CN114499464A - 张弛振荡器、芯片及偏差校正方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及振荡器技术领域，特别地涉及本公开提供的一种张弛振荡器、芯片及偏差校正方法，通过设置可调的基准电压模块、可调的偏置电流模块、可调的镜像电流模块、比较器模块，从而能够通过调节第一电阻串中电阻的数量来减小温度对张弛振荡器的输出频率的影响。

Description

张弛振荡器、芯片及偏差校正方法

技术领域

本公开涉及振荡器技术领域，特别地涉及一种张弛振荡器、芯片及偏差校正方法。

背景技术

张弛振荡器，是一种片内RC振荡器，具有易于实现，可移植性强，高频率稳定度，低功耗等优点，广泛应用于微控制器(MCU)当中，但是，存在张弛振荡器容易受到温度变化的影响的技术问题。

本领域亟需一种能够克服温度变化的影响的张弛振荡器。

发明内容

本公开提供一种张弛振荡器、芯片及偏差校正方法，解决了一些技术方案中的张弛振荡器容易受到温度变化的影响的技术问题。

第一方面，本公开提供了一种张弛振荡器，包括：

基准电压模块，一端连接至电源，另一端连接至地，用于产生比较器基准电压和电阻基准电压；

偏置电流模块，包括第一电阻串，第一电阻串的一端连接至基准电压模块，第一电阻串的另一端连接至地，第一电阻串包括至少一个正温度系数电阻与至少一个负温度系数电阻，正温度系数电阻的导通数量和/或负温度系数电阻的导通数量可调，偏置电流模块用于基于电阻基准电压及正温度系数电阻、负温度系数电阻的导通数量产生相应的偏置电流；

镜像电流模块，一端连接至偏置电流模块，用于将偏置电流镜像以产生电容充电电流；

比较器模块，同相端分别连接至电容、镜像电流模块的另一端，反相端连接至基准电压模块，输出端连接至并联于电容的第一开关，用于根据镜像电流模块所产生的电容充电电流控制电容的充放电，使张弛振荡器的输出频率稳定。

在一些实施例中，基准电压模块包括第二电阻串，第二电阻串的一端连接至电源，第二电阻串的另一端连接至地。

在一些实施例中，镜像电流模块，包括至少一个镜像电流源，镜像电流模块包括多个镜像电流源时，多个镜像电流源并联；镜像电流源的导通数量可调，镜像电流源的一端连接至偏置电流模块，用于将偏置电流镜像以产生预设倍数的电容充电电流。

在一些实施例中，第二电阻串包括第一抽头与第二抽头；

第一抽头，连接至比较器模块的反相端，基于不同的目标复制比例所选择不同位置的抽头作为第一抽头，不同位置的所述第一抽头用于产生不同的比较器基准电压，比较器基准电压为目标复制比例的电源电压；

第二抽头，连接至偏置电流模块，用于产生固定的电阻基准电压。

在一些实施例中，张弛振荡器还包括低压差线性稳压器，连接于第二抽头与偏置电流模块之间，用于对比较器基准电压进行调理。

在一些实施例中，每个正温度系数电阻、每个负温度系数电阻、每个镜像电流源、第一抽头分别配置有第二开关，正温度系数电阻的导通数量、负温度系数电阻的导通数量、镜像电流源的导通数量、第一抽头的位置的选择，通过张弛振荡器所在芯片的数字寄存器控制各第二开关来调节。

第二方面，本公开提供了一种芯片，包括：第一方面中任一项的张弛振荡器。

第三方面，本公开提供了一种基于第一方面中任一项的张弛振荡器或第二方面的芯片的偏差校正方法，包括：

获取张弛振荡器的不同温度点的输出频率；

计算不同温度点的温度系数，并绘制所述张弛振荡器的温度系数曲线，温度系数表示温度点的输出频率相对于基准温度点时的输出频率变化的百分比；

基于目标温度系数，确定所述温度系数曲线上各温度点的温度系数是否存在偏差；

在温度系数存在偏差的情况下，基于所述偏差确定相应温度点的温度校正趋势，并根据温度校正趋势调节张弛振荡器的第一电阻串中正温度系数电阻、负温度系数电阻的导通数量，使所述温度系数曲线呈对称状态。

