CN108111166B - 一种具有自校准功能的片上振荡器及其校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有自校准功能的片上振荡器及其校准方法。片上振荡器包括振荡单元、分频器、计数器、寄存器和电流校准单元。分频器对振荡信号分频后产生时钟信号送入计数器；计数器在校准信号的时间段内计时钟信号的脉冲个数，输出计数值；寄存器根据微控制器发出的初始化脉冲，调出初始化的校准代码，并在校准信号结束后，更新校准代码为计数器的输出值；电流校准单元根据初始化校准代码产生初始化的电流，并送入振荡单元产生初始化的振荡信号，在校准信号结束后，以更新后的校准代码产生修调后的电流用来调整振荡信号的频率。本发明采用一步自校准，降低了自校准迭代次数，实现了片上振荡器输出频率的高效率、高精度的校准。

Description

一种具有自校准功能的片上振荡器及其校准方法

[技术领域]

本发明涉及片上振荡器，尤其涉及一种具有自校准功能的片上振荡器及其校准方法。

[背景技术]

片上振荡器由于其功耗小、尺寸小、价格低、易于集成等优点，替代晶体振荡器广泛应用于集成电路中。然而，片上振荡器的主要缺点是其输出频率受工艺、供电电压和温度变化的影响大，如片上RC振荡器3σ的频率变化可高达20％。因此需要通过校准的方法降低片上现有技术的片上振荡器输出频率对工艺、供电电压、温度变化的敏感性，输出频率会随温度、工艺、电压变化而变化，而且同一片晶圆上分布在不同位置的振荡器输出频率也会不同，因此需要校准。

公开号为CN103066996A的发明公开了一种振荡器及其自校准方法，其中，所述振荡器包括：振荡单元，用于产生振荡信号；转换单元，用于将所述振荡信号的频率转换为电压信号；比较单元，用于将所述电压信号与最高频率电压和最低频率电压比较，并输出比较结果信号；加减单元，用于保存校准值，根据所述比较结果信号加减校准值，并输出与所述校准值对应的校准信号；校准单元，用于根据所述校准信号校准所述振荡信号的频率。该发明的的振荡器自校准方法需要在校准时间窗口内多次重复校准步骤，直至校准时间窗口结束。

公开号为CN101212212A的发明涉及一种具有自校准功能的高精度振荡器及校准方法，用于设定数字控制振荡装置的N字节控制字组以产生时序信号，自校准方法先执行该振荡器的电路初始化，再设定N字节控制字组的第(N－1)字节为1。之后，比较时序信号与频率参考信号的频率，当时序信号频率小于该频率参考信号的频率时，设定N字节控制字组的第(N－1)字节为0，当该时序信号频率没有小于频率参考信号的频率时，设定N字节控制字组的第N－1字节为1。重复上述步骤，以依序设定N字节控制字组的第(N－2)字节至第0字节。该发明用于设定数字控制振荡装置的N字节控制字组，该数字控制振荡装置依据该N字节控制字组以产生时序信号，即需要重复校准步骤N次。

这些自校准方法通常需要多次迭代的过程来完成足够精度的频率修调或校准，芯片正常工作被中断较长的时间，校准方法的效率不高。

[发明内容]

本发明要解决的技术问题是提供一种具有一步自校准功能、输出频率精度高的片上振荡器。

本发明另一个要解决的技术问题是提供一种具有一步自校准功能的片上振荡器的校准方法，在降低自校准迭代次数的同时又能保证振荡器输出频率修调精度，实现片上振荡器输出频率高效、高精度的校准。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种具有自校准功能的片上振荡器，包括振荡单元、分频器、计数器、寄存器和电流校准单元，

