KR20140106589A - 충전 시간 측정 유닛을 이용한, 임베딩된 마이크로제어기 발진기의 정밀 온―보드 튜닝 - Google Patents
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Abstract
충전 시간 측정 유닛(CTMU)을 이용하는 임베딩된 클럭 발진기의 주기(들)의 정밀 측정은 시간, 온도 및 동작 조건 변경들의 범위에 걸쳐서 임베딩된 클럭 발진기의 소망하는 주파수 정확성을 유지한다. 상기 CTMU는 임베딩된 클럭 발진기의 자유 구동 주파수를 결정하고, 예를 들어 상기 소망하는 주파수의 0.25 퍼센트 이내의 상기 소망하는 주파수가 실행되고 또는 소망하는 주파수 정밀도를 유지하기 위해 상기 클럭 발진기의 주파수를 얼마만큼 및 어느 방향으로 조정할지의 표시이다는 것을 확인하기 위한 매우 정확한 주파수 (주기) 정보를 제공한다. 상기 임베딩된 클럭 발진기의 자동 주파수 조정은 그 발진기의 소망하는 정밀 주파수를 유지하도록 구현될 수 있다. 상기 CTMU의 정확도를 유지하기 위한 온도 및 전압 보상 프로파일들은 상기 임베딩된 클럭 발진기의 절대적인 주파수 정확성의 보다 나은 개선을 위해 테이블 예를 들어, 비휘발성 메모리 내에 저장될 수 있다.
Description
본 개시는 정밀 클럭 발진기를 필요로 하는 집적 회로 디바이스들에 관한 것으로, 특히 집적 회로 디바이스와 통합된 정밀 클럭 발진기를 갖는 집적 회로 디바이스들에 관한 것이다.
집적 회로 디바이스들이 보다 복잡하고 복합적인 주변장치들을 통합함에 따라, 내부 클럭 발진기의 정밀 구동 시간 제어가 필요하다. 예를 들어, USB 2.0 통합식 주변장치는 0.25 퍼센트 클럭 주파수의 정확성을 충족시켜야 한다. 전형적인 어플리케이션은 클럭 주파수를 그 정확도로 제어하기 위해 외부 크리스탈을 사용해야 할 것이다. 그러나 외부 크리스탈 주파수 결정 디바이스는 집적 회로 디바이스에서 내부 발진기 회로로의 접속을 위한 2개의 집적 회로 핀들을 필요로 한다. 이는 적은 핀 수의 집적 회로 디바이스들에서 문제가 되는데, 매우 적은 수의 패키지 핀들 중 2개가 외부 크리스탈 전용이어야 하기 때문이다.
내부 주파수 결정 소자들을 이용하는 집적 회로 디바이스 발진기는 크리스탈에의 접속을 위한 외부 핀들의 필요성을 제거할 것이다. 내부 주파수 결정 소자들을 갖는 이러한 발진기, 예를 들어 자체 포함된 발진기는 저항-커패시터(RC) 발진기일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 그러나 내부의 자체 포함된 RC 발진기는 집적 회로 디바이스의 제조시에 정밀하게 교정되었을 지라도 주파수 드리프트될 수 있다는 문제점이 있다. 이 드리프트는 패키지 스트레스, 제조 솔더링 스트레스, 온도 및/또는 전압 변화들 등에 기인할 수 있다.
따라서, 시간, 온도 및 동작 조건 변화들의 범위에 걸쳐서, 내부의 자체 포함된 클럭 발진기의 소망하는 주파수 정확성을 유지할 정밀 구동 시간 자기-튜닝 메커니즘이 필요하다.
