CN113922813A - 一种数控振荡器的频率校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种芯片上数控振荡器(DCO:digitally controlled oscillator)的频率校准方法，属于芯片的设计技术领域，该方法包括：基于芯片上对温度不敏感的RC时间常数，对一个或多个DCO的频率进行比较精确的校准；本发明，通过逐步递减搜索法，消除了电压比较器的延时对DCO频率校准精度的影响；本发明，通过交换电压比较器的正负输入端，求得两次频率校准中DCO周期计数的平均值，从而消除了电压比较器的输入失调电压对频率校准精度的影响；本发明的方法简单而高效，对含有一个或多个DCO的芯片，只需要在自动测试设备(ATE)上测量其中一个DCO的频率一次；本发明不需要参考时钟和锁相环，从而实现低成本、高精度地对一个或多个DCO的频率检测和设置。
Description
技术领域
本发明属于芯片上数控振荡器的频率校准方法，属于芯片的设计技术领域，具体涉及一种低成本而高精度的数控振荡器频率校准方法。
背景技术
在很多低成本的芯片设计中，需要产生一个或多个频率精确(如误差≤0.1％)的时钟信号，但又不能使用价格昂贵、且占用很大PCB面积和体积的晶体振荡器(crystaloscillator)作为参考时钟。因此，在低成本的芯片上实现一个频率精确的振荡器显得十分困难。其原因包括：1)传统芯片中振荡器出厂前的频率校准，需要较长的时间而增加了芯片的成本；2)如果芯片上有多个振荡器，需要逐个校准频率；3)同样地，如果同一个振荡器需要工作在多个不同的频率下，则需要对每一个不同的工作频率单独校准；4)芯片在出厂前的一次性频率校准后，环形振荡器(ring oscillator)或LC振荡器的频率，都有温度漂移及受电源电压变化而影响的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供低成本、高精度的芯片上数控振荡器的设计方案和频率校准的方法，本发明的DCO频率校准是基于芯片上对温度不敏感的RC时间常数；使用这个RC时间常数对一个或多个DCO的频率进行校准时，消除了电压比较器的延时和输入电压失调对频率校准精度的影响。芯片出厂前，只需要测量其中一个DCO的频率一次。结合本发明里低成本而高精度的芯片设计和测试技术，既降低了芯片的成本，又保证了时钟频率的精度要求，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供一种数控振荡器的频率校准方法，包括：
基于芯片上对温度不敏感的RC时间常数，通过其与芯片上的一个或多个数控振荡器(DCO)周期数之间的关联，以此来测量数控振荡器(DCO)的周期数，并由此检测或设置数控振荡器(DCO)的频率；
芯片出厂前，测量芯片上其中一个数控振荡器(DCO)的频率一次，即可完成数控振荡器(DCO)的出厂频率校准过程。
优选地，所述基于RC时间常数来测量数控振荡器(DCO)周期数包括：
交换电压比较器的正负端输入，两次以RC时间常数来计数DCO的周期数，通过平均两次计数的结果来消除比较器输入电压失调带来的计数误差；
通过数控振荡器(DCO)的周期数递减搜索的方法，消除比较器延时带来的计数误差；
测量得出数控振荡器(DCO)周期的计数值，并采用二进制搜索(binary search)算法得到数控振荡器(DCO)的频率控制数字位。
优选地，所述数控振荡器(DCO)频率的控制数字还可采用包含冗余的亚二进制(sub-binary)，以来实现频率步长足够小于所需的频率精度。
优选地，所述数控振荡器(DCO)的出厂频率校准过程利用芯片上的数字控制电路完成。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明不需要参考时钟和锁相环而去设置一个或多个DCO的频率。
(2)本发明只需要在芯片上实现一个对温度不敏感的RC时间常数。
(3)RC时间常数本身不需要校准，且流过R与C的电流比例随电流镜失配的变化也不影响最终DCO频率校准的精度。
(4)本发明消除了电压比较器的延时对频率校准精度的影响。
(5)本发明消除了电压比较器的输入失调电压对频率校准精度的影响。
(6)本发明低成本而高精度，只需要在ATE上对某一个DCO的频率测量一次。
附图说明
图1是传统基于晶振的时钟产生方法示意图；
图2是本发明基于片上RC时间常数的时钟产生方法示意图；
图3是本发明的用RC时间常数来测量DCO周期数的电路图；
图4是本发明的用RC时间常数来测量DCO周期数的流程图；
图5是本发明的校准DCO频率的二进制搜索流程图；
图6是本发明的ATE上校准DCO频率的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。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。
传统的精确时钟产生方法如图1所示；传统的精确时钟产生电路使用以晶体振荡器为参考时钟的锁相环。晶体振荡器可以产生频率精确的参考时钟，而锁相环的输出时钟频率是参考时钟的整数或小数倍。如前所述，传统方法的缺点是需要价格昂贵且面积和体积都很大的晶体振荡器。
本发明实施例具体提供一种数控振荡器的频率校准方法，包括：
基于芯片上对温度不敏感的RC时间常数，通过其与芯片上的一个或多个数控振荡器(DCO)周期数之间的关联，以此来测量数控振荡器(DCO)的周期数，并由此检测或设置数控振荡器(DCO)的频率；
