粗略地修整张弛振荡器700的振荡频率两次；2. 可以在正常操作期间动态地使阈值电平抖动以对张弛振荡器700进行细小调谐；以及3. 可以基于实验室测量对电阻器304的电阻进行编程以选择p多晶和n多晶电阻器的相对百分比以便使振荡器核的温度稳定性最大化。
参考图10，根据示例实施例，温度传感器514可以由与绝对温度成比例（PTAT）参考1000（诸如，PTAT电流源）形成。PTAT参考1000提供成比例地指示给定温度改变的信号。调谐判定逻辑188还可以包括模数转换器（ADC）1010，其被以相对低的采样频率（例如，4 Hz的采样频率）采样。调谐判定逻辑188还可以包括逻辑1014，其用以比较连续样本（如ADC输出所指示的）以便确定（判定逻辑1018）温度是否已在时间连续样本之间改变达预定阈值。例如，根据某些实施例，此阈值可以是4℃。在这方面，如果已满足阈值，根据某些实施例，调谐判定逻辑188生成信号1024以启用频率误差测量电路184从而引起张弛振荡器的重新调谐。否则，无操作信号1020可以被生成。
作为另一变化，根据更好的示例实施例，可以使用如在图11中所示出的调谐判定逻辑1120。针对本实施例，调谐判定逻辑1120使用通过由两个振荡器所生成的两个时钟信号的频率差提供的温度信号。更具体地，针对图11的实施例，温度传感器1110包括具有相对低的关联温度系数的张弛振荡器116、700和具有相对高的关联温度系数的振荡器1112。换言之，与由振荡器1112提供的时钟信号相比，由张弛振荡器116、700提供的时钟信号关于温度变化很少。
针对本实施例，调谐判定逻辑1120包括基于计数器的频率比较器1130，其提供表示频率差的信号。以这种方式，频率比较器1130比较由温度传感器1110的振荡器生成的时钟信号。比较器1130对以下进行计数：给定时段内的时钟信号之一的循环数对比在相同时段期间的其它时钟信号的循环数，并且比较器1130生成表示误差（即，表示温度测量结果）的信号。调谐判定逻辑1120的逻辑1134指示连续样本之间的改变。如果调谐判定逻辑1120的逻辑1138指示频率改变超过阈值，则逻辑1138断言信号1142以引起张弛振荡器的重新调谐。否则，生成无操作信号1146（即，不发起重新调谐）。
根据某些实施例，具有相对高的关联温度系数的振荡器1112可以包括PTAT源，诸如图12A的振荡器1200。振荡器1200包括奇数个反相器1206的环1204。取决于特定实施例，可以实现任何奇数个反相器1206。为了赋予温度不稳定性，反相器1206中的至少一个从被PTAT电流源1210控制的电流源1214接收其电源电流。例如，根据某些实施例，电流源1214可以向反相器1206供应电流；并且电流源1214可以使由PTAT电流源1210提供的电流镜像（mirror）。
参考图12B，根据另外的示例实施例，具有高关联温度系数的振荡器1250可以包括奇数个反相器1258的环1254。取决于特定实施例，可以实现任何奇数个反相器1258。针对振荡器1250，由被耦合在反相器1258之一的输入端子与另一反相器1258的输出端子之间的电阻器1262引入温度不稳定性。此外，如所示出，电容器1264被耦合在反相器1258的输入端子与地之间。
根据另外的实施例，可以使用其它高温度系数、温度传感器及其它振荡器。
虽然已关于许多实施例描述了本技术，但将领会到的是许多修改和变化从其可以是可适用。意图在于所附权利要求覆盖如落在本技术的范围之内的所有这样的修改和变化。

Claims (20)