실시예에 따르면, 충전 시간 측정 유닛(charge time measurement unit; CTMU)을 이용하여 자동으로 유지되는 정밀 주파수를 갖는 주파수 튜닝 가능한 내부의 클럭 발진기를 갖는 집적 회로 디바이스는, 알고 있는 값의 커패시터 및 알고 있는 값의 정전류원을 갖는 충전 시간 측정 유닛(CTMU); 주파수에서의 클럭 신호를 상기 CTMU에 공급하는 주파수 튜닝 가능한 클럭 발진기; 상기 CTMU에 결합된 아날로그-디지털 변환기(analog-to-digital converter; ADC); 및 메모리를 갖고, 상기 CTMU, 상기 주파수 튜닝 가능한 클럭 발진기 및 상기 ADC에 결합된 디지털 프로세서를 포함할 수 있고, 여기서, 클럭 신호의 주기의 시작을 나타내는 상기 클럭 신호의 제1 로직 천이의 검출시, 상기 디지털 프로세서는 상기 CTMU로 하여금 상기 알고 있는 값의 정전류원으로 상기 알고 있는 값의 커패시터를 충전하기 시작하게 하고, 상기 클럭 신호 주기의 종료를 나타내는 상기 클럭 신호의 제2 로직 천이의 검출시 상기 CTMU는 상기 커패시터의 충전을 중지하고, 상기 ADC는 상기 커패시터의 전압을 디지털 전압 값으로 샘플링 및 변환하고, 상기 디지털 프로세서는 상기 ADC로부터의 상기 디지털 전압 값을 판독하여 이 디지털 전압 값을 주기 시간 값으로 변환하고, 상기 디지털 프로세서는 상기 주기 시간 값을 기준 주기 시간 값과 비교하여, 상기 주기 시간 값이 상기 기준 주기 시간 값보다 크면, 상기 디지털 프로세서는 상기 주파수 튜닝 가능한 클럭 발진기로 하여금 그 주파수를 증가시키게 하고, 상기 주기 시간 값이 상기 기준 주기 시간 값보다 작으면, 상기 디지털 프로세서는 상기 주파수 튜닝 가능한 클럭 발진기로 하여금 그 주파수를 감소시키게 하고, 상기 주기 시간 값이 상기 기준 주기 시간 값과 실질적으로 동일하면, 상기 주파수 튜닝 가능한 클럭 발진기의 주파수는 변경되지 않는다.
다른 실시예에 따르면, 상기 주기 시간 값은 복수의 클럭 신호 주기들의 시간 값을 나타낸다. 또 다른 실시예에 따르면, 상기 CTMU는, 정전류원; 상기 정전류원에 결합된 전류 조종 스위치; - 상기 커패시터는 상기 전류 조종 스위치에 결합되고, 상기 전류 조종 스위치가 상기 정전류원을 상기 커패시터에 결합할 때, 상기 커패시터의 전압은 시간상 실질적으로 선형적으로 증가 - 및 상기 전류 조종 스위치를 제어하는 회로 - 상기 전류 조종 스위치는 상기 클럭 신호의 제1 로직 천이의 검출시 상기 커패시터를 상기 정전류원에 결합하고, 또한 클럭 신호의 제2 로직 천이의 검출시 상기 커패시터를 상기 정전류원으로부터 분리 - 를 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 상기 전류 조종 스위치 제어 회로는, 상기 클럭 신호에 결합되는 포지티브 에지 트리거식 클럭 입력 및 상기 디지털 프로세서에 결합되는 리셋 입력을 갖는 제1 플립-플롭; 상기 클럭 신호에 결합되는 입력을 갖는 인버터; 상기 인버터의 출력에 결합되는 포지티브 에지 트리거식 클럭 입력 및 상기 디지털 프로세서에 결합되는 리셋 입력을 갖는 제2 플립-플롭; 및 상기 제1 플립-플롭의 Q-출력에 결합되는 제1 입력, 상기 제2 플립-플롭의 Q-not 출력에 결합되는 제2 입력 및 상기 전류 조종 스위치의 제어 입력에 결합되는 출력을 갖는 AND 게이트를 포함할 수 있고; 여기서, 상기 디지털 프로세서는 상기 제1 및 제2 플립-플롭들을 리셋한다.
또 다른 실시예에 따르면, 상기 전류 조종 스위치 제어 회로는, 상기 클럭 신호에 결합되는 입력을 갖는 N-분주 주파수 분주기; 상기 N-분주 주파수 분주기의 출력에 결합되는 포지티브 에지 트리거식 클럭 입력 및 상기 디지털 프로세서에 결합되는 리셋 입력을 갖는 제1 플립-플롭; 상기 N-분주 주파수 분주기의 출력에 결합되는 입력을 갖는 인버터; 상기 인버터의 출력에 결합되는 포지티브 에지 트리거식 클럭 입력 및 상기 디지털 프로세서에 결합되는 리셋 입력을 갖는 제2 플립-플롭; 및 상기 제1 플립-플롭의 Q-출력에 결합되는 제1 입력, 상기 제2 플립-플롭의 Q-not 출력에 결합되는 제2 입력 및 상기 전류 조종 스위치의 제어 입력에 결합되는 출력을 갖는 AND 게이트를 포함할 수 있고; 상기 디지털 프로세서는 상기 제1 및 제2 플립-플롭들 및 상기 N-분주 주파수 분주기를 리셋한다.