在一些实施例中，温度校正趋势包括趋于负温度系数时，通过增加第一电阻串中负温度系数电阻的数量来校正偏差。

在一些实施例中，温度校正趋势包括趋于正温度系数时，通过增加第一电阻串中正温度系数电阻的数量来校正偏差。

在一些实施例中，根据温度校正趋势调节张弛振荡器的第一电阻串中正温度系数电阻、负温度系数电阻的导通数量之后，还包括：

通过调节镜像电流源的导通数量、第一抽头的位置的选择，以校正输出频率，使张弛振荡器的输出频率稳定在基准温度时的输出频率。

本公开提供的一种张弛振荡器、芯片及偏差校正方法，通过设置基准电压模块，产生比较器基准电压和电阻基准电压；通过设置包括至少一个正温度系数电阻与至少一个负温度系数电阻的第一电阻串，且正温度系数电阻的导通数量和/或负温度系数电阻的导通数量可调，偏置电流模块用于基于电阻基准电压及正温度系数电阻、负温度系数电阻的导通数量产生相应的偏置电流；利用镜像电流模块，将偏置电流镜像以产生电容充电电流；通过比较器模块根据镜像电流模块所产生的电容充电电流控制电容的充放电，从而能够通过调节第一电阻串中正负温度系数电阻的数量来减小温度对张弛振荡器的输出频率的影响，使张弛振荡器的输出频率稳定。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本公开进行更详细的描述：

图1示出了一种传统的张弛振荡器示意图；

图2为本公开实施例的一种张弛振荡器示意图；

图3为本公开实施例的一种镜像电流源示意图；

图4为本公开实施例的一种温度校正电路示意图；

图5为本公开实施例的一种偏差校正方法流程图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记，附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本公开方案，并对本公开如何应用技术手段来解决技术问题，并达到相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开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公开一部分的实施例，而不是全部的实施例。本公开实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本公开的保护范围之内。基于本公开中的实施例，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，都应当属于本公开保护的范围。

需要说明的是，本公开的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本公开的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

张弛振荡器，是一种片内RC振荡器，具有易于实现，可移植性强，高频率稳定度，低功耗等优点，广泛应用于微控制器(MCU)当中，但是，存在张弛振荡器容易受到温度变化的影响的技术问题。

本领域亟需一种能够克服温度变化的影响的张弛振荡器。

图1示出了一种传统的张弛振荡器示意图。如图1所示，一种传统的张弛振荡器，由电压基准(Voltage Reference，Vref)、充电电容(C)、开关(SW)、电阻(R)、偏置电流(Ibias)、比较器(Comparator)、分频器(Divider)组成。

偏置电流Ibias由电压基准Vref除以电阻R产生，通过镜像电流M·Ibias对充电电容C充电，当充电电容C上面的充电电压VC高于电压基准Vref时，比较器的输出由低变高，开关SW导通使得充电电容C上面的电荷被释放到地，此时充电电压VC低于电压基准Vref，使得比较器的输出由高变低，开关SW断开，镜像电流M·Ibias再次对充电电容C充电。上述充放电的过程持续发生，从而在比较器输出端产生占空比小于50％的窄脉冲信号，该窄脉冲信号进过分频器产生占空比50％的时钟信号(CLK)。

在图1的张弛振荡器中，振荡周期如表达式(1)所示：

其中，T_CLK为振荡周期，N是分频器的分频数，T_D是比较器延时，M是镜像比，由于偏置电流Ibias等于电压基准Vref除以电阻R，所以表达式(1)本质是RC常数加上比较器延时T_D，M和N基本上不随温度和工艺变化，但是R、C和T_D自身存在温度系数，可见，图1的张弛振荡器容易受到温度变化的影响，同时，芯片制造时可能存在不同的工艺偏差，图1的张弛振荡器也容易受到工艺偏差的影响。

为了解决图1所示的张弛振荡器所存在的技术问题，在一些技术方案中，使用正负温度系数电流叠加的方式实现温度补偿和校正。然而，这种方法首先需要设计高精度的正负温度系数电流，增加电路的设计复杂度。其次，用电流做加减法难以实现高精度的温度系数校正。

此外，在一些技术方案中，公开了一种提供精准低频时钟信号的电路及其控制方法。该提供精准低频时钟信号的电路，包括外部精准时钟，和制作于同一芯片中的RC振荡电路和RC校准电路，该RC校准电路通过外部精准时钟和SAR逻辑校准，得到固定的RC常数，产生的控制电容阵列的校准码可以调整同一芯片中RC振荡电路的电容阵列，从而使RC振荡电路输出低频的精准时钟，简单有效。且在对RC振荡电路校准结束后，可以关掉外部高频精准时钟及RC校准电路，从而可以大幅降低功耗。然而，该方案中对于片内时钟的工艺校正需要使用外部精准时钟，增加设计复杂度和成本。