1.一种方法，包括：
使用第一振荡器来对集成电路（IC）的无线电的操作进行计时；以及
间歇性地使用第一振荡器来对IC的第二振荡器进行频率调谐。
2.权利要求1的方法，其中，所述第一振荡器与第一时钟频率相关联，第二振荡器与小于第一时钟频率的第二时钟频率相关联，所述方法还包括使用第二振荡器来对IC的至少一个定时器进行计时。
3.权利要求1的方法，还包括：
使用多模分频器对由第二振荡器的振荡器核提供的信号进行分频以提供时钟信号，其中，间歇使用第一振荡器来对振荡器进行频率调谐包括间歇性地改变被施加以选择分频器的模数的抖动。
4.权利要求3的方法，还包括使用Σ△调制器来施加抖动。
5.权利要求1的方法，其中，间歇使用第一振荡器来对第二振荡器进行频率调谐包括间歇性地调整改变被施加于第二振荡器的振荡器核的振荡频率的抖动。
6.权利要求5的方法，还包括：使用Σ△调制器对振荡频率施加抖动。
7.权利要求5的方法，还包括：
使用振荡器核来提供以振荡器核的振荡频率在上阈值与下阈值之间循环的斜坡信号；以及
使上和下阈值抖动，
其中，间歇性地改变被施加于振荡频率的抖动包括间歇性地调整上和下阈值的抖动。
8.权利要求5的方法，其中：
所述振荡器核包括电阻器-电容器（RC）张弛电路；并且
间歇性地改变被施加于振荡器核的抖动包括间歇性地调整被施加于张弛电路的电阻或电容的抖动。
9.权利要求1的方法，其中，间歇性地使用第一振荡器来对第二振荡器进行频率调谐包括：
响应于定时器事件，无线电的上电或检测到的温度改变而触发由第二振荡器提供的时钟信号的调谐。
10.一种装置，包括：
第一振荡器，其用以提供第一时钟信号；
第二振荡器，其用以提供第二时钟信号；以及
调谐电路，其用以对触发事件进行响应以至少部分地基于第一时钟信号的频率来对第二振荡器进行调谐。
11.权利要求10的装置，其中：
所述第二振荡器包括用以提供第二时钟信号的多模分频器和振荡器核，所述多模分频器包括用以从多个模量选择模数的控制端子；并且
所述调谐电路包括：
频率测量电路，其用以提供表示在第一时钟信号的频率与第二时钟信号的频率之间的差的信号；以及
Σ△调制器，其用以对由频率测量电路提供的信号进行响应以向多模分频器的控制端子提供信号。
12.权利要求10的装置，其中：
所述第二振荡器包括振荡器核；并且
所述调谐电路包括：
频率测量电路，其用以提供表示在第一时钟信号的频率与第二时钟信号的频率之间的差的信号；以及
Σ△调制器，其用以对由频率测量电路提供的信号进行响应以控制振荡核的振荡器频率。
13.权利要求12的装置，其中：
所述第二振荡器核包括：
电阻器-电容器（RC）张弛电路，其用以提供信号；
第一开关，其用以使RC张弛电路充电；
第二开关，其用以使RC张弛电路放电；
比较器，其用以提供第二时钟信号，该比较器用以将由RC张弛电路提供的信号与上和下阈值相比较并响应于比较的结果而修改第二时钟信号的频率；以及
第三开关，其用以调节上和下阈值；并且
所述调谐电路包括：
频率测量电路，其用以提供表示在第一时钟信号的频率与第二时钟信号的频率之间的差的信号；以及
Σ△调制器，其用以对由频率测量电路提供的信号进行响应以控制第三开关的操作从而控制上和下阈值。
14.一种装置，包括：
集成电路（IC），其包括无线电、用以为无线电提供时钟信号的基于晶体的振荡器、基于电阻器-电容器（RC）的振荡器以及调谐电路，
其中：
所述调谐电路对触发事件进行响应以至少部分地基于由基于晶体的振荡器提供的时钟信号的频率来间歇性地对基于RC的振荡器进行调谐。
15.权利要求14的装置，其中，所述触发事件包括无线电的功率状态转变或看门狗定时器事件。
16.权利要求14的装置，其中，所述IC还包括：
温度改变检测电路，其用以检测与基于RC的振荡器相关联的温度改变，并且响应于检测的结果而选择性地断言信号以发起触发事件。
17.权利要求16的装置，其中：
所述IC包括温度可变电流源；
所述温度改变检测电路对由温度可变电流源随时间提供的电流进行采样，将与不同时间相关联的样本与改变阈值相比较，并且基于比较的结果而选择性地断言信号以发起触发事件。
18.权利要求16的装置，其中：
所述IC包括具有关联温度系数的第三振荡器；
与第三振荡器相关联的温度系数大于与基于RC的振荡器相关联的温度系数；
所述温度改变检测电路将由基于RC的振荡器提供的时钟信号的频率与由第三振荡器提供的时钟信号的频率相比较；并且
所述温度改变检测电路基于比较的结果而选择性地断言信号以发起触发事件。
19.权利要求18的装置，其中，所述第三振荡器包括：
基于环的振荡器，其包括在基于环的振荡器的信号路径中的电阻器。
20.权利要求18的装置，其中，所述第三振荡器包括：
基于环的振荡器，其包括反相器；以及
温度相关电流源，其用以向反相器中的至少一个供应电流。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108230660A (zh) * 2018-01-09 2018-06-29 广东美的制冷设备有限公司 控制方法及控制装置、存储介质及遥控器
CN109347459A (zh) * 2018-10-30 2019-02-15 郑州大学 基于温度传感的松弛振荡器
TWI775596B (zh) * 2021-09-01 2022-08-21 大陸商敦泰電子(深圳)有限公司 振盪器校準方法、模組、晶片及電子設備
CN115023681A (zh) * 2019-12-20 2022-09-06 北欧半导体公司 时钟选择器电路
CN118449455A (zh) * 2024-07-05 2024-08-06 上海灵动微电子股份有限公司 一种振荡器及集成电路

