CN202818249U - Rc振荡器装置和电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及RC振荡器装置和电路。所述装置包含RC振荡器电路且并入有可个别地及组合地帮助改进振荡器输出频率的稳定性或准确度的各种特征。所述振荡器电路可操作以提供可调谐输出频率且包含可在第一与第二操作模式之间切换的偏置电路。所述模式中的一者相对于另一模式具有振荡器偏置电流的较小漂移。所述装置还包含漂移补偿电路，所述漂移补偿电路可操作以基于所述振荡器输出频率与参考频率的比较而在闭环操作模式中对所述振荡器输出频率的漂移进行补偿。所述装置进一步包含处理器，所述处理器可操作以基于所述振荡器电路的附近的所测量温度值而在开环操作模式中对所述振荡器频率的基于温度的漂移进行补偿。
Description
技术领域
本实用新型涉及高准确度的RC振荡器和电路。
背景技术
振荡器是(举例来说)微控制器及其它集成电路中的主要时钟源。可增加振荡器的数目以(举例来说)借助锁相环路获得所需频率。然而，时钟准确度受振荡器源限制。
内部RC振荡器由于其相对低的成本而对于微控制器及其它应用来说是具有吸引力的。其可与其它芯片上组件高度集成且通常不需要外部组件。然而，RC振荡器的准确度通常不超过百分之几，此限制其到非关键时钟的使用。
具有准确时钟要求的许多应用并入有高度准确的晶体振荡器。为了并入晶体振荡器，此些应用通常需要多个输入/输出引脚及外部组件。虽然此些要求由于空间及成本约束而在微控制器及其它应用中为不合意的，但传统上尚未获得适合替代方案。
一些应用需要具有比可由RC振荡器提供的容限(即，百分之几)更佳的容限但不像晶体振荡器一样准确(即，百万分之几十(ppm))的时钟。举例来说，处于全速的通用串行总线(USB)可需要2500ppm的时钟准确度。通常使用晶体振荡器来满足这些时钟要求。
在低功率模式中，可不断地操作一个振荡器以便以周期性间隔唤醒系统。可使用超低功率(ULP)RC振荡器。然而，由于此振荡器通常为高度不准确的，因此其仅允许系统以近似间隔唤醒。鉴于ULP RC振荡器的相对不良准确度，其通常不适用作频率倍增器的参考。对于其中ULP RC振荡器并非足够准确的应用，可使用32kHz晶体振荡器，但其进一步增加系统的成本。
实用新型内容
在本实用新型的一个方面中，一种装置包含RC振荡器电路且并入有可个别地及组合地经启用以改进振荡器输出频率的稳定性或准确度的各种特征。所述振荡器电路可操作以提供可调谐输出频率且包含可在第一与第二操作模式之间切换的偏置电路。所述模 式中的一者相对于另一模式具有振荡器偏置电流的较小漂移。所述装置还包含漂移补偿电路，所述漂移补偿电路可操作以基于所述振荡器输出频率与参考频率的比较而在闭环操作模式中对所述振荡器输出频率的漂移进行补偿。所述装置进一步包含处理器，所述处理器可操作以基于所述振荡器电路的附近的所测量温度值而在开环操作模式中对所述振荡器频率的基于温度的漂移进行补偿。
在另一方面中，描述一种操作提供可调谐输出频率的RC振荡器电路的方法。所述方法包向所述振荡器电路提供致使所述振荡器电路的偏置电路在第一与第二操作模式之间切换的信号，所述第一及第二操作模式中的一者相对于另一模式具有振荡器偏置电流的较小漂移。产生模式选择信号以启用以下操作模式中的一者：闭环操作模式，其用以基于所述振荡器输出频率与参考频率的比较而对所述振荡器输出频率的漂移进行补偿；或开环操作模式，其用以基于所述振荡器电路的附近的所测量温度值而对所述振荡器频率的基于温度的漂移进行补偿。