振荡单元用于产生振荡信号；

分频器对振荡信号分频后产生时钟信号送入计数器；

计数器在校准信号的时间段内计时钟信号的脉冲个数，输出计数值，该校准信号由外部微控制器发送；

寄存器根据微控制器发出的初始化脉冲，调出初始化的校准代码，并在校准信号结束后，更新校准代码为计数器的输出值；

电流校准单元根据初始化校准代码产生初始化的电流，让振荡单元产生初始化的振荡信号，在校准信号结束后，以更新后的校准代码校产生修调电流来调整振荡信号的频率。

以上所述的片上振荡器，校准单元包括运放和电流镜电路，电流镜电路包括第一PMOS、第二PMOS和多位电阻阵列；运放的反相输入端接参考电压，输出端接第一PMOS的栅极和第二PMOS的栅极；第一PMOS的源极和第二PMOS的源极接芯片电源，第一PMOS的漏极接运放的同相输入端和多位电阻阵列的输入端；多位电阻阵列的输出端接地，控制端接寄存器的输出端；第二PMOS的漏极作为电流校准单元的信号输出端。

以上所述的片上振荡器，振荡单元包括逻辑控制电路、第三PMOS、第四PMOS、第一NMOS、第二NMOS、第三NMOS、比较器、电容和4个电子开关，，第一NMOS的源极接地，漏极和栅极接电流校准单元的信号输出端；第二NMOS的源极接地，栅极接第一NMOS的栅极，漏极接第三PMOS的漏极和栅极，第三PMOS的源极接芯片电源；第四PMOS的源极接芯片电源，漏极通过第一电子开关接电容的正极，栅极接第三PMOS的栅极；第三NMOS的漏极通过第二电子开关接电容的正极，源极接地，栅极接第一NMOS的栅极；电容的正极接比较器的同相输入端，负极接地，比较器的反相输入端通过第三电子开关接上限比较电压V_H，通过第四电子开关接下限比较电压V_L；逻辑控制电路的输入端接比较器的输出端，逻辑控制电路的输出端作为振荡单元的输出端、接4个电子开关的控制端。

以上所述的片上振荡器，所述的逻辑控制电路是RS触发器，当电容的电压V_C<V_L时，比较器的输出为0，经过RS触发器后，RS触发器的输出V₁＝0，第一电子开关和第三电子开关闭合导通，第二电子开关和第四电子开关断开，比较器反相输入端的电压V_A＝V_H，芯片电源通过第四PMOS给电容充电；当电容充电至V_C>V_H时，比较器输出为1,经过RS触发器后，RS触发器的输出V₁＝1，第一电子开关和第三电子开关断开，第二电子开关和第四电子开关闭合导通，使V_A＝V_L，并且通过第三NMOS给电容放电。

以上所述的片上振荡器，振荡单元输出振荡信号的频率其中，C是所述电容的电容值，V_REF为运放的反相输入端输入的参考电压；R是多位电阻阵列的单位电阻值；K是寄存器输出的校准代码。

一种片上振荡器的校准方法，包括以下步骤：

601)微处理器发送初始化脉冲，寄存器将初始化的校准代码设定为振荡器输出目标频率时校准代码的理论值(振荡器输出目标频率时，校准代码的理论设计值和计数器输出的理论值相同)，初始化的校准代码送入电流校准单元，校准单元产生的初始化的电流信号输入振荡单元，振荡单元输出初始化振荡信号，初始化振荡信号经分频器分频后输出时钟信号；

602)微处理器发送校准信号，当计数器检测到校准信号的上升沿时，复位计数器，并开始计数，直至计数器单元检测到校准信号的下降沿，才停止计数；

603)寄存器单元更新校准代码为计数器的计数值,校准单元以更新后的校准代码产生校准后的电流信号，振荡单元输出校准后的振荡信号。

本发明采用一步自校准，降低了自校准迭代次数，实现了片上振荡器输出频率的高效率、高精度的校准。

[附图说明]

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明提出的具有一步自校准功能片上振荡器的原理框图。

图2是本发明提出的片上振荡器输出频率一步自校准过程的波形图。

图3是本发明实施例片上振荡器原理框图。

图4是本发明实施例RC振荡器的原理框图。

图5是本发明实施例片上振荡器校准方法的流程示意图。

[具体实施方式]

