CN110971215B - 一种与工艺无关的高精度片上时钟产生器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种与工艺无关的高精度片上时钟产生器，包括充放电电荷泵、固定电容、带基准电路产生参考电压发生器、三个带失调校准的电压阀值比较器、时钟控制逻辑模块以及反相器；本方案通过提供一种与工艺无关的高精度片上时钟产生器电路，该时钟产生器利用片内精准电流源对固定电容进行周期性充放电的原理来产生时钟信号。片内带隙基准源为时钟电路提供精准的电流和电压偏置且不随工艺变化，为稳定的时钟周期提供了保障。周期性冲放电的电压阈值检测采用带有失调校准的电压比较器，有效消除失效电压带来的阈值偏差。

Description

一种与工艺无关的高精度片上时钟产生器
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种与工艺无关的高精度片上时钟产生器。
背景技术
随着半导体技术的不断发展，集成电路的应用也越来越广泛，集成电路上的时钟频率也越来越高，已达到GHz以上，随之带来的还有更高的电路性能，更低的功耗。传统的芯片架构一般采用片外单片时钟芯片，或者晶体振荡器作为时钟源，驱动整个芯片的逻辑电路，这一定程度上提高了系统的生产成本。
而随着电路设计技术的发展，片上集成时钟产生器的可行性不断提高，各种结构的片上时钟产生电路被采用，如图1所示，比如采用环形振荡器，基于门电路的RC振荡器等，这些都能够提供稳定度高，低抖动的时钟输出信号，为整个芯片提供时钟源。当前的大部分片上时钟产生电路结构虽然解决了片上集成的问题，但由于集成电路设计制造工艺存在工艺角，制造参数变化等因素，使得片上时钟产生器在绝对频率上很难保持芯片间一致性，比如典型工艺角下的频率与极限工艺角的频率偏差可能超过20％以上，而频率的变化可能会造成芯片内部逻辑的时序出现问题，进而功能失效。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种与工艺无关的高精度片上时钟产生器，该时钟产生器其可以消除使得其与工艺相关的影响因素，使得输出频率不受工艺变化影响，可为芯片提供高精度且稳定可靠的时钟源。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种与工艺无关的高精度片上时钟产生器，所述时钟产生器包括充放电电荷泵、固定电容、带基准电路产生参考电压发生器、三个带失调校准的电压阀值比较器、时钟控制逻辑模块以及反相器，其中所述固定电容一端与所述充放电电荷泵输出端相连，其另一端接地，三个带失调校准的电压阀值比较器分别与所述充放电电荷泵的输出端相连，控制调节所述固定电容上的电压变化范围，带基准电路产生参考电压发生器分别与三个所述带失调校准的电压阀值比较器相连，用于产生参考电压，三个带失调校准的电压阀值比较器其输出与所述时钟控制逻辑模块相连，所述时钟控制逻辑模块其与所述反相器相连，用于将其输出信号进行驱动加强输出，以控制所述充放电电荷泵充放电动作，得到周期性的时钟信号。
进一步，所述充放电电荷泵由充电电流源和放电电流源两个通路组成，两个通电的电流开关由UP和DWN信号控制，以实现对应的充放电动作。
进一步，三个带失调校准的电压阀值比较器分别为用于负责低电压阀值检测的比较器Comp_vl、负责高电压阀值检测的Comp_vh以及中间电位比较器，其中当固定电容由高到低进行放电，其电压低于比较器Comp_vl上的参考电压VL时，比较器Comp_vl的输出DL由低变高；当固定电容由低到高进行充电，其电压高于比较器Comp_vh上的参考电压VH时，比较器Comp_vh的输出DH由低变高。
进一步，所述时钟控制逻辑模块由触发器OR1，DFF1，X1组成，OR1将比较器输出DL，DH进行逻辑“或”操作产生DFF1的时钟信号，触发器DFF1的数据输入端连接至VD，采样后的触发器DFF1输出分别为Up和Dwn信号。
进一步，所述固定电容为采用金属叠层电容或片外精准电容结构。