进一步方面涉及操作提供可调谐输出频率的RC振荡器电路。根据此方面，将所述振荡器电路的输出频率与参考频率进行比较，并基于所述比较而调整所述振荡器电路中的可调谐电阻器的输入值。此方面包含检测所述可调谐电阻器的所述输入值对应于规定的可能值范围内的最高或最低值，并在检测到所述最高或最低值的情况下产生错误信号。
在另一方面中，本申请描述了一种RC振荡器装置，包括：RC振荡器电路，其可操作以提供可调谐输出频率，所述振荡器电路包含可在第一与第二操作模式之间切换的偏置电路，所述第一及第二操作模式中的一者相对于另一模式具有振荡器偏置电流的较小漂移；漂移补偿电路，其可操作以基于所述振荡器输出频率与参考频率的比较而在闭环操作模式中对所述振荡器输出频率的漂移进行补偿；及处理器，其可操作以基于所述振荡器电路的附近的所测量温度值而在开环操作模式中对所述振荡器频率的基于温度的漂移进行补偿。所述偏置电路还可包含与绝对温度成比例分支及与绝对温度互补分支。所述RC振荡器电路还可包括可调谐电容器及可调谐电阻器，所述可调谐电容器及可调谐电阻器中的每一者是根据相应输入值调整的，其中在根据所述闭环及开环模式的操作期间，所述可调谐电阻器的所述输入值分别由所述处理器及所述漂移补偿电路来调整。所述漂移补偿电路还可包含可操作以将所述振荡器电路的输出频率与参考频率进行比较的比较器，其中所述漂移补偿电路可操作以基于所述比较而调整所述可调谐电阻器的所述输入值。所述的RC振荡器装置还可包括一个或一个以上寄存器以存储所述电容器及所述电阻器的所述相应输入值。
在另一方面中，本申请描述了一种可操作以提供可调谐输出频率的RC振荡器电路，所述振荡器电路包括：可调谐电容器及可独立于所述电容器调谐的电阻器；偏置电路，其可在第一与第二操作模式之间切换其中所述偏置电路包含与绝对温度成比例分支及与绝对温度互补分支，其中在所述第一操作模式中，仅启用所述与绝对温度成比例分支，且其中在所述第二操作模式中，启用所述与绝对温度成比例分支及所述与绝对温度互补分支两者。
一些实施方案包含以下优点中的一者或一者以上。所揭示的装置可组合工厂校准、运行时校准及温度补偿以克服低功率RC振荡器的传统缺点。此允许振荡器在一些应用中替换对32kHz晶体操作的使用且在各种应用中替换对任何晶体振荡器作为时钟参考的需要。设计可以与传统ULP RC振荡器相比非常小的成本额外开销来实施且在一些情况下可提供足够高的准确度以便消除对待用以产生系统中的其它时钟的辅助RC振荡器的需要。
依据以下详细描述、附图及权利要求书，将容易明了其它方面、特征及优点。
附图说明
图1是图解说明根据本实用新型包含RC振荡器电路的装置的实例的框图。
图2图解说明RC振荡器电路的进一步细节。
图3图解说明用于振荡器频率的温度补偿的闭环操作模式的电路的实例。
图4是图解说明用于调整振荡器频率的算法的实例的流程图。
图5图解说明用于振荡器频率的温度补偿的开环操作模式的电路的实例。
图6是温度对用于调整RC振荡器中的可调谐电阻的值的图表的实例。
图7图解说明存储与振荡器的操作相关联的信息的控制寄存器的实例。
具体实施方式
