CN113037281B - 时钟信号生成装置及时钟信号生成方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种时钟信号生成装置及时钟信号生成方法，所述装置包括电压源、电流源、第一数模转换电路、比较器、第一反相器和电容，第一数模转换电路的输入端与电压源的输出端相连，第一数模转换电路的输出端与比较器的第一输入端相连，第一数模转换电路用于对电压源输出的电压进行调节，得到比较电压；第一反相器的电源端与电流源的输出端相连，第一反相器的输入端与比较器的输出端相连，第一反相器的输出端分别与电容和比较器的第二输入端相连，电流源生成的电流对电容充电；比较器用于根据比较电压和第一反相器的输出电压生成时钟信号。可以精准控制电容的充电时间，从而精确控制时钟信号的频率，且能够降低时钟信号频率调节的误差。

Description

时钟信号生成装置及时钟信号生成方法

技术领域

本公开涉及电子电路技术领域，具体涉及一种时钟信号生成装置及时钟信号生成方法。

背景技术

为了降低系统成本，大多电子设备采用免晶振的时钟信号生成方案，即利用芯片内的振荡器为芯片提供工作的时钟信号。

目前，免晶振的时钟信号生成方案主要有以下几种：

1、LC振荡器：LC振荡器有品质因子高、选频特性好、输出时钟抖动低的优点，但是LC振荡器需要电感，会大幅度增加芯片面积，同时由于输出频率高，功耗也会大幅增加。

2、张弛振荡器：张弛振荡器通过对电容充放电，得到三角波信号，并利用两个比较器固定三角波的幅度，最终把三角波转化为方波时钟信号。但是，张弛振荡器在进行时钟信号频率调节时误差较大，且时钟信号频率调节精度低。

发明内容

本公开提供一种时钟信号生成装置及时钟信号生成方法。

第一方面，本公开实施例提供一种时钟信号生成装置，包括电压源、电流源、第一数模转换电路、比较器、第一反相器和电容，所述第一数模转换电路的输入端与所述电压源的输出端相连，所述第一数模转换电路的输出端与所述比较器的第一输入端相连，所述第一数模转换电路用于对所述电压源输出的电压进行调节，得到比较电压；

所述第一反相器的电源端与所述电流源的输出端相连，所述第一反相器的输入端与所述比较器的输出端相连，所述第一反相器的输出端分别与所述比较器的第二输入端和所述电容相连，所述电流源生成的电流对所述电容充电；

所述比较器用于根据所述比较电压和所述第一反相器的输出电压生成时钟信号，所述时钟信号的周期为所述电容的充电电压波形的上升时间。

在一些实施例中，所述比较器用于，当所述第一反相器的输出电压小于所述比较电压时，输出低电平信号；当所述第一反相器的输出电压大于所述比较电压时，输出高电平信号。

在一些实施例中，所述电流源为包括至少两个电流源单元的电流源阵列，所述时钟信号生成装置还包括第二数模转换电路；

所述第二数模转换电路的输入端与所述电流源阵列的输出端相连，所述第二数模转换电路的输出端与所述第一反相器的电源端相连，所述第二数模转换电路用于控制所述电流源阵列中电流源单元的开启数量，以调节所述电容的充电电流的大小。

在一些实施例中，所述电流源为与绝对温度成正比PTAT电流源。

在一些实施例中，所述第一反相器输出的电压信号为锯齿波信号。

在一些实施例中，所述时钟信号生成装置还包括第二反相器和第三反相器，所述第二反相器的输入端与所述比较器的输出端相连，所述第二反相器的输出端与所述第三反相器的输入端相连，所述第三反相器的输出端与所述第一反相器的输入端相连。

