CN112327596B - 一种用于单光子检测芯片的时钟系统及其校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及集成电路设计技术领域，具体是一种用于单光子检测芯片的时钟系统及其校准方法。设计一个温度系数可调的RC振荡器，而后将该RC振荡器接入外部ADC和MCU，并通过I2C选定温度校准模式；通过I2C调整电阻比例设定值，当电阻比例设定值满足Vs=Vs0，或者偏差在既定范围内时，校准完成，之后外部MCU将校准结果写入OTP中；复用上述频率局部单调且步进线性的RC振荡器。本发明采用与频率成线性关系的可调参数结构的振荡器，可保证时钟校准的精度，在用于测距芯片中PLL的基准时钟时，稳定性好，精度高，而且可以节省芯片面积和复杂度，并保证较宽的频率范围。

Description

一种用于单光子检测芯片的时钟系统及其校准方法

技术领域

本发明涉及集成电路设计技术领域，具体是一种用于单光子检测芯片的时钟系统及其校准方法，主要用于激光雷达接收芯片内部时钟的高精度校准。

背景技术

在当前集成电路设计领域，时钟源是片上微处理系统必不可少的一部分。如果是单芯片系统，时钟源一般分为两类：片外时钟源（如晶振）和片内振荡器。

中国专利号CN103439876B提供一种电能表时钟校准方法，包括以下步骤：选择相同批次的时钟芯片；设定时钟芯片的频率温度曲线对称轴补偿参数；为所述时钟芯片进行温度校准；获得所述时钟芯片的原始误差；为每个时钟芯片写入同样的顶点补偿参数，矫正误差。

中国专利号CN107196651B提供一种应用于F2F解码芯片中的片上时钟校准方法和装置。该装置包括MCU，用于控制钟校准电路的开闭，校准控制字向所述非易失型内存中回读/回写，并控制执行时钟校准流程；时钟校准电路，用于在所述MCU的控制下，并在环振电路的配合下，进行时钟校准；环振电路，用于在所述时钟校准电路的控制下，配合所述时钟校准电路，按照校准控制字进行时钟频率调整；所述非易失型内存，用于存储默认时钟校准值。其采用片内校准装置，测试简单，无需外围电路，测试时间短，适用于大规模生产。

上述对于时钟的校准，往往局限在对工艺偏差的校准，对于一定范围内温度的校准涉及较少，或需要的软硬件资源多，校准复杂度高，因此，亟需设计一种用于单光子检测芯片的时钟系统及其校准方法来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于单光子检测芯片的时钟系统及其校准方法，以解决上述背景技术中提出的对于时钟的校准对于一定范围内温度的校准涉及较少与校准复杂度高的问题。

本发明的技术方案是：

一种用于单光子检测芯片的时钟系统，包括位于芯片上的内部RC振荡器、OTPROM，以及位于芯片外的外部MCU、外部晶振、外部ADC，所述内部RC振荡器采用与频率成线性关系的可调参数结构。

进一步地，所述OTPROM包括时钟频率和温度系数校准结果，且所述OTPROM参与对校准结果的存储及写入过程。

进一步地，所述外部MCU通过导线分别与OTPROM、芯片呈电性连接，且所述外部MCU读取外部晶振和内部RC振荡器的校准结果并写入OTPROM进行存储。

进一步地，所述外部晶振为基准时钟源，且所述外部晶振为内部RC振荡器的校准提供参考。

进一步地，所述外部ADC用来采集内部时钟频率的温度系数信息，且所述外部ADC参与实现对温度系数的校准。

一种用于单光子检测芯片的时钟校准方法，包括以下步骤：

温度校准：

S1.校准准备：设计一个温度系数可调、频率局部单调且步进线性的RC振荡器，而后将RC振荡器接入外部ADC和外部MCU，并通过I2C选定温度校准模式；

S2.校准开始：通过I2C调整电阻比例设定值，当电阻比例设定值满足Vs=Vs0，或者偏差在既定范围内时，校准完成，之后外部MCU将校准结果写入OTPROM中；

频率校准：

S1.校准准备：复用上述频率局部单调且步进线性的RC振荡器，并选取合适频率的外部晶振，而后接入芯片；

S2.频率校准开始：通过I2C将芯片设定为校准，而后再通过I2C设定芯片开始自动校准，此时校准时内部状态机运行，并监测外部晶振和内部RC振荡器的差异；

S3.校准判断：比对上一步监测的外部晶振和内部RC振荡器的差异是否在设定范围，若上一步比对的差异在设定范围内，则芯片完成时钟校准，而后主机锁存校准结果和内部RC振荡器频率状态标志位，若上一步比对的差异不在设定范围内，则监测数据会依次通过二分法遍历2^N个频率band，而后通过控制开关阵列改变内部RC振荡器内部充电电流，从而改变内部RC振荡器内部频率，之后待外部晶振和内部RC振荡器的差异达到设定的范围内，芯片完成时钟校准，而后主机锁存校准结果和状态标志位；