또 다른 실시예에 따르면, 상기 ADC는 축차적 근사형 ADC이다. 또 다른 실시예에 따르면, 상기 ADC는 시그마-델타 ADC이다. 또 다른 실시예에 따르면, 전압 샘플링 회로는 상기 커패시터의 전압을 샘플링하고 또한 상기 샘플링된 전압을 상기 시그마-델타 ADC에 결합한다.
또 다른 실시예에 따르면, 상기 디지털 프로세서는 알고 있는 값의 커패시턴스로부터의 클럭 신호 주기 시간 값 및 상기 전압의 디지털 표현을 계산한다. 또 다른 실시예에 따르면, 상기 디지털 프로세서는 마이크로제어기이다. 또 다른 실시예에 따르면, 상기 디지털 프로세서는 마이크로제어기, 디지털 신호 프로세서(DSP), 프로그램가능 로직 어레이(PLA) 및 주문형 반도체(ASIC)로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 또 다른 실시예에 따르면, 상기 CTMU, 상기 주파수 튜닝 가능한 클럭 발진기, 상기 ADC 및 상기 디지털 프로세서는 집적 회로 다이에서 제조된다. 또 다른 실시예에 따르면, 상기 집적 회로 다이는 집적 회로 패키지 내에 넣어진다.
또 다른 실시예에 따르면, 상기 주파수 튜닝 가능한 클럭 발진기는 업/다운 컨버터 및 복수의 2진 가중된 주파수 결정 소자들을 포함한다. 또 다른 실시예에 따르면, 상기 주파수 결정 소자들은 커패시터들, 저항들, 인덕터들, 및 정전류원들로 이루어진 그룹 중 임의의 하나 이상으로부터 선택된다. 또 다른 실시예에 따르면, 상기 튜닝 가능한 클럭 발진기의 주파수는 소망하는 주파수의 적어도 0.25 퍼센트 내에서 유지된다. 또 다른 실시예에 따르면, 온도 센서는 상기 디지털 프로세서에 결합되고, 또한 온도 보상 룩업 테이블은 상기 메모리 내에 저장되고, 동작 온도 범위에 걸쳐 상기 CTMU를 보상하는데 사용된다. 또 다른 실시예에 따르면, 전압 센서는 상기 디지털 프로세서에 결합되고, 전압 보상 룩업 테이블은 상기 메모리 내에 저장되고 동작 전압 범위에 걸쳐 상기 CTMU를 보상하는데 사용된다.
또 하나의 실시예에 따르면, 정밀 주파수에서 집적 회로 디바이스 내의 클럭 발진기를 유지하기 위한 방법은, 알고 있는 값의 커패시터 및 알고 있는 값의 정전류원을 갖는 충전 시간 측정 유닛(CTMU)을 제공하는 단계; 주파수에서의 클럭 신호를 상기 CTMU에 공급하는 주파수 튜닝 가능한 클럭 발진기를 제공하는 단계; 상기 CTMU에 결합된 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 제공하는 단계; 및 메모리를 갖고, 상기 CTMU, 상기 주파수 튜닝 가능한 클럭 발진기 및 상기 ADC에 결합된 디지털 프로세서를 제공하는 단계를 포함할 수 있고, 상기 클럭 신호의 주기의 시작을 나타내는 클럭 신호의 제1 로직 천이의 검출시 상기 디지털 프로세서에 의해 상기 CTMU는 알고 있는 값의 정전류원으로써 상기 알고 있는 값의 커패시터의 충전을 시작하고, 상기 클럭 신호 주기의 종료를 나타내는 상기 클럭 신호의 제2 로직 천이의 검출시 상기 CTMU는 상기 커패시터의 충전을 중지하고, 상기 ADC로써 상기 커패시터의 전압을 디지털 전압 값으로 샘플링 및 변환하고, 상기 디지털 프로세서로써 상기 ADC로부터의 상기 디지털 전압 값을 판독하고, 상기 디지털 프로세서로써 디지털 전압 값을 주기 시간 값으로 변환하고, 상기 디지털 프로세서로써 상기 주기 시간 값을 기준 주기 시간 값과 비교하여, 상기 주기 시간 값이 기준 주기 시간 값보다 크면, 상기 튜닝 가능한 클럭 발진기의 주파수를 증가시키고, 상기 주기 시간 값이 기준 주기 시간 값보다 작으면, 상기 튜닝 가능한 클럭 발진기의 주파수를 감소시키고, 상기 주기 시간 값이 상기 기준 주기 시간 값과 실질적으로 동일하면, 상기 튜닝 가능한 클럭 발진기의 주파수를 변경하지 않는다. 상기 방법의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 주기 시간 값은 복수의 클럭 신호 주기들의 시간 값을 나타낸다.