又一方面，本公开实施例还提供一种时钟信号生成方法，采用如前所述的时钟信号生成装置生成时钟信号，所述方法包括：

生成电流，并根据所述电流对所述时钟信号生成装置中的电容充电；

调节所述电压源的输出电压，得到比较电压；

根据所述比较电压、所述电流和所述电容的电容值，确定所述电容的充电电压波形的上升时间，所述电容的充电电压为所述第一反相器的输出电压；

根据所述电容的充电电压和所述比较电压的比较结果生成时钟信号，所述时钟信号的周期为所述电容的充电电压波形的上升时间。

在一些实施例中，所述根据所述电容的充电电压和所述比较电压的比较结果生成时钟信号，包括：

若所述电容的充电电压小于所述比较电压，则生成低电平的时钟信号；若所述电容的充电电压大于所述比较电压，则生成高电平的时钟信号。

在一些实施例中，所述电流源为包括至少两个电流源单元的电流源阵列，所述生成电流，包括：

控制所述电流源阵列中电流源单元的开启数量，以调节所述电流的大小。

在一些实施例中，所述生成电流，包括：

生成电流并补偿所述时钟信号生成装置的温度漂移。

本公开实施例提供的时钟信号生成装置,包括电压源、电流源、第一数模转换电路、比较器、第一反相器和电容，所述第一数模转换电路的输入端与所述电压源的输出端相连，所述第一数模转换电路的输出端与所述比较器的第一输入端相连，所述第一数模转换电路用于对所述电压源输出的电压进行调节，得到比较电压；所述第一反相器的电源端与所述电流源的输出端相连，所述第一反相器的输入端与所述比较器的输出端相连，所述第一反相器的输出端分别与所述电容和所述比较器的第二输入端相连，所述电流源生成的电流对所述电容充电；所述比较器用于根据所述比较电压和所述第一反相器的输出电压生成时钟信号。本公开实施例利用电流源生成的电流对电容充电，并通过将电容的充电电压与比较电压相比较生成时钟信号，形成闭环回路,实现振荡器功能,时钟信号输出稳定；利用第一数模转换电路调节电压源的输出电压，可以精准控制电容的充电时间，从而精确控制时钟信号的频率，频率调节的精度可以小于100ppm；本公开实施例使用一个比较器生成时钟信号，可降低时钟信号频率调节的误差，且不使用电感，减小芯片面积，降低输出功耗。

附图说明

图1为本公开实施例提供的一种时钟信号生成装置示意图；

图2为本公开实施例提供的另一种时钟信号生成装置示意图；

图3为本公开实施例提供的又一种时钟信号生成装置示意图；

图4为本公开实施例提供的电容C的充电电压Vc信号的波形示意图；

图5为本公开实施例提供的时钟信号生成装置生成的时钟信号Va的波形示意图；

图6为本公开实施例提供的时钟信号生成方法的流程示意图。

具体实施方式

在下文中将参考附图更充分地描述示例实施例，但是所述示例实施例可以以不同形式来体现且不应当被解释为限于本文阐述的实施例。反之，提供这些实施例的目的在于使本公开透彻和完整，并将使本领域技术人员充分理解本公开的范围。

如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关列举条目的任何和所有组合。

本文所使用的术语仅用于描述特定实施例，且不意欲限制本公开。如本文所使用的，单数形式“一个”和“该”也意欲包括复数形式，除非上下文另外清楚指出。还将理解的是，当本说明书中使用术语“包括”和/或“由……制成”时，指定存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其群组。

本文所述实施例可借助本公开的理想示意图而参考平面图和/或截面图进行描述。因此，可根据制造技术和/或容限来修改示例图示。因此，实施例不限于附图中所示的实施例，而是包括基于制造工艺而形成的配置的修改。因此，附图中例示的区具有示意性属性，并且图中所示区的形状例示了元件的区的具体形状，但并不旨在是限制性的。

除非另外限定，否则本文所用的所有术语(包括技术和科学术语)的含义与本领域普通技术人员通常理解的含义相同。还将理解，诸如那些在常用字典中限定的那些术语应当被解释为具有与其在相关技术以及本公开的背景下的含义一致的含义，且将不解释为具有理想化或过度形式上的含义，除非本文明确如此限定。

本公开实施例提供一种时钟信号生成装置，所述时钟信号生成装置可以为振荡器。如图1所示，所述时钟信号生成装置包括电压源1、电流源2、第一数模转换电路3、比较器4、第一反相器5和电容C，第一数模转换电路3的输入端与电压源1的输出端相连，第一数模转换电路3的输出端与比较器4的第一输入端相连，第一数模转换电路3用于对电压源输出的电压进行调节，得到比较电压Vref。第一反相器5的电源端与电流源2的输出端相连，第一反相器5的输入端与比较器4的输出端相连，第一反相器5的输出端分别与比较器4的第二输入端和电容C相连，电流源2生成的电流I对电容C充电。比较器4用于根据比较电压Vref和第一反相器5的输出电压Vc生成时钟信号Va，时钟信号的周期为电容C的充电电压波形的上升时间。