可见，上述技术方案的设计复杂且成本较高。

下面结合几个实施例对本发明的具体实施方式作详细说明。

实施例一

图2为本公开实施例的一种张弛振荡器示意图。如图2所示，一种张弛振荡器，包括：

基准电压模块101，一端连接至电源，另一端连接至地，用于产生比较器基准电压和电阻基准电压；

偏置电流模块102，包括第一电阻串，第一电阻串的一端连接至基准电压模块，第一电阻串的另一端连接至地，第一电阻串包括至少一个正温度系数电阻与至少一个负温度系数电阻，正温度系数电阻的导通数量和/或负温度系数电阻的导通数量可调，偏置电流模块用于基于电阻基准电压及正温度系数电阻、负温度系数电阻的导通数量产生相应的偏置电流；

镜像电流模块103，一端连接至偏置电流模块，用于将偏置电流镜像以产生电容充电电流；

比较器模块104，同相端分别连接至电容、镜像电流模块103的另一端，反相端连接至基准电压模块，输出端连接至并联于电容的第一开关，用于根据镜像电流模块所产生的电容充电电流控制电容的充放电，使张弛振荡器的输出频率稳定。

在实际应用中，张弛振荡器为片上张弛振荡器。

在本实施例中，通过设置基准电压模块来产生比较器基准电压和电阻基准电压，设置包括至少一个正温度系数电阻与至少一个负温度系数电阻的第一电阻串，且正温度系数电阻的导通数量和/或负温度系数电阻的导通数量可调，偏置电流模块基于电阻基准电压及正温度系数电阻、负温度系数电阻的导通数量产生相应的偏置电流，并由镜像电流模块将偏置电流镜像以产生电容充电电流，比较器模块根据电容充电电流控制电容的充放电，通过调节第一电阻串中电阻的数量能够减小温度对张弛振荡器的输出频率的影响，从而使张弛振荡器的输出频率稳定。

传统的张弛振荡器，温度系数基本取决于RC常数以及比较器延时T_D的温度系数。本实施例的技术方案，使用至少一个正温度系数电阻与至少一个负温度系数电阻进行组合，通过控制正负温度系数的电阻的数量，修改正负温度系数电阻的比例，调节第一电阻串的等效电阻的温度系数，使RC常数随温度变化基本保持恒定。通过电流补偿的方法使比较器延时T_D随温度变化基本不变，从而使振荡频率随着温度变化基本稳定不变。

实施例二

在上述实施例的基础上，基准电压模块101包括第二电阻串，第二电阻串的一端连接至电源，第二电阻串的另一端连接至地。

在上述实施例的基础上，镜像电流模块103，包括至少一个镜像电流源，镜像电流模块包括多个镜像电流源时，多个镜像电流源并联；镜像电流源的导通数量可调，镜像电流源的一端连接至偏置电流模块，用于将偏置电流镜像以产生预设倍数的电容充电电流。

在一种实现方式中，第二电阻串包括第一抽头与第二抽头；

第一抽头，连接至比较器模块104的反相端，第一抽头根据目标复制比例选择，基于不同的目标复制比例所选择不同位置的第一抽头，能够产生不同的比较器基准电压，比较器基准电压为目标复制比例的电源电压；

第二抽头，连接至偏置电流模块，用于产生固定的电阻基准电压。

在一些情况下，张弛振荡器还包括低压差线性稳压器，连接于第二抽头与偏置电流模块之间，用于对比较器基准电压进行调理。

在一种实现方式中，每个正温度系数电阻、每个负温度系数电阻、每个镜像电流源、第一抽头分别配置有第二开关，正温度系数电阻的导通数量、负温度系数电阻的导通数量、镜像电流源的导通数量、第一抽头的位置的选择，通过张弛振荡器所在芯片的数字寄存器控制各第二开关来调节。

在实际应用中，图2中的N比特数字开关(N Bit Digital switch strobe)作为第二开关，进行抽头电压的选通，也就是选择第一抽头位置，将选择的第一抽头与比较器模块104的反向端导通。

在本实施例中，仍参照图2进行说明。如图2所示，与图1所示的结构相比，本实施例的张弛振荡器改变了电容C充电的偏置电流I_bias与比较器基准电压V_{ref_comp}的关系，提高了工艺校正和温度校正的自由度。

图2的张弛振荡器的工作原理如下，电源V_DD通过第二电阻串分压而产生比较器基准电压V_{ref_comp}与电阻基准电压V_ref，其中，比较器基准电压V_{ref_comp}可变，通过选择第一抽头位置实现产生不同的比较器基准电压V_{ref_comp}，而电阻基准电压V_ref固定。