본 발명에 의하면, 시간, 온도 및 동작 조건 변화들의 범위에 걸쳐서, 내부의 자체 포함된 클럭 발진기의 소망하는 주파수 정확성을 유지할 정밀 구동 시간 자기-튜닝 메커니즘이 제공된다.
도 1은 정전류원으로부터 충전되는 커패시터의 시간-전압 그래프를 도시한다.
도 2는 본 개시의 교시들에 따른, 고분해능 시간 주기 측정 회로의 개략도를 도시한다.
도 3은 도 2의 고분해능 시간 주기 측정 회로의 개략적인 타이밍도를 도시한다.
도 4는 본 개시의 특정 예시의 실시예에 따른, 발진기의 정밀 주파수 결정 및 튜닝을 위해 CTMU를 이용하는 발진기의 온(on)-보드 튜닝을 갖는 내부 클럭 발진기를 구비한 집적 회로 디바이스의 개략적인 블록도를 도시한다.
도 5는 도 4에 도시한 내부 클럭 발진기 및 그의 튜닝 회로들의 보다 상세한 개략적인 블록도를 도시한다.
도 6은 본 개시의 특정 예시의 실시예에 따른, 도 5에 도시된 주파수 결정 회로의 개략도를 도시한다.
도 2는 본 개시의 교시들에 따른, 고분해능 시간 주기 측정 회로의 개략도를 도시한다.
도 3은 도 2의 고분해능 시간 주기 측정 회로의 개략적인 타이밍도를 도시한다.
도 4는 본 개시의 특정 예시의 실시예에 따른, 발진기의 정밀 주파수 결정 및 튜닝을 위해 CTMU를 이용하는 발진기의 온(on)-보드 튜닝을 갖는 내부 클럭 발진기를 구비한 집적 회로 디바이스의 개략적인 블록도를 도시한다.
도 5는 도 4에 도시한 내부 클럭 발진기 및 그의 튜닝 회로들의 보다 상세한 개략적인 블록도를 도시한다.
도 6은 본 개시의 특정 예시의 실시예에 따른, 도 5에 도시된 주파수 결정 회로의 개략도를 도시한다.
본 개시는 첨부 도면들과 함께 이하의 설명을 참조하면 보다 완전하게 이해될 수 있다.
본 개시는 다양한 변형들 및 대안적인 형태들이 가능하며, 그 특정 예시의 실시예들은 도면에서 도시되었고 또한 여기에서 상세하게 설명된다. 그러나, 특정 예시의 실시예들에 대한 여기서의 설명은 여기에서 개시된 특정 형태들로 개시를 한정하고자 하는 것이 아니고 오히려, 본 개시는 부속 청구범위들에 의해 정의된 모든 변형들 및 균등물들을 포괄하는 것으로 이해해야 할 것이다.
본 개시의 교시들에 따르면, 충전 시간 측정 유닛(Charge Time Measurement Unit; CTMU)은 내부의 자체 포함된 클럭 발진기의 자유 구동 주파수를 결정하는데 사용되고, 또한 예를 들어, 소망 주파수의 0.25 퍼센트 이내의 소망하는 정밀 클럭 주파수가 실행되고 또는 소망하는 주파수 정밀도를 유지하기 위해 클럭 발진기의 주파수를 얼마만큼 및 어느 방향으로 조정할지의 표시이다는 것을 확인하기 위한 매우 정확한 주파수 (주기) 정보를 제공한다. 내부의 자체 포함된 클럭 발진기의 자동 주파수 조정은 그 발진기의 소망하는 정밀 주파수를 유지하도록 구현될 수 있다. CTMU의 정확성을 유지하기 위한 온도 및 전압 보상 프로파일들은 상기 내부의 자체 포함된 클럭 발진기의 절대적인 주파수 정확성의 보다 나은 개선을 위한 테이블, 예를 들어 비휘발성 메모리 내에 저장될 수 있다.