S4.重复校准：通过I2C改变粗调2bit，并重复上述步骤，直至芯片分别完成4个线性频率范围的时钟校准，而后在锁存校准成功且偏差最小的频率设定，同时外部MCU接收到芯片内部中断，主机通过IC读取状态标志位和校准结果，并将正确结果写入OTPROM中。

进一步地，所述频率校准S1步骤中，RC振荡器可通过(N+2)bit DAC转换成RC振荡器中的充电电流，且改变(N+2)bit DAC转换的充电电流可以调节RC振荡器输出频率。

进一步地，所述频率校准S2步骤中，芯片的数字时钟为外部晶振。

进一步地，所述频率校准S3步骤中，当比对的外部晶振和内部RC振荡器数据中内部RC振荡器频率偏低时，则监测的内部RC振荡器频率通过二分法查找不同的频率继续校准，从而改变内部RC振荡器的频率。

进一步地，所述频率校准S3步骤中，当比对的外部晶振和内部RC振荡器数据中内部RC振荡器频率偏高时，则监测的内部RC振荡器频率通过二分法查找不同的频率继续校准，从而改变内部RC振荡器的频率。

本发明通过改进在此提供一种用于单光子检测芯片的时钟系统及其校准方法，与现有技术相比，具有如下改进及优点：

（1）本发明所设计的振荡器，采用与频率成线性关系的可调参数结构，可以保证时钟校准的精度，在用于测距芯片中PLL的基准时钟时，稳定性好，精度高。

（2）本发明通过增加粗调2bit进行二进制译码，并逐步校准的方式进行校准，可以节省芯片面积和复杂度，并保证较宽的频率范围，同时步进固定的频率使用温度计码DAC实现，具有抗干扰的优点，二进制代码转换为温度计码时，解码器根据分辨能力，呈指数的电路规模。

（3）本发明通过POLY电阻和NWELL电阻在-40C-120C内呈线性变化的特点，做相应的加权处理，能得到覆盖工艺范围的低温度系数的电流，实现了对时钟频率温度的校准，有利于提高对时钟校准的精度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步解释：

图1是本发明的时钟系统结构框图；

图2是本发明的时钟校准方法示意框图；

图3是本发明的时钟校准方法流程框图；

图4是本发明的振荡器时钟结构图；

图5是本发明的振荡器时钟频率分布图。

具体实施方式

下面将结合附图1至图5对本发明进行详细说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明在此提供一种用于单光子检测芯片的时钟系统及其校准方法，如图1和图2所示，包括内部RC振荡器、OTPROM（可编程只读存储器）、外部MCU（单片微型计算机）、外部晶体振荡器（简称晶振）、外部ADC（模/数转换器），且内部RC振荡器至少包括局部线性步进的频率分布，能够覆盖工艺电压和温度条件下的频率范围，满足芯片精度要求的频率步进，和可调温度系数的频率。

OTPROM（可编程只读存储器），参见图1和图2中所示OTP，包括本发明提到的时钟频率和温度系数校准结果，且OTPROM（可编程只读存储器）用于存储芯片掉电保护的各项最优设置。

外部MCU（单片微型计算机），参见图1和图2中所示External MCU，主要用于监测芯片中断，读取校准结果，并支持将校准结果写入OTPROM（可编程只读存储器）的行为。

外部晶体振荡器，参见图2中所示External Crystal，为该校准方案的基准时钟源，且外部振荡器为内部RC振荡器（参见图2中所示RC Oscillator）的校准提供参考。

外部ADC（模/数转换器），参见图1中所示ADC，用来采集内部时钟频率的温度系数信息，且外部ADC（模/数转换器）参与实现对温度系数的校准。

以及，本发明在此提供一种用于单光子检测芯片的时钟校准方法，包括以下步骤：

如图2和图3所示，温度校准：

S1.校准准备：工作人员设计一个温度系数可调的RC振荡器，而后将RC振荡器接入外部ADC和外部MCU，并通过I2C选定温度校准模式。

S2.校准开始：工作人员通过I2C调整电阻比例设定值，当电阻比例设定值满足Vs=Vs0，或者偏差在既定范围内时，校准完成，之后外部MCU会将校准结果写入OTPROM中。