比较器的基准电压V_{ref_comp}，是通过输入对应控制位在N比特数字开关的N个开关中选择需要的电阻抽头电压而产生。即V_{ref_comp}是V_DD的目标复制比例K的复制，V_{ref_comp}的表达式为(2.1)

V_{ref_comp}＝K·V_DD(2.1)

其中，V_{ref_comp}是比较器基准电压，K是目标复制比例，V_DD是电源电压，V_DD由张弛振荡器所在芯片低压域的总LDO(并非图2中的LDO)提供，其输入源是带隙基准，所以总LDO的输出电压的温度系数和带隙基准基本相同，都接近零温度系数，因此，等比例复制V_DD电压的V_ref和V_{ref_comp}也可以认为是零温度系数，应当理解的是，目标复制比例K是根据实际偏差校正所需而确定，因此比较器基准电压可变。

电阻基准电压V_ref作为LDO(low dropout regulator，低压差线性稳压器)的输入电压，该电压是固定不变的，LDO的输出通过正负温度系数的电阻产生偏置电流I_bias，偏置电流I_bias通过M比特控制的电流镜镜像产生B倍的电容充电电流I_charge。

电阻基准电压V_ref的表达式如式(2.2)所示，与V_{ref_comp}同理，是V_DD的等比例复制，复制比例定为A，因为设计需要V_ref固定不变所以A可以看作是一个固定常数。

V_ref＝A·V_DD(2.2)

偏置电流I_bias的表达式如式(2.3)所示，其中N_P和N_N分别是正温度系数电阻R_PT和负温度系数电阻R_NT的有效接入阻抗个数，N_P和N_N可以通过芯片的数字寄存器控制开关来加减电阻个数实现，修改N_P和N_N的值可以得到不同比例的正负温度系数组合，也就改变了偏置电流，其结果是能产生不同温度系数的偏置电流I_bias。

图2所示的张弛振荡器的张弛振荡周期表达式为(2.4)，与图1所示的结构相比，图2的张弛振荡器引入了温度系数可调的自由度PT和NT以及工艺校正自由度K和B，自由度K和B也就是前述的目标复制比例和将偏置电流镜像的预设倍数B，温度系数可调的自由度PT和NT通过正温度系数电阻R_PT和负温度系数电阻R_NT实现。

在一个实施例中，设置为正温度系数电阻R_PT数量N_P固定不变，改变的是负温度系数电阻R_NT数量N_N。

图3为本公开实施例的一种镜像电流源示意图。LDO输出的电压通过包括正负温度系数的第一电阻串产生偏置电流Ibias，通过可调电流镜B倍镜像出电容充电电流Icharge，电流镜的源头是二极管接法的M1，镜像管是M2到MN，其中M2管输出Icharge中的基本部分，即Icharge的最小值，定义M2镜像比为C1。M3到MN的栅极受开关SW1到SWN控制，当SW1＝0时，NSW1＝1，两个开关是互补的，此时M3导通，定义M3境象比为C2，同理可得MN镜像比为CM，Icharge表达式为如式(2.8)所示，其中除C1以外，C2到CM的比例按照1:2:4…2^K，(K为正整数)，因此通过调整开关的通断实现Icharge的改变，从而实现频率校正。

图4为本公开实施例的一种温度校正电路示意图。第一电阻串的输入是LDO的输出，正温度系数电阻R_PT个数固定不变，一共有N_N个，电阻两端连接开关ST，从ST1到STN，一共N_N个。设整体电阻R_T的温度系数为TC_R，TC_R的表达式可以写成如下形式：

TC_R＝TCR_PT·R_PT+TCR_NT·R_NT(N_N) (2.9)

TCR_PT和TCR_NT分别是正负温度系数电阻的一阶温度系数，R_PT和R_NT分别是正负温度系数的有效接入阻抗值。TC_R可以认为是两个电阻温度系数的叠加，所以整体电阻串的温度系数是N_N的函数，因此可以通过改变N_N的值改变TC_R。

实施例三

在上述实施例的基础上，本实施例提供一种芯片，包括：上述实施例的张弛振荡器。

传统的张弛振荡器，温度系数基本取决于RC常数以及比较器延时T_D的温度系数。对此，本公开使用正负温度系数的电阻进行组合，通过寄存器控制正负温度系数的电阻的开关，修改正负温度系数电阻的比例，调节正负温度系数的电阻的整体等效电阻的温度系数，使RC常数随温度变化基本保持恒定，通过电流补偿的方法使比较器延时T_D随温度变化基本不变，从而使振荡频率随着温度变化基本稳定不变；当出现温度偏差工艺偏差时，通过芯片的数字寄存器对偏置电流以及电容充电电流的大小进行校正，从而改变振荡频率，实现工艺补偿。张弛振荡器中的基准电压模块采用低压低功耗结构，所以只增加小部分功耗。数字寄存器来自MCU的数字电路，并不需要额外的电路，校正只需一次即可，校正值会写入寄存器里面，正常工作时并不会产生额外功耗。