如图1的实例中所图解说明，例如微控制器的装置包含中央处理单元(CPU)20及具有相关联电路的RC振荡器核心22。振荡器核心22提供可调谐低速低功率时钟源。可使用存储于非易失性存储器(例如，一对寄存器24、26)中的信息来设定RC振荡器的标称频率值。另外，所述装置并入有可改进RC振荡器的稳定性及准确度的一个或一个以上特征。下文更详细解释的这些特征包含可切换芯片上偏置电路，所述可切换芯片上偏置电路可经启用以在温度补偿模式中操作以减小振荡器偏置电流的漂移。还可使用 在图1中展示为调谐电路28及精细计算电路30的硬件逻辑在闭环模式中对基于温度的漂移进行补偿。另外，可使用由CPU 20执行的软件程序在开环模式中对基于温度的漂移进行补偿，CPU 20至少部分地基于所测量温度值而动态地调整存储于寄存器26中的值。在所图解说明的实施方案中，可启用前述技术中的任一者来提供更大灵活性。然而，在一些情况下，可实施少于全部技术。CPU 20可(举例来说)借助数据总线36耦合到寄存器24、26。
如图2中所图解说明，RC振荡器核心22的组件可实施于单个集成电路芯片中且包含可调谐电容器32及可调谐电阻器34。可彼此独立调谐的电容及电阻的值确定经受由于(举例来说)温度的改变所致的小变化的振荡频率。举例来说，增加电容会减小振荡频率，且增加电阻也会减小振荡频率。所述电路还包含用于对电容器32进行复位的复位开关M3以及充当比较器的二极管M1及开关晶体管M2。RC振荡器核心22包含经由开关56、58耦合到电容器32及电阻器34的偏置电路60。标称振荡频率(在此实例中，为64kHz)出现在反相器42的输出处。
在所图解说明的实例中，将电容器32的可能值分割成七个二进制步长，所述步长可用多位向量(即，“粗略”)来启用以对过程变化进行补偿。同样地，在所图解说明的实例中，将电阻器34的可能值分割成六个二进制步长，所述步长可用另一多位向量(“精细”)来启用。这些向量提供对振荡器频率的粗略及精细调谐。虽然可在单个向量中规定用于电容器及电阻器值的信号，但使用两个单独向量可导致较低成本。在此情况下，电容器32及电阻器34的尺寸可经选择以便可将振荡器调谐到约1000ppm的准确度，从而使设计可用作各式各样目的的时钟参考。类似地，电阻器34的调谐范围可为足够宽的以对振荡器中的任何预期温度变化进行补偿。
在装置通电之后，即刻从寄存器24、26读取用于粗略及精细向量的先前所存储值。在所图解说明的实例中，粗略值在操作期间通常保持固定。如果精细值也保持固定，那么振荡器频率将趋向于随温度的改变而略微漂移。如下文所解释，可启用用于振荡器温度补偿的一种或一种以上技术来减小此漂移。
举例来说，可在生产测试期间确立粗略及精细向量的初始值。在一些实施方案中，在生产测试期间，将来自RC振荡器核心22的32kHz输出信号(“clk32k”)与准确的32kHz时钟信号进行比较。接着调整粗略值直到输出尽可能接近32kHz为止。还可调谐精细值以实现进一步准确度。如果在多个不同温度下执行生产测试，那么可针对第二温度重新校准精细值。此额外值也可存储于非易失性存储器中。在稍后时间，如果期望，那么可由用户通过致使将经更新值写入到寄存器24来取代粗略值。此外，如下文 所解释，可在闭环模式或开环模式中调谐精细值。虽然图1展示用于分别存储粗略及精细值的两个不同寄存器24、26，但在一些实施方案中，可将两个值存储于单个寄存器中。
在RC振荡器核心22的操作期间，振荡如下发生。最初，将节点n1放电，从而致使开关M2关断。因此，节点n2处的电压比反相器42的阈值电压高，且节点n3处的电压为0伏(V)。接下来，穿过开关M1的偏置电流将电容器32充电，此致使节点nl处的电压线性地上升直到达到开关M2的阈值电压为止。接着，开关M2接通，且偏置电流流动穿过开关M2。节点n4处的电压增加(但其低于反相器42的阈值电压)，且节点n2处的电压降低直到达到反相器42的阈值电压为止。接着，反相器42在节点n3上驱动高电平，此致使开关M3将节点n1放电。