本发明为了解决集成电路中的片上振荡器输出频率随工艺、温度、电压变化而变化的问题，提出一种具有一步自校准功能的片上振荡器架构及其校准方法。

图1给出的是本发明提出的具有一步自校准功能的片上振荡器框图。该振荡器包括振荡单元、分频器单元、计数器单元、寄存器单元和电流校准单元。

振荡单元用于产生振荡信号CLK，其频率为F_OSC；

分频器单元，用于对振荡信号CLK分频后产生一个时钟信号CLK_COUNT，其频率为F_COUNT；送入计数器作为时钟信号；

计数器单元用于对时钟CLK_COUNT在微控制器发出的参考脉冲(T_{REF_PULSE})的时间段内计脉冲个数，输出计数值n，该参考脉冲由微控制器(MCU)发送；参考脉冲的上升沿为校准信号的开始时刻，参考脉冲的下降沿为校准信号的结束时刻；

寄存器单元根据MCU发出的初始化脉冲，调出初始化的校准代码,即K_INITIAL＝K_TARGET(K_TARGET是输出目标频率F_TARGET时，校准代码K的理论设计值)，，并在校准信号结束后，更新校准代码为计数器输出值，即K_TRIM＝n；

电流校准单元在MCU发初始化脉冲时，根据校准代码K_INITIAL＝K_TARGET产生I_OSC并送入振荡单元，让振荡单元产生初始化的时钟信号CLK，在校准信号结束后，根据校准代码K_TRIM＝n产生新的I_OSC信号校准振荡信号频率。

图2给出了本发明的具有一步自校准功能的片上振荡器输出频率校准过程的波形图。随着工艺、温度、电压的变化，片上振荡器的输出频率偏离目标值而需要进行频率校准。首先微控制器(MCU)发出初始化脉冲，寄存器单元调出初始化的校准代码，即K＝K_INITIAL＝K_TARGET，K_TARGET是片上振荡器输出目标频率时校准代码K的理论值K_TARGET；随后微控制器(MCU)发出校准信号，当计数器单元检测到校准信号的上升沿时，开始进行频率校准，一旦检测到校准信号的下降沿，频率校准结束。

当计数器单元检测到校准信号的上升沿时，复位计数器，即计数器输出为0，计数器开始对时钟CLK_COUNT计脉冲个数，直至探测到校准信号的下降沿才停止计数。此时计数器的输出为n，寄存器单元更新校准代码，即K＝n，校准单元根据校准代码校准电流I_OSC，并送入振荡单元得到准确的频率，振荡器输出频率一步自校准过程完成。

图3给出了本发明的实施例的片上振荡器框图，下面结合图3和实施例对本发明的具体实施过程做详细的说明。

本发明提出的一步自校准方式和传统的校准方式不同，不是通过不断的迭代过程改变校准代码K值的大小来校准频率的。本发明片上振荡器一步自校准方案的关键思路之一是当输出目标频率F_TARGET时，校准代码K的理论设计值K_TARGET和计数器输出的理论值N_TARGET相等，即K_TARGET＝N_TARGET,另一个关键思路是计数器输出值N和校准代码K的乘积能够反映RC乘积的变化。当进行频率校准时，将K_TARGET作为初始化的校准代码K_INITIAL＝K_TARGET，如果输出频率F_OSC＝F_TARGET，则计数器的输出N＝N_TARGET，如果F_OSC≠F_TARGET，则N≠N_TARGET。无论哪种情况，都是校准结束后将计数器的输出值N作为校准代码的最新值K_TRIM，完成输出频率的一步校准。

本实施例中校准单元由运放A1和和电流镜电路组成，电流镜电路包括MOS管M_P1、MOS管M_P2和M位电阻阵列R_trimming，产生给RC振荡单元的电容充、放电电流I_OSC，电阻阵列由M-bits(M位)的数字修调信号Cal[0:M-1]控制，如果用校准代码K代表Cal[0:M-1]的十进制数值，则由参考电压V_REF和电阻阵列产生的参考电流I_REF可以表示为其中R是电阻阵列的单位电阻值，MOS管M_P2镜像MOS管M_P1的电流并并输出/>