实施例四

图5示出了本公开实施例的一种偏差校正方法。如图5所示，在上述实施例的基础上，本实施例提供一种基于上述实施例的张弛振荡器或芯片的偏差校正方法，包括步骤S501～步骤S504。

步骤S501、获取张弛振荡器的不同温度点的输出频率。

在一个应用实例中，温度点的范围为-40度到125度，温度点之间的步长为5或者10。也就是说，将张弛振荡器放入温箱，测试从-40度到125度的输出频率，每5度或者10度设置一个测试点，从而得到全温度范围内每个温度点的频率值，以拟合一条完整曲线，用于观测目前全温度范围内的变化趋势，以及观察不同的张弛振荡器之间的一致性。本领域的技术人员可以理解的是，还可以采用其他步长的数值，例如15度，获取各个温度点的输出频率。

本领域的技术人员可以理解的是，在对张弛振荡器进行小批量测试(例如待测的张弛振荡器的数量少于10)时，温度点的数量可以较多；而经过小批量测试之后，在对张弛振荡器进行大批量测试(例如待测的张弛振荡器的数量超过100)时，温度点的数量可以较少；从而节省测试成本。

在本实施例中，在对张弛振荡器进行大批量测试时，至少对边界温度点-40度和125度以及基准温度点25度进行测试，即温度点的数量至少为三个，以拟合一条完整曲线，用于观测目前全温度范围内的变化趋势，以及观察不同的张弛振荡器之间的一致性。

步骤S502、计算不同温度点的温度系数，并绘制所述张弛振荡器的温度系数曲线，温度系数表示温度点的输出频率相对于基准温度点时的输出频率变化的百分比。

步骤S503、基于目标温度系数，确定所述温度系数曲线上各温度点的温度系数是否存在偏差。

步骤S504、在温度系数存在偏差的情况下，基于所述偏差确定相应温度点的温度校正趋势，并根据温度校正趋势调节张弛振荡器的第一电阻串中正温度系数电阻、负温度系数电阻的导通数量，使所述温度系数曲线呈对称状态。

在本实施例中，若温度系数不大于阈值，则判断边界温度点-40度和125度的输出频率相对于基准温度点的输出频率的偏移是否对称。如果边界温度点-40度和125度的输出频率相对于基准温度点的输出频率的偏移不对称，则将边界温度点-40度和125度的输出频率相对于基准温度点的输出频率的偏移调整至对称。

在本实施例中，若温度系数大于阈值，则确定张弛振荡器的温度校正趋势。例如，若温度系数大于阈值，且全温度范围偏向正温度或者负温度，则改变档位，以将边界温度点-40度和125度的输出频率相对于基准温度点的输出频率的偏移调整至对称。对称的标志为温度系数曲线出现了抛物状。

在本实施例中，通过获取张弛振荡器的不同温度点的输出频率并计算张弛振荡器的温度系数来确定张弛振荡器的温度校正趋势，然后根据温度校正趋势调节张弛振荡器的第一电阻串中正温度系数电阻、负温度系数电阻的导通数量，从而完成了张弛振荡器的温度校正。

在一种实现方式中，温度校正趋势包括趋于负温度系数时，通过增加第一电阻串中负温度系数电阻的数量来校正偏差；温度校正趋势包括趋于正温度系数时，通过增加第一电阻串中正温度系数电阻的数量来校正偏差。

本公开使用正负温度系数的电阻进行组合，通过张弛振荡器所在芯片的数字寄存器控制正负温度系数的电阻的开关，修改正负温度系数电阻的比例，相应地改变了正温度系数电阻和/或负温度系数电阻的导通数量，从而调节正负温度系数的电阻的整体等效电阻的温度系数，使RC常数随温度变化基本保持恒定，通过电流补偿的方法使比较器延时T_D随温度变化基本不变，从而使振荡频率随着温度变化基本稳定不变。

实施例五

在上述实施例的基础上，根据温度校正趋势调节张弛振荡器的第一电阻串中正温度系数电阻、负温度系数电阻的导通数量之后，还包括：

通过调节镜像电流源的导通数量、第一抽头的位置的选择，以校正输出频率，使张弛振荡器的输出频率稳定在基准温度时的输出频率。

在实际应用中，当出现工艺偏差时，通过数字寄存器对偏置电流以及电容的充电电流大小进行校正，从而改变振荡频率，实现工艺补偿。数字寄存器来自MCU的数字电路，并不需要额外的电路，校正只需一次即可，校正值会写入寄存器里面，正常工作时并不会产生额外功耗。