CTMU는 www.microchip.com에서 입수할 수 있는 마이크로칩 출원 노트들 AN1250, AN1375 등, 및 미국 특허 제 7,460,441 B2 호 및 7,764,213 B2 호에 더욱 상세하게 개시되어 있는데; 이들은 모두 모든 목적들을 위해 본 출원에 전체적으로 참고로 통합된다. CTMU 기간/주파수 측정 정확성은 클럭 주파수의 주기 또는 주기들에 걸쳐 알고 있는 값의 정전류원으로써 알고 있는 값의 커패시터를 충전한 다음, 상기 커패시터에 전개되는 전압을 샘플링함으로써 달성된다. 이후 이 샘플링된 전압은 아날로그-디지털 변환기(ADC)에 의해 디지털 값으로 변환되고, 상기 샘플링된 전압의 디지털 값을 주기 기준 값과 비교하도록 주기 (주파수) 값으로 변환하기 위해 룩업 테이블 또는 다른 수단이 사용될 수 있다. 상기 주기 값이 상기 주기 기준 값보다 크면, 발진기 주파수는 주파수가 상향 조정되어야 하며, 상기 주기 값이 상기 주기 기준 값보다 작으면, 발진기 주파수는 주파수가 하향 조정되어야 한다. 상기 주기 값이 허용가능한 범위, 예를 들어 소망하는 주파수의 0.25 퍼센트 이내에 있으면, 발진기 주파수의 조정은 요구되지 않는다.
발진기 주파수는 주파수 결정 회로를 포함하는 커패시터들 및/또는 저항들을 스위칭 인(in) 또는 아웃함으로써 아날로그 및/또는 디지털 수단을 통해 조정될 수 있고, 전압 가변 발진기에 대한 전압은 발진기 주파수를 상향 또는 하향 변경하도록 조정될 수 있고, 전류 가변 발진기에 대한 전류는 발진기 주파수를 상향 또는 하향 변경하도록 조정될 수 있다, 등등. 디지털 프로세서 예를 들어, 마이크로제어기는 소망하는 발진기 주파수 정밀도의 유지가 필요한 경우, CTMU를 제어하고, CTMU 커패시터 상의 전압 충전을 샘플링하고, 발진기 주파수(주기)를 결정하고 발진기 주파수에 대한 정정을 유도하는데 사용될 수 있다. 이는 모두 집적 회로 디바이스의 유저에게는 명백한 자동 폐쇄 루프 방식에서 발생할 수 있다.
도면을 보면, 특정 실시예들의 세부사항들이 개략적으로 도시되어 있다. 도면들에 있어서, 동일한 요소들에 대해서는 동일한 번호들로 나타내고, 유사한 요소들은 동일한 번호들에 다른 소문자 첨자를 붙여서 나타낸다.
도 1에는 정전류원으로부터 충전되는 커패시터의 시간-전압 그래프가 도시되어 있다. 커패시터(118)가 정전류원(104)을 통해 충전되는 경우, 커패시터(118)에 걸리는 전압 V는 다음 식(1)에 따라 시간적으로 선형적으로 증가한다.
I = C * dV/dT 식 (1)
여기서, C는 커패시터(118)의 커패시턴스 값이고, I는 정전류원(104)로부터의 전류이고, V는 시간 T에서 커패시터(118)의 전압이다. 전류 I, 시간 T 및 전압 V 중 임의의 2개의 값들을 알고 있는 경우에, 다른 나머지 모르는 값은 2개의 알고 있는 값들로부터 계산될 수 있다. 예를 들어, 커패시터(118)의 커패시턴스와 상기 정전류원(104)으로부터의 충전 전류를 알고 있는 경우, 전압 V1에서의 시간 T1 및 전압 V2에서의 시간 T2는 결정될 수 있다. 유사한 방식으로, 전압들 V1 및 V2(예를 들어, V1과 V2 사이의 전압 차)와 시간 T1 및 T2 사이의 경과 시간을 알고 있으면, 커패시턴스 C가 결정될 수 있다.
도 2에는 본 개시의 교시들에 따른 고분해능 시간 주기 측정 회로의 개략도가 도시되어 있다. 일반적으로 도면번호 200으로 나타낸 고분해능 시간 측정 회로는 정전류원(104), 전류 조종 스위치들(112 및 114), 커패시터(118), 전압 샘플 스위치(116) 및 전하 드레인 스위치(120)를 포함할 수 있다. 커패시터(118)는 커패시터(118)의 임의의 전하(전압)가 제거되도록(그라운드 또는 공통단자 VSS로의 단락) 전하 드레인 스위치(120)를 폐쇄함으로써 실질적으로 제로 전하량으로 초기화될 수 있다. 커패시터(118)의 초기 전하량(전압)은 또한 전압 샘플 스위치(116)를 폐쇄함으로써 아날로그-디지털 변환기(ADC)(108) 예를 들어, 시그마-델타에 의해 그 전압을 샘플링함으로써 결정될 수 있다. 커패시터(118)는 전압 샘플 스위치(116)가 불필요한 스위칭된 커패시터 축차 근사형 아날로그-디지털 변환기의 일부일 수 있다.