振荡单元是如图4所示的RC振荡器，流经M_P4和M_N3的电流分别为I_CH和I_DISCH，分别表示给电容充电和放电的电流,I_CH和I_DISCH是通过MOS管M_P3、M_N1和M_N2镜像校准单元送入的I_OSC，V_H是比较器的上限比较电压，V_L是比较器的下限比较电压，这两个值设定了电容上的电压值V_C的幅度范围，V_C接比较器的同相输入端、V_A接比较器的反相输入端，控制逻辑电路根据比较器的输出结果选择V_A＝V_H或V_A＝V_L。当V_C<V_L时，则比较器输出为0，经过RS触发器后，RS触发器的输出V₁＝0,选择电子开关S₁和S₃闭合导通，使V_A＝V_H，并且通过MOS管M_P4给电容C充电，充电电流为I_CH；当电容充电至V_L<V_C<V_H时，比较器输出为0,依旧通过MOS管M_P4给电容C充电，充电电流为I_CH；当电容充电至V_C>V_H时，比较器输出为1,经过RS触发器后，RS触发器的输出V₁＝1，选择电子开关S₁和S₃开断，电子开关S₂和S₄闭合导通，使V_A＝V_L，并且通过MOS管M_N3给电容C放电，放电电流为I_DISCH；当电容放电至V_C<V_L时，又开始重复上述充、放电过程。从该RC振荡器的工作过程可知，其振荡频率F_osc可以表示为其中I_OSC表示给电容充、放电电流值，I_OSC＝I_CH＝I_DISCH，C是电容值，ΔV是信号V_C的幅度，此处可表示为ΔV＝V_H-V_L，A是时间延迟系数，对于RC振荡器，A等于2。RC振荡器输出频率会随工作电压、环境温度、工艺参数变化而变化，由于F_OSC正比于I_OSC，而I_OSC正比于I_REF，因此F_OSC可以表示为受电压、温度、工艺影响的RC乘积和校准代码K的函数，即/>因此只要修正后的校准代码K能反映RC乘积的变化，则可以消除RC乘积变化的影响，从而校准振荡器输出频率。从该表达式还能看出，如果参考电压V_REF，V_H,V_L的值随工艺、温度、电压发生了变化而导致输出频率F_OSC的改变，也是可以通过此种校准方法将频率校准回目标频率的。

分频器单元就是对频率为F_OSC的时钟信号CLK进行分频，比如m分频，产生频率为的时钟信号CLK_COUNT送给计数器单元。当计数器单元检测到来自微控制器(MCU)发出的校准信号的上升沿时，将复位计数器输出，并开始对时钟信号CLK_COUNT计脉冲个数，当检测到校准信号的下降沿时，停止计数，参考脉冲时间可以表示为T_{REF_PULSE}＝N/F_COUNT，其中N为计数值。因此F_OSC可以表示为F_OSC＝N×m/T_{REF_PULSE}。如果振荡器输出频率是准确地等于设计目标值F_TARGET，即F_OSC＝F_TARGET，则满足/>计数器单元的输出N＝N_TARGET。

从F_OSC表达式可以得出计数器输出值N和校准代码K的关系为/>由此可见N和K的乘积能够反映RC乘积的变化(这个也是输出频率变化的因素)。校准频率的过程是先将校准代码K初始化，即设定K_INITIAL＝K_TARGET,再将其送入校准单元产生I_OSC，振荡单元镜像I_OSC产生给电容充、放电的电流I_CH和I_DISCH。振荡单元输出初始化的振荡频率F_OSC，经分频器单元和计数器单元处理后，得到计数值n，将N＝n和K_INITIAL＝K_TARGET＝N_TARGET代入N和K的关系式中可以得到/>即/>也就是说N＝n反映了电压、温度、工艺变化引起的RC乘积(即输出频率)的变化，只要将校准代码K设定为K_TRIM＝n，代入F_OSC的表达式可得即校准后输出频率F_{OSC_TRIM}等于设计目标值F_TARGET，实现一步自校准功能。