如图1所示，比较器4的第一输入端为负极端，比较器4的第二输入端为正极端，比较器4的输出端与第一反相器5的输入端相连，形成闭合回路。电容C的一端分别与第一反相器5的输出端和比较器4的第二输入端相连，电容C的另一端接地。

本公开实施例提供的时钟信号生成装置,包括电压源、电流源、第一数模转换电路、比较器、第一反相器和电容，第一数模转换电路的输入端与电压源的输出端相连，第一数模转换电路的输出端与比较器的第一输入端相连，第一数模转换电路用于对电压源输出的电压进行调节，得到比较电压；第一反相器的电源端与电流源的输出端相连，第一反相器的输入端与比较器的输出端相连，第一反相器的输出端分别与电容和比较器的第二输入端相连，电流源生成的电流对电容充电；比较器用于根据比较电压和第一反相器的输出电压生成时钟信号。本公开实施例利用电流源生成的电流对电容充电，并通过将电容的充电电压与比较电压相比较生成时钟信号，形成闭环回路,实现振荡器功能,时钟信号输出稳定；利用第一数模转换电路调节电压源的输出电压，可以精准控制电容的充电时间，从而精确控制时钟信号的频率，频率调节的精度可以小于100ppm；本公开实施例使用一个比较器生成时钟信号，可降低时钟信号频率调节的误差，且不使用电感，减小芯片面积，降低输出功耗。

在一些实施例中，电压源1可以选用高精度基准电压源，第一数模转换电路3可以选用高精度数模转换电路。

时钟信号为方波信号，在一些实施例中，比较器5用于，当第一反相器5的输出电压Vc小于比较电压Vref时，输出低电平信号；当第一反相器5的输出电压Vc大于比较电压Vref时，输出高电平信号。

结合图1和图4所示，电流源2生成的电流I对电容C充电的过程缓慢，而电容C放电过程较快，因此，第一反相器5的输出电压Vc信号为锯齿波信号。若Vc<Vref，则比较器4的输出电压Va(即时钟信号)为低电平，此时电流源2生成的电流I对电容C充电。若Vc>Vref，则比较器4的输出电压Va翻转，Va变为高电平，此时电容C放电，经过第一反相器5，Va将第一反相器5的输出电压Vc拉低，使得Vc<Vref,重复以上过程，最终得到时钟信号Va。结合图4、5所示，时钟信号Va(即比较器4的输出电压)与第一反相器5的输出电压Vc频率相同，均为tr。

第一反相器5的输出电压Vc的波形(锯齿波)如图4所示，电容C的充电电压Vc波形的上升时间tr可以根据公式(1)计算得到：

tr＝Vref*C/I； (1)

其中，比较电压Vref由电压源1和第一数模转换电路3生成，电流I由电流源2生成，C为电容的电容值。当电流源2生成的电流I大小一定时，通过调节比较电压Vref的大小，可以精准调节Vc波形的上升时间tr，从而精准调节时钟信号的周期(时钟信号的周期即为Vc波形的上升时间tr)。第一数模转换电路3能够对时钟信号的频率进行细调，调节精度可以达到100ppm。

在一些实施例中，如图1所示，所述时钟信号生成装置还可以包括第二反相器7和第三反相器8，第二反相器7的输入端与比较器4的输出端相连，第二反相器7的输出端与第三反相器8的输入端相连，第三反相器8的输出端与第一反相器5的输入端相连。也就是说第二反相器7和第三反相器8串联连接，并位于比较器4和第一反相器5之间，第二反相器7和第三反相器8用于实现震荡。

在一些实施例中，电流源2可以为包括至少两个电流源单元的电流源阵列，在这种情况下，如图2所示，所述时钟信号生成装置还可以包括第二数模转换电路6，第二数模转换电路6的输入端与电流源阵列(即电流源2)的输出端相连，第二数模转换电路6的输出端与第一反相器5的电源端相连，第二数模转换电路6用于控制电流源阵列中电流源单元的开启数量，以调节电容C的充电电流的大小。

根据公式(1)可知，电容C的充电电压Vc波形的上升时间tr由比较电压Vref和电流I决定，因此，可以通过准确控制比较电压Vref以及电流I，准确控制电容C的充电电压Vc波形的上升时间tr，从而精准调节时钟信号的周期(时钟信号的周期即为Vc波形的上升时间tr)。第二数模转换电路6能够对时钟信号的频率进行粗调，实现时钟信号频率的宽范围调节。通过组合两个模数转换电路，实现时钟信号的粗调和细调，精准控制时钟信号的频率。