下面结合一个实例作进一步说明。由于实际芯片生产存在误差生产，例如，典型情况下从-40度到125度芯片频率-温度变化曲线为开口向下的抛物线，-40度和125度与常温25度对比频率变化-0.5％，但由于工艺偏差，实际测量时-40度偏移-0.2％，125度偏移-0.8％，即整体需要趋于负温度系数。

此时，可以通过增大R_NT的比例，使张弛振荡器的整体电阻串的温度系数向负温度靠拢，在低温时周期增大，频率减少，高温时周期减少，频率增大，从而使两个极端的温度点的偏移重新达到典型情况下的状态。

调整N_N是通过加减R_NT的电阻个数得到的，因此会影响到频率的中心值，同时芯片制造的时候会有工艺偏差，所以需要引入工艺校正修调频率的标称值，由前述可知，调整N_N之后整体的RC常数趋于零温度系数。

实际生产中往往会要求频率在工艺、电源以及温度(三个因素合称PVT)三个主要影响因素下不能产生超过某个特定的偏差，所以温度补偿和工艺补偿需要考虑可调精度。调整N_N可实现的最小温度系数变化即为可调精度，改变N_N之后整体频率的温度系数都会随之而改变，它们之间的关系可以通过求导得到，以-40度和125度相对于25度的变化量作为参考，以室温为基准温度，温度系数定义为TC_{-40_25}，表示频率变化率(表示某一温度点的频率相对于室温时的变化的百分比)：

式(2.5)将式(2.4)的周期表达式转换为频率表达式。

式(2.6)是本公开的温度系数定义，此处举例-40相对25度的变化百分比。

式(2.7)中，ΔTC_{-40_25}是-40度相对25度时的温度系数变化量，可以近似为某个常数与相邻两档N_N--N1_N和N2_N之间的差值ΔN_N＝N1_N-N2_N的乘积，该常数可以一阶近似为

即可调精度，该常数可以近似正比于ΔN_N，同理125度的时候表达式为

从上式可知，若

或者

不变，通过增大相邻两档之间阻抗个数的变化量ΔN_N，从而增大温度可调范围，但是这样会降低温度可调精度，需要结合实际工艺以及所需频率精度做折中。

对TC(temperature coefficient温度系数的缩写，定义是式(2.6))进行调整后，调整比例系数K和B对RC常数进行放缩，具体的方法是调整比较器输入基准电压的大小以及电容充电电流I_charge的大小。

式(2.7)是改变一档温度系数的变化量。例如，在N1个负温度系数电阻时，对应的-40度相对于25度变化是-0.8％，125度时相对于25度变化是-0.2％，为了使-40度与125度的变化平衡为目标值-0.5％，本例中将-40时候的变化量增加0.3％，将125时的变化量改为减少0.3％。于是，本实例中将负温度系数电阻的个数调整为N2个，此时常温的电流大小改变了，输出频率也变了，本实例中调整K和B使常温下的频率与之前N1时的目标频率相同，以确保进行温度校正时不改变频率中心值。

当本实例将负温度系数电阻的个数改为N2后，发现-40度变化是-0.5％，125度是-0.5％，达到了预期目标。假设可以通过第二开关切换数量的电阻有N个，所以对应N个控制档位，由上述内容可知，N1个负温度系数电阻对应的档位与N2个负温度系数电阻对应的档位之间的差值，除以它们之间的档位差就是每一档温度系数变化的量。以第一电阻串中包括两个负温度系数电阻为例，能够排列组合出四种情况，控制例如为两位[1:0]，11档对应-40度偏差-0.8％，125度偏差-0.2％；也就是说全温度-40到125度下，温度系数最大偏差时-0.8％，00档对应-40度偏差-0.5％，125度偏差-0.5％，即全温度-40到125度下，温度系数最大偏差时-0.5％，即从00档到11档变化三档温度系数时高温和低温变化了0.3％，即每变化一档温度系数改变0.1％。本实施例中以控制位数为两位进行说明。本领域的技术人员可以理解的是，此处的控制位数还可以是其他数目，例如三位、四位或者多位，以提升控制精度。也就是，本实例的目标是全温度范围(-40度至125度)下实现1％的频率精度，所以，-40度相对于25度和125度相对于25度的偏移量要控制在±0.5％以内，如果实际生产得到的张弛振荡器的温度系数有偏差，那么就需要上述校正过程。实际生产得到的-40：-0.8％和125：-0.2％的组合虽然也符合要求，但是太靠近边缘，所以本实例会将两边调整到接近相等。