상기 전류 조종 스위치들(112 및 114)은 여기에서 보다 상세히 논의되는 다른 디지털 로직 및 아날로그 회로들을 또한 포함할 수 있는 집적 회로 기판(도시되지 않음)상에 집적되는 전계 효과 트랜지스터들 및 유사의 것일 수 있다. 전류 조종 스위치들(112 및 114)은 정전류원(104)이 항상 부하를 확인하도록 구성되는데 예를 들어, 스위치(114)가 폐쇄되고 스위치(112)가 개방될 때, 정전류원(104)은 공통단자 VSS에 연결되고, 스위치(112)가 폐쇄되고 스위치(114)가 개방될 때, 정전류원(104)은 커패시터(118)에 연결된다. 전류 조종 스위치들(112 및 114)은 시작/중지 제어 신호(133)로부터 제어될 수 있다. 예를 들어, 시작/중지 제어 신호(133)가 로직 "0"(로우)에 있는 경우, 스위치(114)가 폐쇄되고 스위치(112)는 개방되며, 또는 시작/중지 제어 신호(133)가 로직 "1"(하이)에 있는 경우, 스위치(114)는 개방되고 스위치(112)는 폐쇄된다. 정전류원(104)은 전술한 식 1에 의해 결정되는 바와 같이 전류 조종 스위치(112)가 폐쇄되는 시간 길이에 직접 의존하는 전압 값으로 상기 커패시터(118)를 충전한다.
상기 시작/중지 제어 신호(133)는 시간 주기가 결정되어지는 이벤트의 개시(시작)에서 포지티브(예를 들어, 로직 0에서 로직 1로) 천이(예를 들어, ↑클럭 에지 1)의 발생시 로직 1로 진행한다. 전류 조종 스위치(112)가 상기 시간 주기가 결정되어지는 이벤트의 종료에서 네거티브(예를 들어, 로직 1에서 로직 0으로) 천이(예를 들어, ↓클럭 에지 2)의 발생시 로직 0으로 되돌아가는 시작/중지 제어 신호(133)에 의해 개방될 때까지 커패시터(118)는 정전류원(104)에 의해 충전될 것이다.
시작/중지 제어 신호(133)는 제1 플립-플롭(126), 제2 플립-플롭(128), AND 게이트(124) 및 인버터(136)를 포함하는 로직 회로에 의해 발생될 수 있다. 이벤트의 발생 이전에, 상기 제1 및 제2 플립-플롭들(126 및 128)은 (뿐만 아니라 사용된다면 N-분주 카운터(138)도) 상기 제1 및 제2 플립-플롭들(126 및 128)의 Q-출력들이 로직 0에 있도록 디지털 프로세서(106)로부터 CTMU 리셋 신호(130)에 의해 리셋된다. 로직 0에 있는 이들 Q-출력들은 AND 게이트(124) 출력이 로직 0에 있도록 한다. AND 게이트(124)의 출력은 시작/중지 제어 신호(133)를 생성한다. 상기 ↑이벤트 에지 1이 상기 제1 플립-플롭(126)의 클럭 입력에서 발생한 경우, 플립-플롭의 Q-출력은 로직 1로 된다. 제2 플립-플롭(128)의 Q-not 출력이 또한 로직 1에 있으므로, AND 게이트(124)의 출력은 로직 1로 되어서 시작/중지 제어 신호(133)를 위한 로직 1을 생성할 것이다. 제1 및 제2 플립-플롭들(126 및 128)은 (플립-플롭의 클럭 입력으로의 신호가 로직 0(로우)로부터 로직 1(하이)로 될 때) 포지티브 에지 트리거된다.
