CN207490904U - 一种片上低功耗高精度参考时钟 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种片上低功耗高精度参考时钟，其包括振荡器、第一校准模块、分频器、分频比控制模块、第二校准模块以及温度补偿模块；第一校准模块的第一输入端接外部精准时钟，其第二输入端与振荡器的输出端电连接，输出端与振荡器的控制端电连接；分频器的第一输入端与振荡器的输出端电连接，其第二输入端与分频比控制模块的输出端电连接，输出端与第二校准模块的第一输入端电连接，第二校准模块的第二输入端接外部精准时钟；输出端与一叠加模块的第一输入端电连接，温度补偿模块的输出端与叠加模块的第二输入端电连接，叠加模块的输出端与分频比控制模块的输入端电连接。本实用新型可以提高系统的可集成度，同时降低成本。

Description

一种片上低功耗高精度参考时钟

技术领域

本实用新型涉及参考时钟技术领域，尤其涉及一种片上低功耗高精度参考时钟。

背景技术

在物联网和万物互联等应用中，系统需要有多个频率参考(时钟)，如用于系统唤醒和实时时钟的低频频率参考，用于数字系统和模数、数模转换器的时钟以及用于无线接口的射频频率参考。其中用于实时时钟的频率参考需要具有高精度、低功耗、易集成的特点。

在目前的设计中，实现高精度的时钟多依赖于电路板级的石英晶体，但该实现方式由于需在板级系统上设置两个晶体，因此会占用较大的面积。从而不利于小尺寸的应用，而由片上振荡器产生的时钟其频率随工艺、温度以及电压会有较大的偏差，无法满足高精度的要求。

实用新型内容

针对上述现有技术中存在的不足之处，本申请提供一种片上低功耗高精度参考时钟，该片上低功耗高精度参考时钟采用片上振荡器经过两次频率校准和温度补偿，实现了一种片上低功耗、高精度的参考时钟，可在物联网和万物互联等应用中使用，并且可以提高系统的可集成度，同时降低成本。

该片上低功耗高精度参考时钟包括振荡器、用于校准所述振荡器输出频率的第一校准模块、分频器、用于控制所述分频器的分频比的分频比控制模块、用于校准所述分频器的输出频率的第二校准模块以及用于根据所述振荡器的温度值输出温度补偿参数的温度补偿模块；

所述第一校准模块的第一输入端接外部精准时钟，其第二输入端与所述振荡器的输出端电连接，所述第一校准模块的输出端与所述振荡器的控制端电连接；

所述分频器的第一输入端与所述振荡器的输出端电连接，其第二输入端与所述分频比控制模块的输出端电连接，所述分频器的输出端与所述第二校准模块的第一输入端电连接，所述第二校准模块的第二输入端接外部精准时钟；

所述第二校准模块的输出端与一叠加模块的第一输入端电连接，所述温度补偿模块的输出端与所述叠加模块的第二输入端电连接，所述叠加模块的输出端与所述分频比控制模块的输入端电连接。

可选地，所述振荡器为RC振荡器，所述RC振荡器中的电阻或电容采用可调阵列式。

可选地，所述分频器为双模分频器。

可选地，所述分频比控制模块为累加器或Sigma-Delta调制器。

可选地，所述叠加模块为加法器。

可选地，所述第一校准模块和所述第二校准模块均包括第一寄存器、计数器、比较器和第二寄存器；

所述第一寄存器的输出端与所述比较器的第一输入端电连接，所述计数器的输出端与所述比较器的第二输入端电连接，所述比较器的输出端与所述第二寄存器的输入端电连接。

可选地，所述温度补偿模块包括依次电连接的温度传感器、模数转换器和译码器。

本实用新型的片上低功耗高精度参考时钟采用片上振荡器产生参考频率，通过第一校准模块和第二校准模块对振荡器产生的参考频率进行两次频率校准，并通过温度补偿模块对参考频率进行温度补偿，实现了一种片上低功耗、高精度的参考时钟，可在物联网和万物互联等应用中使用，并且可以提高系统的可集成度，同时降低成本。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的片上低功耗高精度参考时钟的结构框图；

图2为本实用新型实施例提供的片上低功耗高精度参考时钟的另一结构框图；

图3为本实用新型实施例提供的第一校准模块和第二校准模块的结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的温度补偿模块的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1，图1示出了本实施例中的片上低功耗高精度参考时钟的结构框图，该片上低功耗高精度参考时钟具体包括以下结构：