下面以一个实例，来对本发明作具体的说明：对于一个12.8MHz的片上振荡器，精度要求是±0.5％，对电阻阵列选择一个9bit的寄存器存储校准代码，其修调精度为±(100/256)％，为保证正、负最大修调范围，故将校准代码的理论值设为中间值即K_TARGET＝256。由于本发明的关键思路之一是输出目标频率时，计数器输出的理论值N_TARGET和校准代码的理论值K_TARGET相等，故N_TARGET＝256。根据公式可以计算分频器m＝F_OSC×T_{REF_PULSE}/N，其中F_OSC＝12.8MHz，可以根据MCU给的参考脉冲时间T_{REF_PULSE}来设定分频器m的值，比如设定T_{REF_PULSE}＝1ms，则m＝50。微控制器(MCU)发送初始化脉冲后，K_INITIAL设为K_TARGET，即K_INITIAL＝256，等待几个振荡周期后，MCU发出校准信号，当校准信号的上升沿被检测到时，计数器复位，然后在1ms内对频率为F_COUNT的时钟CLK_COUNT计脉冲个数，直至校准信号的下降沿被检测到，计数器停止计数。此时计数器输出值为n，例如n＝250，表示校准前的F_OSC＝12.5MHz，即而/>表示RC乘积变成理论值(R×C)_theoretical的/>倍，而此时将K从256更新为250，即K_TRIM＝250，则K值变为理论值的/>倍，故抵消了RC乘积的变化，随后输出频率为F_{OSC_TRIM}＝12.8MHz的振荡信号CLK_TRIM，其精度为±(100/256)％，完成了片上振荡器的一步自校准过程，同时满足了设计精度。如果参考电压V_REF，V_H,V_L的值随工艺、温度、电压发生了变化而导致输出频率F_OSC的改变，也是通过计数器的输出值N反映出来，故将校准代码K更新为计数器输出值N的这种一步校准方法是可以解决片上振荡器输出频率随工艺、温度、电压变化的问题，从而校准输出频率。

图5给出了本发明实施例的片上振荡器的一步自校准方法的流程示意图。其自校准步骤如下：首先，微控制器发送初始化脉冲，寄存器中初始化的校准代码K_INITIAL＝K_TARGET被送入电流校准单元产生I_OSC，送入振荡单元后得到初始化振荡信号CLK，其频率为F_OSC，并经分频器分频后输出时钟信号CLK_COUNT，其频率为F_COUNT。经过几个振荡周期后，微控制器发送校准信号，当计数器单元检测到校准信号的上升沿时，复位计数器，并开始计数，直至计数器单元检测到校准信号的下降沿，才停止计数，寄存器单元将计数器的输出值n作为更新后的校准代码K_TRIM,经电流校准单元和振荡单元处理，输出校准后的振荡信号CLK_TRIM，其频率为F_TRIM。至此，片上振荡器一步自校准流程完成。

综上所述，本发明以上实施例提出了具有一步自校准功能的片上振荡器及其校准方法，解决了片上振荡器输出频率随工艺、温度、电压变化而变化的问题，降低了自校准迭代次数，实现了片上振荡器输出频率高效高精度的校准。而且该校准方法可以随时进行，一旦发现频率偏移，就可以进行校准，输出目标频率。

上述实施例仅为了说明本发明方案实施过程而举例而已，但其并不是用来限定本发明，因此，凡是未脱离本发明方案的技术实质而对上述实施例所作的任何简单的修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围，而且本发明所主张的权利范围应以申请专利范围所述为准，而非仅限于上述实施例。

Claims (6)