芯片出厂前，测量芯片上其中一个数控振荡器(DCO)的频率一次，即可完成数控振荡器(DCO)的出厂频率校准过程。
图2所示为本发明频率精确的时钟产生器。它是基于芯片上对温度不敏感的RC时间常数，对于芯片上的一个或多个DCO，通过其周期与RC时间常数之间的关联，来检测或设置DCO的频率。
芯片出厂前，只需要测量其中一个DCO的频率一次；结合本发明里低成本而高精度的芯片设计和测试技术，既降低了芯片的成本，又保证了时钟频率的精度要求。
作为本发明的一个实施方式，所述基于RC时间常数来测量数控振荡器(DCO)周期数包括：
交换电压比较器的正负端输入，两次以RC时间常数来计数DCO的周期数，通过平均两次计数的结果来消除比较器输入电压失调带来的计数误差；
通过数控振荡器(DCO)的周期数递减搜索的方法，消除比较器延时带来的计数误差；
测量得出数控振荡器(DCO)周期的计数值，并采用二进制搜索(binary search)算法得到数控振荡器(DCO)的频率控制数字位。
图3为本发明的以RC时间常数来测量DCO周期数的电路图。电流IR流过电阻R，产生电压VR。与电阻R并联的滤波电容C2使VR不受开关SA和SB的影响。当开关S0和S0b合上而S1打开时，电容C处于放电状态，其上电压VC＝0。相反，当开关S0和S0b打开而S1合上时，电流IC给电容C充电。直至VC上升到与VR相同时，电压比较器输出翻转而停止充电。实际的电路工作时，则需要考虑比较器的两大非理想因素，即输入失调电压和输出翻转的延时。
图4为给定DCO的频率控制数字位时，测量RC时间常数是多少倍DCO周期的流程图。首先，在步骤1里，将比较器的正负输入端分别接VR和VC。在步骤2里，先将电容C上的电压VC清零，为下一步DCO周期计数做准备。步骤3开始DCO周期计数，直至步骤4比较器的输出电压翻转为止。步骤4里得到的DCO周期数m，包括了RC时间常数和比较器的延时。为了消除比较器延时的影响，在步骤5至步骤8的循环中，逐步递减DCO周期数m的值，在每一次计数结束时，等待并观察比较器的输出是否翻转。最终在步骤9得到消除了比较器延时影响后的DCO周期计数值m1。类似地，交换比较器正负输入端的连接，得到消除了比较器延时影响后的DCO周期计数值m2。故
其中，Vcomp_os为比较器的输入失调电压，TDCO为DCO的振荡周期。因此：
此处测量出的DCO周期数n，排除了比较器输入失调电压和延时对DCO频率测量的影响。不考虑其它因素，如温度和电压，对测量的微小影响，本发明的DCO频率测量的精度为
也就是说，如果n＝1000，则精度为±0.1％。
作为本发明的一个实施方式，所述数控振荡器(DCO)频率的控制数字还可采用包含冗余的亚二进制(sub-binary)，以来实现频率步长足够小于所需的频率精度。
图5是给定DCO周期数n_cal时，用二进制搜索法得到DCO频率控制数字位值的流程图。值得注意的是，图5的流程图是基于图4所示的DCO周期数计数方法。
需要说明的是，DCO频率的控制数字采用包含冗余的亚二进制(sub-binary)来实现频率步长足够小于所需的频率精度。这样，校准后的DCO频率精度还能达到
左右。
作为本发明的一个实施方式，所述数控振荡器(DCO)的出厂频率校准过程利用芯片上的数字控制电路完成。
图6所示为芯片工厂校准(factory trim)的过程。例如，仿真结果显示
而DCO1的频率设置为n＝1000，即fDCO1_sim＝10MHz。但在某一个芯片的工厂校准时，测得DCO1的实际频率为fDCO1_meas＝11MHz。所以该芯片上实际RC时间常数
可见，这一简单的工厂校准，涵盖了RC时间常数本身随工艺的变化，以及电流IR与IC的比例随电流镜失配的变化。有了这个间接测量到的RC时间常数实际值，我们就可以把它当作一把时间尺子，用来测量或设定该芯片上所有DCO的频率。比如，我们需要将DCO2的频率设为fDCO2＝48MHz。则先求出DCO2周期计数值
然后，利用芯片上的数字控制电路完成图5所示的DCO频率校准过程。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (4)
1.一种数控振荡器的频率校准方法，其特征在于，包括：
基于芯片上对温度不敏感的RC时间常数，通过其与芯片上的一个或多个数控振荡器(DCO)周期数之间的关联，以此来测量数控振荡器(DCO)的周期数，并由此检测或设置数控振荡器(DCO)的频率；
芯片出厂前，测量芯片上其中一个数控振荡器(DCO)的频率一次，即可完成数控振荡器(DCO)的出厂频率校准过程。
2.根据权利要求1所述的一种数控振荡器的频率校准方法，其特征在于，所述基于RC时间常数来测量数控振荡器(DCO)周期数包括：
交换电压比较器的正负端输入，两次以RC时间常数来计数DCO的周期数，通过平均两次计数的结果来消除比较器输入电压失调带来的计数误差；
通过数控振荡器(DCO)的周期数递减搜索的方法，消除比较器延时带来的计数误差；
测量得出数控振荡器(DCO)周期的计数值，并采用二进制搜索(binary search)算法得到数控振荡器(DCO)的频率控制数字位。
3.根据权利要求2所述的一种数控振荡器的频率校准方法，其特征在于，所述数控振荡器(DCO)频率的控制数字还可采用包含冗余的亚二进制(sub-binary)，以来实现频率步长足够小于所需的频率精度。
4.根据权利要求1所述的一种数控振荡器的频率校准方法，其特征在于，所述数控振荡器(DCO)的出厂频率校准过程利用芯片上的数字控制电路完成。
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