如图2和图3所示，频率校准：

S1.校准准备：复用上述频率局部单调且步进线性的RC振荡器，并选取合适频率的外部晶振，而后接入芯片；

S2.频率校准开始：工作人员通过I2C将芯片设定为校准，而后工作人员再通过I2C设定芯片开始自动校准，此时将芯片的数字时钟设为外部晶振，之后校准时内部状态机（参见图2中所示State Machine）运行，并监测外部晶振和内部RC振荡器的差异，同时内部RC振荡器可通过（N+2）bitDAC（数/模转换器）转成内部RC振荡器中的充电电流，以便于决定内部RC振荡器输出频率；

S3.校准判断：比对上一步监测的外部晶振和内部RC振荡器的差异是否在设定范围，若上一步比对的差异在设定范围内，则芯片完成时钟校准，而后主机锁存校准结果和振荡器频率状态标志位，若上一步比对的差异不在设定范围内，则监测数据会依次通过二分法遍历2^N个频率band，此时当比对的外部晶振和内部振荡器数据中内部RC振荡器频率偏低时，则监测的内部RC振荡器频率通过二分法查找，从而改变内部RC振荡器的频率，而当比对的外部晶振和内部RC振荡器数据中内部振荡器频率偏高时，则监测的内部RC振荡器频率通过二分法查找，从而改变内部RC振荡器的频率，而后再通过控制开关阵列改变RC振荡器内部充电电流，从而改变RC振荡器内部频率，之后待外部晶振和内部RC振荡器的差异达到设定的范围内，芯片完成时钟校准，而后主机锁存校准结果和状态标志位；

S4.重复校准：工作人员可以通过I2C改变粗调2bit（字节），并重复S2、S3，直至芯片分别完成4个线性频率范围的时钟校准，而后工作人员在锁存校准成功且偏差最小的频率设定，同时外部MCU接收到芯片内部中断，主机通过IC读取状态标志位和校准结果，并将正确结果写入OTPROM中。

本发明的工作原理如下：首先工作人员设计一个温度系数可调且频率线性可调的RC振荡器，而后将RC振荡器接入外部ADC和MCU，并通过I2C配置寄存器选定温度校准模式，工作人员可以通过I2C配置寄存器调整电阻比例设定，当电阻比例设定满足Vs=Vs0，或者偏差在既定范围内时，温度校准完成，此时外部MCU将校准结果写入OTP中；之后工作人员选取合适频率的外部晶振接入芯片，通过I2C配置寄存器将芯片设定为校准，而后工作人员再通过I2C配置寄存器设定芯片开始自动校准，此时校准时内部状态机运行，并监测外部晶振和内部振荡器的差异；比对上一步监测的外部晶振和内部振荡器的差异是否在设定范围，若上一步比对的差异在设定范围内，则芯片完成时钟校准，而后主机锁存校准结果和振荡器频率状态标志位，若上一步比对的差异不在设定范围内，则监测数据会依次通过二分法遍历2^N个频率band，而后通过控制开关阵列改变振荡器内部充电电流，从而改变振荡器内部频率，之后待外部晶振和内部振荡器的差异达到设定的范围内，芯片完成时钟校准，而后主机锁存校准结果和状态标志位；工作人员可以通过I2C配置寄存器改变粗调2bit（字节），重复上述步骤，直至芯片分别完成4个线性频率范围的时钟校准，而后工作人员在锁存校准成功且偏差最小的频率设定，同时外部MCU接收到芯片内部中断，主机通过IC读取状态标志位和校准结果，并将正确结果写入OTP中。

本发明用于测距芯片中PLL的基准时钟，要求稳定性好，精度高。因而需要线性步进的时钟频率以保证时钟校准的精度。这就决定了振荡器采用与频率成线性关系的可调参数结构实现，如图4所示。由图4中电流给电容充电满足It/C=Vth, t=T/2=1/2f。I=I0+kΔI。可得频率f=I0/(2C*Vth)+ ΔI/(2C*Vth)*k。图4中I为电流器，C为电容，S、R、Q、QB为RS触发器的四个端，S、R是两个输入端，Q、QB是两个输出端。