振荡器1、第一校准模块2、分频器3、分频比控制模块4、第二校准模块6以及温度补偿模块5。其中第一校准模块2的第一输入端接外部精准时钟CLK，其第二输入端与振荡器1的输出端电连接，并且第一校准模块2的输出端与振荡器1的控制端电连接；其中CLK可以是系统中由晶体振荡器产生的高精度时钟，也可以是芯片出厂测试阶段的高精度时钟。

分频器3的第一输入端与振荡器1的输出端电连接，分频器3的第二输入端与分频比控制模块4的输出端电连接，分频器3的输出端与第二校准模块6的第一输入端电连接，第二校准模块6的第二输入端接CLK。第二校准模块6的输出端与一叠加模块7的第一输入端电连接，温度补偿模块5的输出端与叠加模块7的第二输入端电连接，叠加模块7的输出端与分频比控制模块4的输入端电连接。

振荡器1为片上振荡器，其用于产生参考频率FOSC。第一校准模块2用于初步校准振荡器1的输出时钟FOSC，第二校准模块6用于实现对分频器3的输出时钟FREF的精确校准。而分频比控制模块4则用于控制分频器3的分频比，温度补偿模块5用于根据振荡器1的温度值输出温度补偿参数K4。

进一步地，在参考图1的基础上同时参考图2，本实施例中振荡器1为RC振荡器，并且该RC振荡器中的电阻或电容采用可调阵列式，因此可以通过改变该RC振荡器中的电阻或电容来改变其输出频率。分频器3则为双模分频器，该双模分频器可以为N/N+1分频，也可以为N/N+0.5分频，同时该双模分频器的分频比由1bit控制字决定(在0和1之间切换)。

而分频比控制模块则为累加器或Sigma-Delta调制器，其根据控制参数K3输出用于控制双模分频器的控制字，其中该控制字对应的十进制数为F(0<F<1)，并且F＝K3/2^M，最终双模分频器的分频比为N*(1+F)，也即FOSC＝N*(1+F)*FREF。其中M为K3的位宽。

其中K3的值通过叠加模块7根据第二校准模块6的输出值K2和温度补偿模块5的输出值K4来确定，具体地，本实施例中叠加模块7可以为加法器，也即本实施例中通过加法器根据K2和K4的值来确定K3的值。

由于工艺温度偏差等因素的影响，振荡器1中的电阻电容等核心器件的参数会随之变化，从而造成振荡器1的输出频率约有±20％的分布偏差。因此需要通过第一校准模块2对振荡器1的输出时钟进行第一次校准。具体地，本实施例中第一校准模块2是通过在FOSC周期内对CLK进行计数，并且依据计数结果产生振荡器1中相应的可调阵列的控制字K1，实现对振荡器1中的电阻或电容的调整，从而实现对FOSC的校准。其中第一校准模块2可以通过搜索算法，如二进制搜索或线性搜索来实现。经过第一校准模块2的第一次校准后，FOSC的精度可以较容易的控制在较小的范围(例如5％以内)。

但是由于振荡器1中的可调阵列精度受制于开关非线性和最小单位值的限制，因此通过第一校准模块2对FOSC进行的频率校准精度并不能无限提高(譬如0.1％几乎是无法实现的目标)，故第一校准模块2仅能实现对FOSC的粗校准，其作用主要是消除上述工艺偏差等因素的影响。

而为了得到高精度的时钟，则需要通过N/N+1分频的分频器3及第二校准模块6来完成输出频率的精校准，其中第二校准模块6的实现原理与第一校准模块2相同。精校准的校准精度仅取决于控制字K3及其位宽，设定K3的位宽为M，则F＝K3/2^M，则此时分频器3的输出FREF的最小步进值为1/(2^M*N)。例如，当M＝9，N＝8时，FREF频率精度可轻松实现为244ppm，也即0.0244％，因此可彻底摆脱可调阵列的参数限制。通过选择合适的位数M及分频比N，即可得到满足系统需要的频率精度。

具体地，关于第一校准模块2和第二校准模块6的结构，请参阅图3，可见本实施例中第一校准模块2和第二校准模块6均包括第一寄存器8、计数器9、比较器10和第二寄存器11；其中第一寄存器8的输出端与比较器10的第一输入端电连接，计数器9的输出端与比较器10的第二输入端电连接，比较器10的输出端与第二寄存器11的输入端电连接。

上述计数器9的两个输入端分别接高精度时钟CLK和振荡器的输出时钟FOSC，第二寄存器11输出振荡器中可调电阻/电容阵列的控制字K1。第一寄存器8的输出值CT为设定的目标计数值。