与传统的技术方案相比，本方案具有的有益技术效果为：本方案通过提供一种与工艺无关的高精度片上时钟产生器电路，该时钟产生器利用片内精准电流源对固定电容进行周期性充放电的原理来产生时钟信号。片内带隙基准源为时钟电路提供精准的电流和电压偏置且不随工艺变化，为稳定的时钟周期提供了保障。周期性冲放电的电压阈值检测采用带有失调校准的电压比较器，有效消除失效电压带来的阈值偏差。充放电的固定电容可以采用片内的叠层金属MOM，也可以采用精度更高的片外电容，精度可以达到1％以内且几乎不增加成本。该新型的片上时钟产生器在设计上消除了跟工艺相关的影响因素，使得输出频率不受工艺变化影响，可为芯片提供高精度且稳定可靠的时钟源。
附图说明
图1为传统的芯片上时钟产生电路的结构原理示意图。
图2为本发明中的时钟发生器电路结构示意图。
图3为本发明中的时钟发生器使得参考电压和电流源产生电路原理示意图。
图4为本发明中的时钟发生器的工作原理示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图与具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
本发明是针对传统的片上时钟产生器在绝对频率上很难保持芯片间一致性，而频率的变化可能会造成芯片内部逻辑的时序出现问题，进而功能失效的问题，进而提出的一种与工艺无关的高精度片上时钟产生器，该时钟产生器其可以消除使得其与工艺相关的影响因素，使得输出频率不受工艺变化影响，可为芯片提供高精度且稳定可靠的时钟源。
参见附图2至3所示，本实施例提供一种与工艺无关的高精度片上时钟产生器，其包括充放电电荷泵、固定电容Cext、带基准电路产生参考电压发生器、三个带失调校准的电压阀值比较器、时钟控制逻辑模块以及反相器，其中固定电容Cext一端与充放电电荷泵输出端相连，其另一端接地，三个带失调校准的电压阀值比较器分别与充放电电荷泵的输出端相连，控制调节固定电容Cext上的电压变化范围，带基准电路产生参考电压发生器分别与三个带失调校准的电压阀值比较器相连，用于产生参考电压，三个带失调校准的电压阀值比较器其输出与时钟控制逻辑模块相连，时钟控制逻辑模块其与反相器相连，用于将其输出信号进行驱动加强输出，以控制充放电电荷泵充放电动作，得到周期性的时钟信号。
充放电电荷泵由充电电流源和放电电流源两个通路组成，充放电的电流值相等且由带隙基准电路产生，两个通路的电流开关由UP和DWN信号控制，当UP为高，DWN为低时，电流源对固定电容Cext进行充电操作，当UP为低，DWN为高时，电流源对固定电容Cext进行放电操作。固定电容Cext的一端接地，另外一端Refc与电荷泵输出相连，电荷泵在电容上进行充放电形成线性变化电压，电压变化范围由与Refc相连的三个电压比较器决定。带隙基准电路产生参考电压VH，VM，VL，这三个电压不随工艺变化且有极小的温度系数，如图3所示。比较器Comp_vl负责低电压阈值检测，当Refc由高到低进行放电，电压低于VL时，比较器输出DL由低变高；比较器Comp_vh负责高电压阈值检测，当Refc由低到高进行充电，电压高于VH时，比较器输出DH由低变高；中间电位VM为VH与VL的中间平均值，与之对应的比较器负责中间电位检测，当电压由低到高时，VD变高，反之则变低。
参照附图4所示，即在起始工作的时候，电荷泵对电容Cext进行充电，Refc的电压将线性增加，当充电压超过VM时，中间比较器的输出将由低变高，此时电荷泵将继续充电操作直至电压达到高电压VH，比较器Comp_vh进行高电压阈值检测，其输出DH由低变高，DH产生的上升沿将驱动触发器DFF1进行采样，DFF1输出的Up信号将由高变低，而Dwn信号将由低变高，电荷泵将从充电模式切换为放电模式。
电荷泵对电容Cext进行放电，Refc的电压将线性减少，当放电电压低于VM时，中间比较器的输出将由高变低，此时电荷泵将继续放电电操作直至电压达到低电压VL，比较器Comp_vl进行低电压阈值检测，其输出DL由低变高，DL产生的上升沿将驱动触发器DFF1进行采样，DFF1输出的Up信号将由低变高，而Dwn信号将由高变低，电荷泵将从放电模式切换为充电模式。