在一些实施例中，电流源可以选用PTAT(Proportional To AbsoluteTemperature，与绝对温度成正比)电流源。PTAT电流源能够补偿时钟信号生成装置的温度漂移，具有温漂低的优点。

由于电容C的充电电压Vc波形的上升时间tr由比较电压Vref和电流I决定，而比较电压Vref和电流I的大小分别通过不同的数模转换电路调节控制，因此，如图3所示，本公开实施例的时钟信号生成装置也可以只包括第二数模转换电路6而不包括第一数模转换电路3，第二数模转换电路6的连接关系及功能，以及其他结构及功能，均与图1所示的时钟信号生成装置相同，在此不再赘述。

本公开实施例的时钟信号生成装置具有时钟信号频率调节精度高、调节范围宽、低温漂及低功耗的特点。

基于相同的技术构思，本公开实施例还提供一种时钟信号生成方法，所述方法采用如前所述的时钟信号生成装置生成时钟信号。如图6所示，所述方法包括以下步骤；

步骤11，生成电流，并根据所述电流对时钟信号生成装置中的电容充电。

结合图1-3所示，电流源2生成电流I，第一反相器5的电源端与电流源2的输出端相连，第一反相器5的输入端与比较器4的输出端相连，第一反相器5的输出端分别与比较器5的第二输入端和电容C相连，电流源2生成的电流I对电容C充电，即电流源2作为第一反相器5的电源，为电容C提供充电电流I，电容C的充电电压为第一反相器5的输出电压Vc。

步骤12，调节电压源的输出电压，得到比较电压。

在本步骤中，可以利用第一数模转换电路3控制电压源1的输出电压，得到比较电压Vref。例如，电压源1的输出电压的范围为0-1V，第一数模转换电路3可以在0-1V范围内调节比较电压，本公开实施例对比较电压的调节方式不做限定。

步骤13，根据比较电压、电流和电容的电容值，确定电容的充电电压波形的上升时间。

电容C的充电电压为第一反相器5的输出电压Vc，在本步骤中，电容C的充电电压Vc波形的上升时间tr可以根据公式(1)计算得到：

tr＝Vref*C/I； (1)

其中，比较电压Vref由电压源1和第一数模转换电路3生成，电流I由电流源2生成，C为电容的电容值。

步骤14，根据电容的充电电压和比较电压的比较结果生成时钟信号，时钟信号的周期为电容的充电电压波形的上升时间。

本公开实施例的时钟信号生成方法包括：生成电流，并根据所述电流对所述时钟信号生成装置中的电容充电；调节所述电压源的输出电压，得到比较电压；根据所述比较电压、所述电流和所述电容的电容值，确定所述电容的充电电压波形的上升时间；根据所述电容的充电电压和所述比较电压的比较结果生成时钟信号，所述时钟信号的周期为所述电容的充电电压波形的上升时间,所述电容的充电电压为所述第一反相器的输出电压。利用电流源生成的电流对电容充电，并通过将电容的充电电压与比较电压相比较生成时钟信号，形成闭环回路,实现振荡器功能,时钟信号输出稳定；利用第一数模转换电路调节电压源的输出电压，可以精准控制电容的充电时间，从而精确控制时钟信号的频率，频率调节的精度可以小于100ppm；本公开实施例使用一个比较器生成时钟信号，可降低时钟信号频率调节的误差，且不使用电感，减小芯片面积，降低输出功耗。

在一些实施例中，所述根据电容的充电电压和比较电压的比较结果生成时钟信号(即步骤14)，包括以下步骤：若电容的充电电压Vc小于比较电压Vref，则生成低电平的时钟信号；若电容的充电电压大于比较电压Vref，则生成高电平的时钟信号。

在一些实施例中，电流源2为包括至少两个电流源单元的电流源阵列，所述生成电流(即步骤11)，包括以下步骤：控制电流源阵列中电流源单元的开启数量，以调节所述电流(即用于对电容进行充电的电流)的大小。需要说明的是，电流源阵列中电流源单元开启数量越多，则用于对电容C进行充电的电流越大，电流源阵列中电流源单元开启数量越少，则用于对电容C进行充电的电流越小。