如果出现-40：-1.2％，125：0.2％，即全温度范围偏差超过了1％，也可按照与上述校正相似的办法，即，通过改变档位，加减负温度系数电阻的导通数量，使得正负温度偏差相近，尽可能使输出频率随温度变化是一个开口向上或者向下的抛物线形状，使得调整后的正负温度偏差在目标值范围内。比较理想的情况是，随着档位的变化温度系数呈线性变化，全档位下有一个变化范围，例如全温度下频率随温度变化-40度从-1％，到1％，125度从1％到-1％也就是说，曲线从正温度系数变化到负温度系数，而且是直线变化，但这个是理想的公式近似推导情况，也就是一阶温度系数，二阶效应会造成非线性，但是对于定性分析一阶温度系数足够。以上仅是以单边为-40度对式(2.7)进行的举例说明，并不对本发明的保护范围进行具体限定。

在校正时，首先测试芯片/张弛振荡器的温度系数，从-40度到125度，得到多个样品的温度曲线，然后按照预设的指标要求，判断是否满足温度变化要求。如果不满足温度变化要求，即发生了温度偏移，则通过调整档位使温度偏移量落在预设范围内。

虽然不同芯片的温度系数会有偏差，但是因为使用的是电阻，所以芯片与芯片之间的温度系数偏差不会有太大出入，可以将测试结果取中心值，由此能满足需求，具体的每一档的精度要根据实际情况而定。使用定义式ΔTC_{-40_25}，也就是相邻两档的温度系数变化值来计算温度系数的偏差。如果实际结果与预期相差一个数值，那么该数值除以ΔTC_{-40_25}就是档位要变化的量。

根据上述，改变档位会使全温度下从正温度系数变成零温度系数再变成负温度系数，或者负温度系数变成零温度系数再变成正温度系数。又根据近似理论，一阶温度系数两边变化基本能做到线性，而且变化量基本相等，所以本实例只描述了单边的情况，而且比较关注是三个温度点是-40，25，125，所以举例也是使用在三个温度点的频率偏移量。

在本实例中，调整K的方式是写入不同的寄存器值改变数字的选通开关，从而改变比较器输入基准电压V_{ref_comp}的大小，预设倍数B是通过改变电流镜C1到CN的个数。通过改变K和B的值，让频率在25度参考温度下始终保持在标称值，从而实现了工艺校正。

此外，式(2.4)中还有三个参数，V_DD、T_D和电容C。

该T_D是比较器的延时，T_D也会随着PVT变化，本公开的优化方法是，通过调整比较器晶体管尺寸减少关键节点寄生电容，同时增大比较器的偏置电流，提高翻转速度，从而降低T_D大小。从电路角度来看，延时随温度增大而增大，因此需要使用与温度成正比例的电流(I_PTAT)进行偏置，让T_D的温度系数不足以影响整体温度系数。

电容C在目前CMOS工艺下温度都有较好的温度特性，容值基本不随温度变化，其温度系数对于整体频率远低于RC常数，所以不需要对C进行温度补偿。

V_DD由芯片低压域的总LDO(总LDO，并非图2中的LDO)提供，其输入源是带隙基准，所以总LDO的输出电压的温度系数和带隙基准基本相同，都接近零温度系数，所以等比例复制V_DD电压的V_ref和V_{ref_comp}也可以认为是零温度系数。

本发明的上述实施例能够对张弛振荡器分别进行温度偏差以及工艺偏差两方面补偿，所以张弛振荡器的输出频率在温度和工艺变化时能够基本保持不变，方案所需的电路结构简单易于实现，只需要占用小部分芯片面积，功耗低，工艺可移植性强，满足电路小型化要求，在性能和设计成本之间做出了优化设计。使用正负温度系数的电阻进行组合，通过寄存器控制正负温度系数的电阻的开关，修改正负温度系数电阻的比例，调节正负温度系数的电阻的整体等效电阻的温度系数，使RC常数随温度变化基本保持恒定，通过电流补偿的方法使比较器延时T_D随温度变化基本不变，从而使振荡频率随着温度变化基本稳定不变；当出现工艺偏差时，通过数字寄存器对偏置电流以及电容的充电电流大小进行校正，从而改变振荡频率，实现工艺补偿。该基准电流和基准电压电路采用低压低功耗结构，所以只增加小部分功耗。数字寄存器来自MCU的数字电路，并不需要额外的电路，校正只需一次即可，校正值会写入寄存器里面，正常工作时并不会产生额外功耗。