在初始时刻，第二寄存器11输出初始控制字K1，控制振荡器产生相应的振荡频率FOSC，在FOSC的时钟周期内，计数器9对高精度时钟CLK进行技术，计数值为CC。比较器10将计数器9的输出CC和目标计数值CT进行比较，根据比较结果调整第二寄存器11的输出K1的值，从而改变FOSC的振荡频率，实现对FOSC的校准。

此外，由于FOSC的频率温度系数(TCF)约为300ppm/℃，该频率温度系数主要由工艺中的电阻温度系数决定，一般在100-1000ppm/℃。因此需要通过温度补偿模块5对振荡器1的温度效应进行补偿，使得最终频率参考的精度在系统要求的温度范围内(如工业温度)均能满足要求。该温度补偿模块5主要通过温度传感器来检测振荡器1的温度，并且根据振荡器1的温度来确定相应的温度补偿参数K4，实现对振荡器1的温度效应进行补偿的效果。

具体地，关于温度补偿模块5的结构，请参阅图4，本实施中温度补偿模块5包括依次电连接的温度传感器51、模数转换器52和译码器53。其中温度传感器51将振荡器芯片的温度转换为相应的电压信号V，然后经过模数转换器52得到振荡器芯片温度对应的数字控制码K0，最后经过译码器53后得到温度补偿参数K4。

此外，第一校准模块2的输出K1和第二校准模块6的输出K2可以在校准完成后保存在具有记忆功能的存储单元(如非易失性存储器)内，这样一来，即便芯片掉电后再上电，校准的结果K1及K2仍然存在，无需再重新进行校准。在校准完成后，也即正常工作模式下，第一校准模块2和第二校准模块6均可以断电，此时第一校准模块2和第二校准模块6产生的功耗可以忽略不计，因此参考时钟的整体功耗可以控制在uW量级，从而满足低功耗要求。

本实施例的片上低功耗高精度参考时钟采用片上振荡器产生参考频率，通过第一校准模块和第二校准模块对振荡器产生的参考频率进行两次频率校准，并通过温度补偿模块对参考频率进行温度补偿，实现了一种片上低功耗、高精度的参考时钟，可在物联网和万物互联等应用中使用，并且可以提高系统的可集成度，同时降低成本。

需要说明的是，本实用新型实施例中，“第一”、“第二”的出现，仅仅是为了作区分技术名词和描述方便，不应理解为对本实用新型实施例的限定。在本文中，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、物品或者终端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、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种片上低功耗高精度参考时钟，其特征在于，包括振荡器、用于校准所述振荡器输出频率的第一校准模块、分频器、用于控制所述分频器的分频比的分频比控制模块、用于校准所述分频器的输出频率的第二校准模块以及用于根据所述振荡器的温度值输出温度补偿参数的温度补偿模块；

所述第一校准模块的第一输入端接外部精准时钟，其第二输入端与所述振荡器的输出端电连接，所述第一校准模块的输出端与所述振荡器的控制端电连接；

所述分频器的第一输入端与所述振荡器的输出端电连接，其第二输入端与所述分频比控制模块的输出端电连接，所述分频器的输出端与所述第二校准模块的第一输入端电连接，所述第二校准模块的第二输入端接外部精准时钟；

所述第二校准模块的输出端与一叠加模块的第一输入端电连接，所述温度补偿模块的输出端与所述叠加模块的第二输入端电连接，所述叠加模块的输出端与所述分频比控制模块的输入端电连接。

2.如权利要求1所述的片上低功耗高精度参考时钟，其特征在于，所述振荡器为RC振荡器，所述RC振荡器中的电阻或电容采用可调阵列式。

3.如权利要求1所述的片上低功耗高精度参考时钟，其特征在于，所述分频器为双模分频器。

4.如权利要求1所述的片上低功耗高精度参考时钟，其特征在于，所述分频比控制模块为累加器或Sigma-Delta调制器。

5.如权利要求1所述的片上低功耗高精度参考时钟，其特征在于，所述叠加模块为加法器。

6.如权利要求1所述的片上低功耗高精度参考时钟，其特征在于，所述第一校准模块和所述第二校准模块均包括第一寄存器、计数器、比较器和第二寄存器；

所述第一寄存器的输出端与所述比较器的第一输入端电连接，所述计数器的输出端与所述比较器的第二输入端电连接，所述比较器的输出端与所述第二寄存器的输入端电连接。

7.如权利要求1所述的片上低功耗高精度参考时钟，其特征在于，所述温度补偿模块包括依次电连接的温度传感器、模数转换器和译码器。