시작/중지 제어 신호(133)가 로직 1에 있을 때, 전류 조종 스위치(112)가 폐쇄(턴 온)되어 정전류원(104)이 커패시터(118)의 충전을 시작한다. 상기 시작/중지 제어 신호(133)가 로직 0으로 되돌아 가서 전류 조종 스위치(112)를 개방(턴 오프)할 때까지 정전류원(104)은 커패시터(118)의 충전을 지속한다. 이 특정 예에 있어서, AND 게이트(124)의 출력(즉, 시작/중지 제어 신호(133))은 그의 입력들 중 하나 이상이 로직 0에 있을 때 로직 0으로 된다. ↓클럭 에지 2가 제2 플립-플롭(128)의 클럭 입력에서 발생할 때, AND 게이트(124)의 입력에서 로직 0이 생성된다. 따라서 커패시터(118)는 단지 ↑클럭 에지 1과 ↓클럭 에지 2의 발생들 사이에서 충전한다. 플립-플롭들(126 및 128)을 토글링(toggling)하는 이러한 시퀀스는 단지 한번만 발생할 수 있고, CTMU 리셋 신호(130)는 클럭 주파수의 또 다른 시간 주기 샘플이 다시 취득되기 이전에 상기 디지털 프로세서(106)로부터 전송되어야 한다. 따라서 디지털 프로세서(106)는 프로그램된 간격들로 클럭 주파수를 샘플링할 수 있고, 여기서, 상기 간격들은 집적 회로 디바이스(집적 회로 다이(202))의 클럭 주파수 드리프트 특성들 및 그에 필요한 임의의 주파수 조정들에 의해 결정될 수 있다.
↓클럭 에지 2 이후 아날로그-디지털 변환기(ADC)(108)에 의해 커패시터(118)의 전압을 측정함으로써, ↑클럭 에지 1와 ↓클럭 에지 2 사이의 시간 간격(주기)의 전압 표본은 매우 정밀한 분해능으로 시간 간격(클럭 신호의 주기)을 계산하기 위해 커패시터(118)의 알려진 커패시턴스 값과 함께 사용될 수 있다. 예를 들어, 이벤트 시간 주기의 계산은 커패시터(118)의 측정된 전압과 알고 있는 그 커패시턴스 값을 이용하여 전술한 식(1)의 계산들을 수행하는 디지털 프로세서(106)에 의해 결정될 수 있다. 따라서 시간 기간 측정 정밀도는 ADC(108) 분해능, 예를 들어 10 또는 12 비트, 및 커패시터(118)의 측정된 커패시턴스의 정확도의 함수이다. 클럭 신호의 시간 주기의 분해능에서의 추가 개선은 시간 간격(클럭 신호의 주기)을 결정함에 있어서 ADC 분해능의 보다 정밀한 입도(granularity)를 허용하는 N-분주 카운터(138)에 의해 성취될 수 있다. ADC 출력 및 주기 시간은 또한, 커패시터(118)에서 측정된 각각의 충전 전압을 상관시키기(correlate) 위한 외부의 고정확 주파수 측정 디바이스 예를 들어, 주파수 카운터, 및 상기 메모리(140)의 비휘발성 부분에 저장된 상관된 결과들을 이용하여 집적 회로 디바이스의 제조 동안 또는 현장에서 미세 튜닝될 수 있다.
충전 드레인 스위치(120) 및 전압 샘플 스위치(116)는 단지 표준 샘플 및 홀드 동작들을 위한 것으로, 여기서, 커패시터(118)는 상기 ADC(108)의 아날로그 입력에 샘플링된 아날로그 전압을 공급하는 샘플 및 홀드 회로의 일부분일 수 있거나 또는 축차적 근사형 ADC의 일부분일 수 있다. 고분해능 시간 주기 측정 회로(200)는 집적 회로 다이(202) 상에 제조될 수 있으며, 집적 회로 다이(202)는 집적 회로 패키지(도시되지 않음) 내에 넣어질 수 있다. 전술한 고분해능 시간 주기 측정 회로(200)는 www.microchip.com에서 입수가능한 마이크로칩 출원 노트들 AN1250, AN1375 등과 미국 특허 제7,460,441 B2호 및 제7,764,213 B2호에 더욱 상세하게 기재된 충전 시간 측정 유닛(CTMU) 주변장치들에 의해 구현될 수 있는데; 이 모든 문헌들은 모든 목적들을 위해 여기에 참조로 통합된다.
메모리(140)는 휘발성 및/또는 비휘발성 메모리일 수 있다. 소프트웨어 및/또는 펌웨어 동작 프로그램, 및 온도 및/또는 전압 보상 테이블(들)이 상기 디지털 프로세서(106)에 결합된 메모리(140) 내에 저장될 수 있다. 온도 및/또는 전압 보상 테이블(들)은 위에서 참조된 주파수를 측정하고, 온도 및/또는 전압의 함수로서 그 주파수에 임의의 변경들을 상관시킴으로써 집적 회로 디바이스의 테스팅 동안 정의될 수 있다.