本发明为了实现节省芯片面积和复杂度，并保证较宽的频率范围，通过增加粗调2bit进行二进制译码，并逐步校准的方式进行。一般地，步进固定的频率使用温度计码DAC实现，具有抗干扰的优点。二进制代码转换为温度计码时，解码器根据分辨能力，呈指数的电路规模。因此采用粗调2bit，细调N bit的思路，降低3/4的解码电路规模。由于二进制DAC可能出现模拟信号不连续，为了保证校准精度，频率分布如图5所示。

本发明加入了对时钟频率温度的校准。在一般工艺库中，电阻都有一定温度系数，并不能由此产生本时钟需要的温度系数较小的电流，因而不符合测距系统对时钟的温漂要求。当环路delay（受工艺限制）占频率半周期比例达到10%甚至更高，对于工艺本身，温度系数折算到频率中的影响就会增大。所以对时钟频率做温度校准，显得较为必要。本发明通过POLY电阻和NWELL电阻在-40C-120C内呈线性变化的特点，做相应的加权处理，得到能覆盖工艺范围的低温度系数的电流。由于低温度系数电阻满足k1*R++k2*R-=R, Vs= k2*R-/(k1*R++k2*R-)*V。工艺偏差下，假设R-变成AR-，R+变成BR+，则Vs= k2*AR-/ (k1*BR++k2*AR-)*V= k2*R-/ (k1*BR+/A+k2*R-)*V，调节R+使得B/A*k=1，即达到校准的目的。或者单纯记录由ADC采集出来的Vs，其包含温度信息，经外部MCU分析将温度系数写进OTP。结构框图如图1所示。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种用于单光子检测芯片的时钟校准方法，其特征在于：包括以下步骤：

温度校准：

S1.校准准备：设计一个温度系数可调、频率局部单调且步进线性的RC振荡器，而后将RC振荡器接入外部ADC和外部MCU，并通过I2C选定温度校准模式；

S2.校准开始：通过I2C调整电阻比例设定值，当电阻比例设定值满足Vs=Vs0，或者偏差在既定范围内时，校准完成，之后外部MCU将校准结果写入OTPROM中；

频率校准：

S1.校准准备：复用上述频率局部单调且步进线性的RC振荡器，并选取合适频率的外部晶振，而后接入芯片，此时称所述RC振荡器为内部RC振荡器；

S2.频率校准开始：通过I2C将芯片设定为校准模式，而后再通过I2C设定芯片开始自动校准，此时校准时钟内部状态机运行，并监测外部晶振和内部RC振荡器的差异；

S3.校准判断：比对上一步监测的外部晶振和内部RC振荡器的差异是否在设定范围，若上一步比对的差异在设定范围内，则芯片完成时钟校准，而后外部MCU锁存校准结果和振荡器频率状态标志位，若上一步比对的差异不在设定范围内，则监测数据会依次通过二分法遍历2个频率band，而后通过控制开关阵列改变内部RC振荡器内部充电电流，从而改变内部RC振荡器内部频率，之后待外部晶振和内部RC振荡器的差异达到设定的范围内，芯片完成时钟校准，而后外部MCU锁存校准结果和状态标志位；

S4.重复校准：通过I2C改变粗调2bit二进制译码，转换为N bit温度计码，并重复上一步骤，直至芯片分别完成4个线性频率范围的时钟校准，而后再锁存校准成功且偏差最小的频率设定，同时外部MCU接收到芯片内部中断，外部MCU通过I2C读取状态标志位和校准结果，并将正确结果写入OTPROM中。

2.根据权利要求1所述的一种用于单光子检测芯片的时钟校准方法，其特征在于：所述频率校准S1步骤中，RC振荡器可通过8bitDAC转换成RC振荡器中的充电电流，且改变8bitDAC转换的充电电流可以调节RC振荡器输出频率。

3.根据权利要求1所述的一种用于单光子检测芯片的时钟校准方法，其特征在于：所述频率校准S2步骤中，芯片的数字时钟为外部晶振。

4.根据权利要求1所述的一种用于单光子检测芯片的时钟校准方法，其特征在于：所述频率校准S3步骤中，当比对的外部晶振和内部RC振荡器数据中内部RC振荡器频率偏差不在既定精度范围内时，则内部RC振荡器频率通过二分法查找不同的频率继续校准，从而改变内部RC振荡器的频率。

5.根据权利要求1所述的一种用于单光子检测芯片的时钟校准方法，其特征在于：所述频率校准S3步骤中，当比对的外部晶振和内部RC振荡器数据中内部RC振荡器频率偏高时，则内部RC振荡器频率通过二分法查找不同的频率继续校准，从而改变内部RC振荡器的频率。

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