在一些实施例中，所述生成电流(即步骤11)，包括以下步骤：生成电流并补偿所述时钟信号生成装置的温度漂移。在本步骤中，可以选用PTAT电流源，在生成电流的同时实现温度漂移补偿。

本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些物理组件或所有物理组件可以被实施为由处理器，如中央处理器、数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。

本文已经公开了示例实施例，并且虽然采用了具体术语，但它们仅用于并仅应当被解释为一般说明性含义，并且不用于限制的目的。在一些实例中，对本领域技术人员显而易见的是，除非另外明确指出，否则可单独使用与特定实施例相结合描述的特征、特性和/或元素，或可与其他实施例相结合描述的特征、特性和/或元件组合使用。因此，本领域技术人员将理解，在不脱离由所附的权利要求阐明的本发明的范围的情况下，可进行各种形式和细节上的改变。

Claims (10)

1.一种时钟信号生成装置，其特征在于，包括电压源、电流源、第一数模转换电路、比较器、第一反相器和电容，所述第一数模转换电路的输入端与所述电压源的输出端相连，所述第一数模转换电路的输出端与所述比较器的第一输入端相连，所述第一数模转换电路用于对所述电压源输出的电压进行调节，得到比较电压；

所述第一反相器的电源端与所述电流源的输出端相连，所述第一反相器的输入端与所述比较器的输出端相连，所述第一反相器的输出端分别与所述比较器的第二输入端和所述电容相连，所述电流源生成的电流对所述电容充电；

所述比较器用于根据所述比较电压和所述第一反相器的输出电压生成时钟信号，所述时钟信号的周期为所述电容的充电电压波形的上升时间。

2.如权利要求1所述的时钟信号生成装置，其特征在于，所述比较器用于，当所述第一反相器的输出电压小于所述比较电压时，输出低电平信号；当所述第一反相器的输出电压大于所述比较电压时，输出高电平信号。

3.如权利要求1所述的时钟信号生成装置，其特征在于，所述电流源为包括至少两个电流源单元的电流源阵列，所述时钟信号生成装置还包括第二数模转换电路；

所述第二数模转换电路的输入端与所述电流源阵列的输出端相连，所述第二数模转换电路的输出端与所述第一反相器的电源端相连，所述第二数模转换电路用于控制所述电流源阵列中电流源单元的开启数量，以调节所述电容的充电电流的大小。

4.如权利要求1所述的时钟信号生成装置，其特征在于，所述电流源为与绝对温度成正比PTAT电流源。

5.如权利要求1所述的时钟信号生成装置，其特征在于，所述第一反相器输出的电压信号为锯齿波信号。

6.如权利要求1-5任一项所述的时钟信号生成装置，其特征在于，还包括第二反相器和第三反相器，所述第二反相器的输入端与所述比较器的输出端相连，所述第二反相器的输出端与所述第三反相器的输入端相连，所述第三反相器的输出端与所述第一反相器的输入端相连。

7.一种时钟信号生成方法，其特征在于，采用如权利要求1-6任一项所述的时钟信号生成装置生成时钟信号，所述方法包括：

生成电流，并根据所述电流对所述时钟信号生成装置中的电容充电；

调节所述电压源的输出电压，得到比较电压；

根据所述比较电压、所述电流和所述电容的电容值，确定所述电容的充电电压波形的上升时间，所述电容的充电电压为所述第一反相器的输出电压；

根据所述电容的充电电压和所述比较电压的比较结果生成时钟信号，所述时钟信号的周期为所述电容的充电电压波形的上升时间。

8.如权利要求7所述的时钟信号生成方法，其特征在于，所述根据所述电容的充电电压和所述比较电压的比较结果生成时钟信号，包括：

若所述电容的充电电压小于所述比较电压，则生成低电平的时钟信号；若所述电容的充电电压大于所述比较电压，则生成高电平的时钟信号。

9.如权利要求7所述的时钟信号生成方法，其特征在于，所述电流源为包括至少两个电流源单元的电流源阵列，所述生成电流，包括：

控制所述电流源阵列中电流源单元的开启数量，以调节所述电流的大小。

10.如权利要求7-9任一项所述的时钟信号生成方法，其特征在于，所述生成电流，包括：

生成电流并补偿所述时钟信号生成装置的温度漂移。