虽然反相器42的输出处的标称振荡频率为64kHz，但针对灵活性及低功率使用可提供32kHz及1kHz的替代时钟输出。举例来说，为了允许准确的工作循环时钟，可将64kHz信号除以2以提供32kHz输出信号。此输出信号为RC振荡器核心22的标称时钟输出且可使用(举例来说)来代替位于系统中别处的32kHz晶体振荡器的输出。为了节省外部时钟网中的电力，可将输出进一步除以32以产生1kHz输出信号。RC振荡器核心22包含分频器46、52及逻辑门44、48、50、54以提供前述输出(即，clk64k、clk32k、clklk)。这些输出中的每一者可由对应启用信号(即，en64k、en32k、enlk)独立地启用。通过将分频器52集成到RC振荡器核心芯片中，可减小总体功率消耗。此外，通过仅按照需要来启用逻辑门44、48、50、54，可进一步减小总体功率消耗。可基于启用信号(“en”)而启用核心振荡器22作为32kHz类属时钟源。控制寄存器70存储控制前述启用信号以及其它控制信号的值。在一些实施方案中，控制寄存器具有32个位。图7中图解说明此寄存器的一部分及其所存储的信息。
在所图解说明的实例中，偏置电路60包含与绝对温度成比例(PTAT)分支62及与绝对温度互补(CTAT)分支64两者。PTAT分支62包含晶体管M4、M5、M6、M7及集成电阻器R1。CTAT分支64包含晶体管M8、M9、M10、M11、M12及集成电阻器R2。
PTAT电路62汲取相对低的电流，且因此可有利地用于低功率操作模式。然而，PTAT电路62通常为温度相依的。相比之下，PTAT电路62与CTAT电路64的组合的温度相依性小得多且因此可用于需要较准确的温度补偿操作模式的应用。如下文所解释，RC振荡器核心22可在第一低功率模式与第二温度补偿模式之间切换。在后一模式中，对振荡器电流偏置进行温度补偿以减小漂移。然而，温度补偿可以略高的电流消耗为代价来进行。
如在图2的实例中所图解说明，PTAT电路62的输出耦合到晶体管M17、M18，当振荡器核心22在非温度补偿模式中操作时，晶体管M17、M18又分别耦合到开关56、58。因此，在非温度补偿操作模式中，开关56、58处于图2中所示的位置中。另外，PTAT电路62及CTAT电路64两者的输出耦合到求和电路66，求和电路66包含充当电流源的晶体管M13、M14、M15、M16。当振荡器核心22在温度补偿模式中操作时，求和电路66的输出分别耦合到开关56、58。因此，在温度补偿操作模式中，开关56、58从图2中所示的位置移动到其替代位置。开关的位置由“启用温度补偿”信号(entc)控制。entc信号的值由存储于控制寄存器70中的值确定(参见图7)且控制RC振荡器核心22是否在温度补偿模式中操作。在所图解说明的实例中，当entc信号的值为低时，仅启用偏置电路60的PTAT分支(即，无温度补偿)。另一方面，当entc信号值的值为高时，启用PTAT及CTAT分支两者使得振荡器核心在温度补偿模式中操作。因此，RC振荡器核心22可在第一低功率模式(通过仅使用PTAT偏置分支32)与第二温度补偿模式(通过使用PTAT偏置分支32及CTAT偏置分支34两者)之间切换。此特征通过提供呈现较高准确度与较低功率消耗之间的折衷的不同操作模式而提供较大灵活性。
RC振荡器核心22中的各种晶体管可(举例来说)使用MOSFET(例如，PMOS)技术来实施。然而，在一些实施方案中可使用其它类型的晶体管。RC振荡器核心芯片还包含用于时钟信号(clk64k、clk32k、clk1k)、启用信号(en、en64k、en32k、en1k)、粗略及精细控制信号以及操作电压(vdd及vss)的各种输X/输出引脚。