在本公开所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本公开的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，上述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

需要说明的是，在本公开中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

虽然本公开所揭露的实施方式如上，但上述的内容只是为了便于理解本公开而采用的实施方式，并非用以限定本公开。任何本公开所属技术领域内的技术人员，在不脱离本公开所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本公开的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (11)

1.一种张弛振荡器，其特征在于，包括：

基准电压模块，一端连接至电源，另一端连接至地，用于产生比较器基准电压和电阻基准电压；

偏置电流模块，包括第一电阻串，所述第一电阻串的一端连接至所述基准电压模块，所述第一电阻串的另一端连接至地，所述第一电阻串包括至少一个正温度系数电阻与至少一个负温度系数电阻，所述正温度系数电阻的导通数量和/或所述负温度系数电阻的导通数量可调，所述偏置电流模块用于基于所述电阻基准电压及正温度系数电阻、负温度系数电阻的导通数量产生相应的偏置电流；

镜像电流模块，一端连接至所述偏置电流模块，用于将所述偏置电流镜像以产生电容充电电流；

比较器模块，同相端分别连接至电容、所述镜像电流模块的另一端，反相端连接至所述基准电压模块，输出端连接至并联于电容的第一开关，用于根据所述镜像电流模块所产生的电容充电电流控制所述电容的充放电，使所述张弛振荡器的输出频率稳定。

2.根据权利要求1所述的张弛振荡器，其特征在于，所述基准电压模块包括第二电阻串，所述第二电阻串的一端连接至电源，所述第二电阻串的另一端连接至地。

3.根据权利要求2所述的张弛振荡器，其特征在于，所述镜像电流模块，包括至少一个镜像电流源，所述镜像电流模块包括多个镜像电流源时，多个镜像电流源并联；所述镜像电流源的导通数量可调，所述镜像电流源的一端连接至所述偏置电流模块，用于将所述偏置电流镜像以产生预设倍数的电容充电电流。

4.根据权利要求2所述的张弛振荡器，其特征在于，所述第二电阻串包括第一抽头与第二抽头；

所述第一抽头，连接至比较器模块的反相端，基于不同的目标复制比例所选择不同位置的抽头作为第一抽头，不同位置的所述第一抽头用于产生不同的比较器基准电压，所述比较器基准电压为目标复制比例的电源电压；

所述第二抽头，连接至偏置电流模块，用于产生固定的电阻基准电压。

5.根据权利要求4所述的张弛振荡器，其特征在于，所述张弛振荡器还包括低压差线性稳压器，连接于所述第二抽头与所述偏置电流模块之间，用于对所述比较器基准电压进行调理。

6.根据权利要求3所述的张弛振荡器，其特征在于，每个所述正温度系数电阻、每个所述负温度系数电阻、每个所述镜像电流源、所述第一抽头分别配置有第二开关，所述正温度系数电阻的导通数量、所述负温度系数电阻的导通数量、所述镜像电流源的导通数量、所述第一抽头的位置的选择，通过所述张弛振荡器所在芯片的数字寄存器控制各第二开关来调节。

7.一种芯片，包括：权利要求1至6中任一项所述的张弛振荡器。

8.一种基于权利要求1至6中任一项所述的张弛振荡器或权利要求7所述的芯片的偏差校正方法，其特征在于，包括：

获取张弛振荡器的不同温度点的输出频率；

计算不同温度点的温度系数，并绘制所述张弛振荡器的温度系数曲线，所述温度系数表示温度点的输出频率相对于基准温度点时的输出频率变化的百分比；

基于目标温度系数，确定所述温度系数曲线上各温度点的温度系数是否存在偏差；

在温度系数存在偏差的情况下，基于所述偏差确定相应温度点的温度校正趋势，并根据所述温度校正趋势调节所述张弛振荡器的第一电阻串中正温度系数电阻、负温度系数电阻的导通数量，使所述温度系数曲线呈对称状态。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述温度校正趋势包括趋于负温度系数时，通过增加所述第一电阻串中负温度系数电阻的数量来校正偏差。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述温度校正趋势包括趋于正温度系数时，通过增加所述第一电阻串中正温度系数电阻的数量来校正偏差。

11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述根据所述温度校正趋势调节所述张弛振荡器的第一电阻串中正温度系数电阻、负温度系数电阻的导通数量之后，还包括：

通过调节所述镜像电流源的导通数量、第一抽头的位置选择，以校正输出频率，使所述张弛振荡器的输出频率稳定在基准温度时的输出频率。

Images