电荷泵对电容进行周期性的充放电，进而形成周期性时钟信号，该时钟周期跟充放电电流Icp和电容Cext及参考电压VH，VL相关，具体公式为：Tclk＝2*Cext*(VH-VL)/Icp，其中Icp，VH，VL均由片内带隙基准电路产生，随工艺变化低，且温度系数也低，电容可以采用片外高精度电容，从而保证了输出时钟Tclk的高精度和低工艺相关性。
逻辑控制模块由OR1，DFF1，X1组成，OR1将比较器输出DL，DH进行逻辑“或”操作产生DFF1的时钟信号，触发器DFF1的数据输入端连接至VD，采样后的触发器DFF1输出分别为Up和Dwn信号，两个信号的逻辑关系为“反”，Up和Dwn信号分别控制电荷泵的充电路径和放电路径开关，实现充放电的周期性切换，如图2所示。Up或者Dwn信号经过反相器X2，X3进行驱动加强后输出，即可获得周期性的时钟信号CLK_OUT。
比较器Comp_vl，Comp_vh具有失调校准功能，以消除工艺变化产生的失调电压对时钟精确度的影响。当电压Refc超过中间电平VM，比较器Comp_vl不需要工作，此时进行该比较器失调校准；反之，当电压低于中间电平VM时，则Comp_vh进行失调校准；VM比较器为中间电位比较，其结果不会影响最终时钟输出频率，所以无需校准。
此外，电容Cext可以采用工艺变化小的片上电容，比如金属叠层电容MOM，如果需要进一步提升精度，则可以采用片外精准电容，精度可以达到1％以内。
综上所述，本方案通过提供一种与工艺无关的高精度片上时钟产生器电路，该时钟产生器利用片内精准电流源对固定电容进行周期性充放电的原理来产生时钟信号。片内带隙基准源为时钟电路提供精准的电流和电压偏置且不随工艺变化，为稳定的时钟周期提供了保障。周期性冲放电的电压阈值检测采用带有失调校准的电压比较器，有效消除失效电压带来的阈值偏差。充放电的固定电容可以采用片内的叠层金属MOM，也可以采用精度更高的片外电容，精度可以达到1％以内且几乎不增加成本。该新型的片上时钟产生器在设计上消除了跟工艺相关的影响因素，使得输出频率不受工艺变化影响，可为芯片提供高精度且稳定可靠的时钟源。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.一种与工艺无关的高精度片上时钟产生器，其特征在于：所述时钟产生器包括充放电电荷泵、固定电容、带基准电路产生参考电压发生器、三个带失调校准的电压阀值比较器、时钟控制逻辑模块以及反相器，其中所述固定电容一端与所述充放电电荷泵输出端相连，其另一端接地，三个带失调校准的电压阀值比较器分别与所述充放电电荷泵的输出端相连，控制调节所述固定电容上的电压变化范围，带基准电路产生参考电压发生器分别与三个所述带失调校准的电压阀值比较器相连，用于产生参考电压，三个带失调校准的电压阀值比较器其输出与所述时钟控制逻辑模块相连，所述时钟控制逻辑模块其与所述反相器相连，用于将其输出信号进行驱动加强输出，以控制所述充放电电荷泵充放电动作，得到周期性的时钟信号；三个带失调校准的电压阀值比较器分别为用于负责低电压阀值检测的比较器Comp_vl、负责高电压阀值检测的Comp_vh以及中间电位比较器，其中当固定电容由高到低进行放电，其电压低于比较器Comp_vl上的参考电压VL时，比较器Comp_vl的输出DL由低变高；当固定电容由低到高进行充电，其电压高于比较器Comp_vh上的参考电压VH时，比较器Comp_vh的输出DH由低变高；所述时钟控制逻辑模块由触发器DFF1，OR1， 反向器X1组成，OR1将比较器输出DL，DH进行逻辑“或”操作产生DFF1的时钟信号，触发器DFF1的数据输入端连接至中间电位比较器输出VD，采样后的触发器DFF1输出分别为Up和Dwn信号。
2.根据权利要求1所述的一种与工艺无关的高精度片上时钟产生器，其特征在于：所述充放电电荷泵由充电电流源和放电电流源两个通路组成，两个通电的电流开关由UP和DWN信号控制，以实现对应的充放电动作。
3.根据权利要求1所述的一种与工艺无关的高精度片上时钟产生器，其特征在于：所述固定电容为采用金属叠层电容或片外精准电容结构。
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