甚至在可切换芯片上偏置电路经启用以在温度补偿模式中操作以减小振荡器偏置电流的漂移时，振荡器输出可能仍存在某一小量的基于温度的漂移。在一些情况下，此漂移可大约为12Hz/K。为了提供对基于温度的漂移的额外补偿，装置可并入有闭环模式或开环模式中的运行时校准。所述装置是在闭环模式还是开环模式中操作由存储于控制寄存器70中的值(“MODE”)确定(参见图7)。下文更详细论述的开环及闭环技术调整用以调谐电阻器34的值的精细向量值。此外，尽管芯片上偏置电路在所图解说明的实例中是以模拟电路实施，但可以数字方式实施开环及闭环技术。
在闭环模式中，调谐电路28动态地调谐精细向量的值直到振荡器输出匹配规定的参考频率为止。此频率可为(举例来说)从高频晶体振荡器或从已知频率的某一其它外部信号获得的经分割时钟信号。如图3中所示，将高度准确的高频参考时钟提供到时钟分割器60，时钟分割器60分割参考时钟信号以产生具有规定参考频率(例如，32kHz)的信号。比较器62将来自分频器60的参考频率与来自RC振荡器核心22的输出信号(例如，clk32k)进行比较。频率比较器62基于振荡器的频率与参考频率的比较而产生指示 当前精细值是太高还是太低的信号。
精细计算单元30实施基于来自频率比较器62的测量而确定最优精细值的算法。在一些实施方案中，精细计算单元30应用经细化值并继续进行下一迭代。由于振荡器22可能为相对缓慢的，因此在尽可能少的迭代中找出正确设定为有利的。此可(举例来说)经由二进制搜索来实现，在所述二进制搜索中，精细计算单元30以大的步长开始且接着针对每一后续迭代将步长大小除以2(参见图4)。此实施方案对于数字逻辑实施方案来说也为切实可行的，因为精细向量中的每一位位置对应于下一步长大小。举例来说，如果精确地产生32kHz的正确精细值为11011(二进制)，那么针对所图解说明的实施方案，由精细计算单元30实施的算法将为如下：
迭代1：精细＝10000>>>太低
迭代2：精细＝11000>>>太低
迭代3：精细＝11100>>>太高
迭代4：精细＝11010>>>太低
迭代5：精细＝11011>>>尽可能接近正确值
因此，在此情况下，在仅五个迭代中，可找出用于精细向量的所有五个位的最优值，但所得振荡器频率可能由于精细向量的有限分辨率而有点太高或太低。此外，最优精细值将有可能由于振荡器22中的温度漂移而随时间改变。优选地，为了确保振荡器22保持大致锁定到32kHz平均频率，由精细计算电路30执行的算法针对后续迭代交替地加上或减去1。
精细向量的位的数目可经选择以便通常可通过仅调整精细向量来对温度漂移进行补偿，只要已正确地校准粗略向量即可。然而，有时可能在粗略值的校准中出现错误，或者温度可在振荡器的规定范围之外漂移。在此些情形下，可将由精细计算单元30确定的最终精细值设定为最高或最低可能值(例如，11111或00000)。在此些情况下，不可能使用单独的闭环技术来对进一步温度漂移进行补偿。此情形指示先前将粗略向量设定为太高或太低。为了解决此些情形，精细计算单元30可包含饱和错误检测器38，饱和错误检测器38在精细值处于任一极值的情况下给CPU 20产生错误旗标。作为响应，CPU 20可调整粗略值(向上或向下)并触发新的迭代序列以设定最优精细值。前述特征可通过允许处置错误状态而帮助增加装置的稳健性及实际可用性。