1.一种具有自校准功能的片上振荡器，其特征在于，包括振荡单元、分频器、计数器、寄存器和电流校准单元，

振荡单元用于产生振荡信号；

分频器对振荡信号分频后产生时钟信号送入计数器；

计数器在校准信号的时间段内计时钟信号的脉冲个数，输出计数值，该校准信号由外部微控制器发送；

寄存器根据微控制器发出的初始化脉冲，调出初始化的校准代码，并在校准信号结束后，更新校准代码为计数器的输出值；

电流校准单元根据初始化校准代码产生初始化的电流，让振荡单元产生初始化的振荡信号，在校准信号结束后，以更新后的校准代码校产生修调电流来调整振荡信号的频率。

2.根据权利要求1所述的片上振荡器，其特征在于，电流校准单元包括运放和电流镜电路，电流镜电路包括第一PMOS、第二PMOS和多位电阻阵列；运放的反相输入端接参考电压，输出端接第一PMOS的栅极和第二PMOS的栅极；第一PMOS的源极和第二PMOS的源极接芯片电源，第一PMOS的漏极接运放的同相输入端和多位电阻阵列的输入端；多位电阻阵列的输出端接地，控制端接寄存器的输出端；第二PMOS的漏极作为电流校准单元的信号输出端。

3.根据权利要求2所述的片上振荡器，其特征在于，振荡单元包括逻辑控制电路、第三PMOS、第四PMOS、第一NMOS、第二NMOS、第三NMOS、比较器、电容和4个电子开关，第一NMOS的源极接地，漏极和栅极接电流校准单元的信号输出端；第二NMOS的源极接地，栅极接第一NMOS的栅极，漏极接第三PMOS的漏极和栅极，第三PMOS的源极接芯片电源；第四PMOS的源极接芯片电源，漏极通过第一电子开关接电容的正极，栅极接第三PMOS的栅极；第三NMOS的漏极通过第二电子开关接电容的正极，源极接地，栅极接第一NMOS的栅极；电容的正极接比较器的同相输入端，负极接地，比较器的反相输入端通过第三电子开关接上限比较电压V_H，通过第四电子开关接下限比较电压V_L；逻辑控制电路的输入端接比较器的输出端，逻辑控制电路的输出端作为振荡单元的输出端、接4个电子开关的控制端。

4.根据权利要求3所述的片上振荡器，其特征在于，所述的逻辑控制电路是RS触发器，当电容的电压V_C<V_L时，比较器的输出为0，经过RS触发器后，RS触发器的输出V₁＝0，第一电子开关和第三电子开关闭合导通，第二电子开关和第四电子开关断开，比较器反相输入端的电压V_A＝V_H，芯片电源通过第四PMOS给电容充电；当电容充电至V_C>V_H时，比较器输出为1,经过RS触发器后，RS触发器的输出V₁＝1，第一电子开关和第三电子开关断开，第二电子开关和第四电子开关闭合导通，使V_A＝V_L，并且通过第三NMOS给电容放电。

5.根据权利要求4所述的片上振荡器，其特征在于，振荡单元输出振荡信号的频率其中，C是所述电容的电容值，V_REF为运放的反相输入端输入的参考电压；R是多位电阻阵列的单位电阻值；K是寄存器输出的校准代码。

6.一种片上振荡器的校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

601)微处理器发送初始化脉冲，寄存器将初始化的校准代码设定为振荡器输出目标频率时校准代码的理论值，初始化的校准代码送入校准单元，电流校准单元产生的初始化的电流信号输入振荡单元，振荡单元输出初始化振荡信号，初始化振荡信号经分频器分频后输出时钟信号；

602)微处理器发送校准信号，当计数器检测到校准信号的上升沿时，复位计数器，并开始计数，直至计数器单元检测到校准信号的下降沿，才停止计数；

603)寄存器单元更新校准代码为计数器的计数值,校准单元以更新后的校准代码产生校准后的电流信号，振荡单元输出校准后的振荡信号。