CN109495076A - 基于温度工艺补偿的片上时钟电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于温度工艺补偿的片上时钟电路，属于集成电路领域。本发明技术方案要点为：包括带隙基准源、电流阵列电路、数字控制电路、电容、比较器、RS触发器及温度和工艺补偿系统，所述带隙基准源的输出端连接电流阵列电路的输入端，数字控制电路的输出端连接电流阵列电路的输入端，电流阵列电路的输出端通过电容连接地线，比较器的输入端连接电流阵列电路的输出端，输出端连接RS触发器的输入端，RS触发器的输出端通过温度和工艺补充系统连接电流阵列电路的输入端。本发明的有益效果是：能有效的降低温度和工艺误差对电路设计的时钟输出的影响。适用于集成电路。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路技术，特别涉及基于温度工艺补偿的片上时钟电路的技术。
背景技术
在集成电路设计中，振荡器是应用最为广泛且要求高的一个模块。大多数芯片的时钟信号通常采用外部石英晶体振荡器实现，虽然其不随温度和工艺所影响，但不能集中芯片内部中，而目前设计的集成内部的振荡器采用RC电路，往往不能有效的温度和工艺补偿。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于温度工艺补偿的片上时钟电路，能够在降低设计成本的同时，有效的降低温度和工艺误差对电路设计的时钟输出的影响。
本发明解决其技术问题，采用的技术方案是：基于温度工艺补偿的片上时钟电路，包括带隙基准源、电流阵列电路、数字控制电路、电容、比较器、RS触发器及温度和工艺补偿系统，所述带隙基准源的输出端连接电流阵列电路的输入端，数字控制电路的输出端连接电流阵列电路的输入端，电流阵列电路的输出端通过电容连接地线，比较器的输入端连接电流阵列电路的输出端，输出端连接RS触发器的输入端，RS触发器的输出端通过温度和工艺补充系统连接电流阵列电路的输入端；
所述带隙基准源用于向电流阵列电路输出稳定的电流；
所述电流阵列电路及电容构成带隙基准源的延时充放电电路，所述延时充放电电路用于当电流阵列电路输入稳定的电流时，利用电容进行充放电，并在放电时，将电流输出至比较器；
所述数字控制电路用于控制带隙基准源输出的稳定的电流的放大倍数；
所述温度和工艺补偿系统包括温度补偿模块及工艺角补偿模块，所述温度补偿模块用于将感知的待检测区的温度数据经模数转换后传输至电流阵列电路中，并通过比较器进行比较，并通过数字控制电路控制调节相应电流的变化，所述工艺角补偿模块用于将感知的电流送入电流阵列电路中和带隙基准源输出的稳定的电流对比得到相应的修正电路，从而校准振荡器时钟，使RS触发器输出的时钟信号达到50％占空比脉冲输出。
进一步的是，所述电流阵列电路包括2倍电流放大电路及4倍电流放大电路。
具体的是，所述温度补偿模块包括温度传感器、PNP三极管及模数转换模块，所述温度传感器的输出端通过PNP三极管连接模块转换模块的输入端，模数转换模块的输出端连接电流阵列电路的输入端。
再进一步的是，所述工艺角补偿模块包括占空比多路选择器，所述占空比多路选择器的输入端连接RS触发器的输出端，占空比多路选择器的输出端连接电流阵列电路的输入端。
具体的是，还包括RTC晶振校准电路，所述模数转换模块的输出端及占空比多路选择器的输出端均通过RTC晶振校准电路连接电流阵列电路的输入端。
再进一步的是，所述RTC晶振校准电路采用精度为9bit的RTC晶振校准电路。
本发明的有益效果是，通过上述基于温度工艺补偿的片上时钟电路，通过数字单元控制电路控制带隙基准源的放大倍数，与内部大电容组成延时充放电电路，输出不断变化的电压值，供后端比较器和RS触发器一个激励源，最终输出一定占空比的脉冲波形。相比传统RC震荡电路的精度缺陷问题而言，本发明采用不受温度和工艺影响的恒流源作为基准源，采用数字控制电路精确的提供基准源的精准放大，完全摆脱了电阻工艺精度的缺陷，极大的提高了振荡器的精度的同时，也极大的解决了由于电阻发热影响震荡周期的问题。具有高精度温度补偿的特性，以及工艺补偿特性，能有效的降低温度和工艺误差对电路设计的时钟输出的影响。
附图说明
图1为本发明基于温度工艺补偿的片上时钟电路的部分结构组成示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，详细描述本发明的技术方案。
本发明所述基于温度工艺补偿的片上时钟电路，包括带隙基准源、电流阵列电路、数字控制电路、电容、比较器、RS触发器及温度和工艺补偿系统，其部分结构组成示意图参见图1，其中，带隙基准源的输出端连接电流阵列电路的输入端，数字控制电路的输出端连接电流阵列电路的输入端，电流阵列电路的输出端通过电容连接地线，比较器的输入端连接电流阵列电路的输出端，输出端连接RS触发器的输入端，RS触发器的输出端通过温度和工艺补充系统连接电流阵列电路的输入端；带隙基准源用于向电流阵列电路输出稳定的电流；电流阵列电路及电容构成带隙基准源的延时充放电电路，所述延时充放电电路用于当电流阵列电路输入稳定的电流时，利用电容进行充放电，并在放电时，将电流输出至比较器；数字控制电路用于控制带隙基准源输出的稳定的电流的放大倍数；温度和工艺补偿系统包括温度补偿模块及工艺角补偿模块，所述温度补偿模块用于将感知的待检测区的温度数据经模数转换后传输至电流阵列电路中，并通过比较器进行比较，并通过数字控制电路控制调节相应电流的变化，所述工艺角补偿模块用于将感知的电流送入电流阵列电路中和带隙基准源输出的稳定的电流对比得到相应的修正电路，从而校准振荡器时钟，使RS触发器输出的时钟信号达到50％占空比脉冲输出。