图5图解说明可如何使用由CPU 20执行的软件程序以至少部分地基于所测量温度值调整所存储的精细值而在开环模式中对基于温度的漂移进行补偿。软件可根据由传感器80测量的芯片上温度及存储于非易失性存储器中的一个或一个以上校准值来使用精 细向量的开环调谐。传感器80可包含模/数转换器(ADC)以将所测量模拟温度信号转换成等效数字信号。如果来自两个不同温度的先前所存储校准值为可用的(例如，参见图6：t1、t2)，那么可由CPU 20基于芯片上温度的所测量值(ts)使用内插来确定精细向量。如果一个校准值为可用的，那么可通过基于设计的一般表征假设典型温度梯度来外推精细向量的值。CPU 20可借助数据总线36耦合到寄存器24、26使得所述CPU可改变存储于所述寄存器中的值。
在低功率操作期间，振荡器以固定的粗略及精细设定操作。振荡频率最初为高度准确的，此可消除对32kHz晶体振荡器的需要。如果在低功率操作期间温度改变，那么温度漂移可影响振荡器22的准确度。如果此为不容许的，那么可使用超低功率定时器来周期性地唤醒装置且开始高速晶体振荡器的操作。调谐逻辑28接着可在闭环模式中操作且自动调整精细设定以使用晶体振荡器输出作为参考时钟来产生准确的32kHz输出。装置接着可切断晶体振荡器且返回到低功率操作。净效应是以由高速晶体振荡器的周期性操作产生的略高平均功率消耗为代价而无限地限制温度漂移。
虽然前述实例描述其中将RC振荡器电路22作为微控制器的一部分并入的的装置，但也可将振荡器电路并入到其它类型的装置中，包含各种集成电路，包含(举例来说)射频芯片及存储器芯片。
其它实施方案也在权利要求书的范围内。
Claims (6)
1.一种RC振荡器装置，其特征在于包括：
RC振荡器电路，其可操作以提供可调谐输出频率，所述振荡器电路包含可在第一与第二操作模式之间切换的偏置电路，所述第一及第二操作模式中的一者相对于另一模式具有振荡器偏置电流的较小漂移；
漂移补偿电路，其可操作以基于所述振荡器输出频率与参考频率的比较而在闭环操作模式中对所述振荡器输出频率的漂移进行补偿；及
处理器，其可操作以基于所述振荡器电路的附近的所测量温度值而在开环操作模式中对所述振荡器频率的基于温度的漂移进行补偿。
2.根据权利要求1所述的RC振荡器装置，其特征在于：所述偏置电路包含与绝对温度成比例分支及与绝对温度互补分支。
3.根据权利要求1所述的RC振荡器装置，其特征在于：所述RC振荡器电路包括可调谐电容器及可调谐电阻器，所述可调谐电容器及可调谐电阻器中的每一者是根据相应输入值调整的，其中在根据所述闭环及开环模式的操作期间，所述可调谐电阻器的所述输入值分别由所述处理器及所述漂移补偿电路来调整。
4.根据权利要求3所述的RC振荡器装置，其特征在于：所述漂移补偿电路包含可操作以将所述振荡器电路的输出频率与参考频率进行比较的比较器，其中所述漂移补偿电路可操作以基于所述比较而调整所述可调谐电阻器的所述输入值。
5.根据权利要求3所述的RC振荡器装置，其特征在于：其包括一个或一个以上寄存器以存储所述电容器及所述电阻器的所述相应输入值。
6.一种可操作以提供可调谐输出频率的RC振荡器电路，其特征在于：所述振荡器电路包括：
可调谐电容器及可独立于所述电容器调谐的电阻器；
偏置电路，其可在第一与第二操作模式之间切换其中所述偏置电路包含与绝对温度成比例分支及与绝对温度互补分支，其中在所述第一操作模式中，仅启用所述与绝对温 度成比例分支，且其中在所述第二操作模式中，启用所述与绝对温度成比例分支及所述与绝对温度互补分支两者。
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