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10411717B2 (en) * 2016-04-05 2019-09-10 Samsung Electronics Co., Ltd Device and method for multiple reference system timer
US10601407B2 (en) 2018-07-31 2020-03-24 Nxp Usa, Inc. RC oscillator with comparator offset compensation
US10873292B2 (en) * 2018-12-11 2020-12-22 Analog Devices International Unlimited Company Relaxation oscillators with delay compensation
US10972077B2 (en) 2018-12-13 2021-04-06 Silicon Laboratories Inc. System and method of duplicate circuit block swapping for noise reduction
US10969416B2 (en) 2018-12-13 2021-04-06 Silicon Laboratories Inc. System and method of duplicate circuit block swapping for noise reduction
KR20210022355A (ko) 2019-08-20 2021-03-03 삼성전자주식회사 반도체 장치 및 반도체 장치의 신호 진폭 조절 방법
GB202102971D0 (en) 2021-03-03 2021-04-14 Nordic Semiconductor Asa Clock selector circuit

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5844446A (en) * 1996-09-30 1998-12-01 Intel Corporation Oscillator based tamperproof precision timing circuit
US20060223454A1 (en) * 2005-03-31 2006-10-05 Westwick Alan L Precise frequency generation for low duty cycle transceivers using a single crystal oscillator
US20070176705A1 (en) * 2002-10-15 2007-08-02 Sehat Sutardja Crystal oscillator emulator
CN101291143A (zh) * 2007-04-19 2008-10-22 联詠科技股份有限公司 实时时钟集成电路及其电子装置
CN102624363A (zh) * 2011-01-28 2012-08-01 英飞凌科技股份有限公司 具有供电电压无关的输出频率的张弛振荡器
CN102664605A (zh) * 2012-03-16 2012-09-12 电子科技大学 一种低温漂特性的张弛振荡器及其调试方法
US20150194949A1 (en) * 2014-01-07 2015-07-09 Freescale Semiconductor, Inc. Temperature-compensated high accuracy clock

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5844446A (en) * 1996-09-30 1998-12-01 Intel Corporation Oscillator based tamperproof precision timing circuit
US20070176705A1 (en) * 2002-10-15 2007-08-02 Sehat Sutardja Crystal oscillator emulator
US20060223454A1 (en) * 2005-03-31 2006-10-05 Westwick Alan L Precise frequency generation for low duty cycle transceivers using a single crystal oscillator
CN101291143A (zh) * 2007-04-19 2008-10-22 联詠科技股份有限公司 实时时钟集成电路及其电子装置
CN102624363A (zh) * 2011-01-28 2012-08-01 英飞凌科技股份有限公司 具有供电电压无关的输出频率的张弛振荡器
CN102664605A (zh) * 2012-03-16 2012-09-12 电子科技大学 一种低温漂特性的张弛振荡器及其调试方法
US20150194949A1 (en) * 2014-01-07 2015-07-09 Freescale Semiconductor, Inc. Temperature-compensated high accuracy clock

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ARUN PAIDIMARRI 等: "A 120nW 18.5kHz RC oscillator with comparator offset cancellation for ±0.25% temperature stability", 《2013 IEEE INTERNATIONAL SOLID-STATE CIRCUITS CONFERENCE DIGEST OF TECHNICAL PAPERS》 *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108230660A (zh) * 2018-01-09 2018-06-29 广东美的制冷设备有限公司 控制方法及控制装置、存储介质及遥控器
CN109347459A (zh) * 2018-10-30 2019-02-15 郑州大学 基于温度传感的松弛振荡器
CN109347459B (zh) * 2018-10-30 2022-08-30 郑州大学 基于温度传感的松弛振荡器
CN115023681A (zh) * 2019-12-20 2022-09-06 北欧半导体公司 时钟选择器电路
TWI775596B (zh) * 2021-09-01 2022-08-21 大陸商敦泰電子(深圳)有限公司 振盪器校準方法、模組、晶片及電子設備
CN118449455A (zh) * 2024-07-05 2024-08-06 上海灵动微电子股份有限公司 一种振荡器及集成电路

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