电流阵列电路可以包括2倍电流放大电路及4倍电流放大电路等。温度补偿模块可以包括温度传感器、PNP三极管及模数转换模块等，其中，温度传感器的输出端通过PNP三极管连接模块转换模块的输入端，模数转换模块的输出端连接电流阵列电路的输入端。工艺角补偿模块包括占空比多路选择器，其中，占空比多路选择器的输入端连接RS触发器的输出端，占空比多路选择器的输出端连接电流阵列电路的输入端。还可以包括RTC晶振校准电路，其中，模数转换模块的输出端及占空比多路选择器的输出端均通过RTC晶振校准电路连接电流阵列电路的输入端。RTC晶振校准电路采用精度为9bit的RTC晶振校准电路。
实施例
本发明实施例基于温度工艺补偿的片上时钟电路。主要分为以下几个部分：
1、带隙基准源具有温度和工艺补偿的电路结构，其基本原理为输出与温度成正相关输出的ΔVBE和与温度成负相关的VBE。通过找到系数ɑ1和ɑ2的关系建立VREF＝ɑ1ΔVBE+ɑ2VBE关系式，则可以产生与温度无关的带隙基准源，本实例中，采用工艺参数一样的电流镜，因而与工艺也无关。
2、电流阵列电路通过基准源电流和校准电流进行比较，生成再次校准电流。通过数字控制电路，产生补偿电流。
3、延时充放电电路则分为两部分，前段为放大模块，采用数字精确控制电流的放大倍数，提供不同电流输出，通过内部大电容的充放电过程，以及比较等过程，得到所需不同频率的波形。通过外部数字控制电路，实现外部频率调节的作用。
4、延时电路是振荡器的重要组成部分，传统的RC震荡电路，在集成电路上，由于工艺原因，往往导致电阻的误差在10％-20％，对于高精度需求反而很慢满足，本文设计采用的是，电流源通过内置大电容，构成延时振荡电路。通过电容的充放电时间，则得到相应的充放电电压，与环形振荡器所不同的是结构简单，容易实现。
5、由于前段提供的稳定的电流为恒流源对电容充放电。则其充放电时间表达式为
6、电压比较器是对两个输入电压进行比较，根据比较结果输出高电平和低电平。其相对反向比较器而言，受基准电压控制，电路更加精确。
7、温度补偿模块中，PNP三极管管是集成电路的核心器件，随着温度变化而发生载流子迁移率和阈值电压等参数的改变，从而影响了整个振荡器的性能。振荡器的温度补偿是通过内部补偿网络的补偿作用来减小震荡输出频率的偏移量从而改善温度频率特性。本设计采用的是内部数字处理器的温度补偿器，具有高精度、低功耗特性。
8、工艺补偿模块中，利用相应电路来监测的工艺偏差情况，得到与偏差情况一一对应的输出，利用这些数字输出就可以给后续处理电路提供工艺角状况，以便于调整修正。
Claims (6)
1.基于温度工艺补偿的片上时钟电路，其特征在于，包括带隙基准源、电流阵列电路、数字控制电路、电容、比较器、RS触发器及温度和工艺补偿系统，所述带隙基准源的输出端连接电流阵列电路的输入端，数字控制电路的输出端连接电流阵列电路的输入端，电流阵列电路的输出端通过电容连接地线，比较器的输入端连接电流阵列电路的输出端，输出端连接RS触发器的输入端，RS触发器的输出端通过温度和工艺补充系统连接电流阵列电路的输入端；
所述带隙基准源用于向电流阵列电路输出稳定的电流；
所述电流阵列电路及电容构成带隙基准源的延时充放电电路，所述延时充放电电路用于当电流阵列电路输入稳定的电流时，利用电容进行充放电，并在放电时，将电流输出至比较器；
所述数字控制电路用于控制带隙基准源输出的稳定的电流的放大倍数；
所述温度和工艺补偿系统包括温度补偿模块及工艺角补偿模块，所述温度补偿模块用于将感知的待检测区的温度数据经模数转换后传输至电流阵列电路中，并通过比较器进行比较，并通过数字控制电路控制调节相应电流的变化，所述工艺角补偿模块用于将感知的电流送入电流阵列电路中和带隙基准源输出的稳定的电流对比得到相应的修正电路，从而校准振荡器时钟，使RS触发器输出的时钟信号达到50％占空比脉冲输出。
2.根据权利要求1所述的基于温度工艺补偿的片上时钟电路，其特征在于，所述电流阵列电路包括2倍电流放大电路及4倍电流放大电路。
3.根据权利要求1所述的基于温度工艺补偿的片上时钟电路，其特征在于，所述温度补偿模块包括温度传感器、PNP三极管及模数转换模块，所述温度传感器的输出端通过PNP三极管连接模块转换模块的输入端，模数转换模块的输出端连接电流阵列电路的输入端。
4.根据权利要求1所述的基于温度工艺补偿的片上时钟电路，其特征在于，所述工艺角补偿模块包括占空比多路选择器，所述占空比多路选择器的输入端连接RS触发器的输出端，占空比多路选择器的输出端连接电流阵列电路的输入端。
5.根据权利要求3或4所述的基于温度工艺补偿的片上时钟电路，其特征在于，还包括RTC晶振校准电路，所述模数转换模块的输出端及占空比多路选择器的输出端均通过RTC晶振校准电路连接电流阵列电路的输入端。
6.根据权利要求5所述的基于温度工艺补偿的片上时钟电路，其特征在于，所述RTC晶振校准电路采用精度为9bit的RTC晶振校准电路。
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