도 3에는 도 2의 고분해능 시간 주기 측정 회로의 개략적인 타이밍도가 도시되어 있다. 상부의 타이밍도에서, 클럭 에지 1과 클럭 에지 2 사이의 클럭 신호의 시간 주기가 취해져 있다. 하부의 타이밍도에서, 클럭 신호 주기의 4배의 시간 주기가 취해져 있다. 이는 N-분주 카운터(138)를 이용하여 획득되고, 또한 결과적으로 더 정밀한 입도의 시간 분해능을 얻게 된다. 클럭 발진기의 임의의 주파수 드리프트는 일반적으로 클럭 신호의 주기에 비해 긴 시간 주기에 걸쳐 있을 것이므로, 클럭 주파수가 소망하는 주파수 허용 오차 내에 있는 경우에, 클럭 발진기 주기의 샘플은 단지 간헐적인 간격들로 발생할 필요가 있다. 클럭 주파수가 소망하는 주파수 허용 오차 내로 클럭 주파수를 다시 가져오도록 변경되어야 할 경우에만, 클럭 주파수 기간의 보다 빈번한 샘플링이 요구되는데, 예를 들어 모든 주파수 변경 이후에 클럭 주파수가 소망하는 주파수 허용 오차 내에 있을 때까지 새로운 시간 주기 측정이 행해진다.
도 4에는, 본 개시의 특정 예시의 실시예에 따른, 정밀 주파수 결정 및 그 튜닝을 위해 CTMU를 이용하는 발진기의 온-보드 튜닝을 갖는 내부 클럭 발진기를 구비한 집적 회로 디바이스의 개략 블록도가 도시되어 있다. 집적 회로 디바이스(202)는 클럭 발진기(240), 발진기 튜닝 회로(242), CTMU(200), ADC(108), 및 디지털 프로세서(106)를 포함한다. 디지털 프로세서(106)는 예를 들어 마이크로제어기, 마이크로프로세서, 디지털 신호 처리기(DSP), 프로그램가능 논리 어레이(PLA), 주문형 반도체(ASIC) 등일 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
클럭 발진기(240)의 출력은 CTMU(200)의 클럭 입력에 결합된다. CTMU(200) 및 ADC(108)는, 도 2 및 도 3에 도시되고 전술한 바와 같이, 클럭 발진기(240)의 주기(들)을 정밀하게 결정하는데 사용된다. 클럭 주기(주파수)가 소망하는 클럭 주기(주파수)보다 큰(작은) 경우에, 디지털 프로세서(106)는 증분 신호(132)를 발진기 튜닝 회로(242)에 전송하고, 이 발진기 튜닝 회로는 다시 클럭 발진기(240)의 주파수를 증가시킨다. 클럭 주기(주파수)가 소망하는 클럭 주기(주파수)보다 작으면(크면), 디지털 프로세서(106)는 감소 신호(134)를 발진기 튜닝 회로(242)에 전송하고, 발진기 튜닝 회로(242)는 다시 클럭 발진기(240)의 주파수를 감소시킬 것이다. 클럭 주기가 소망하는 클럭 주기(주파수)와 실질적으로 동일하면, 디지털 프로세서(106)는 발진기 튜닝 회로(242)로 하여금 클럭 발진기(240)의 주파수를 변경하기 위한 어떠한 것도 하지 않을 것이다.
온도 센서(142) 및/또는 전압 센서(144)는 센서의 출력에 의존하여 아날로그 또는 디지털 인터페이스를 통해 디지털 프로세서(106)에 결합될 수 있다. 온도 센서(142)는 메모리(140)에 저장된 온도 보상 테이블로부터 CTMU의 온도 보상을 결정하는데 이용될 수 있다. 전압 센서(144)는 메모리(140)에 저장된 전압 보상 테이블로부터 CTMU의 전압 보상을 결정하는데 이용될 수 있다.
도 5에는 도 4에서 도시한 내부 클럭 발진기 및 그 튜닝 회로들의 보다 상세한 개략 블록도가 도시되어 있다. 상기 발진기 튜닝 회로(242)는 업/다운 카운터(210) 및 주파수 결정 회로(220)를 포함할 수 있다. 상기 업/다운 카운터(210)는 특정 카운트로써 상기 디지털 프로세서(106)로부터 프리로딩(preloading)될 수 있다. 이 특정 카운트는 집적 회로 디바이스의 제조시, 또는 상기 집적 회로 디바이스의 교정 동안 유저에 의해 현장에서 결정될 수 있다. 상기 클럭 주파수가 소망하는 클럭 주파수 보다 큰 경우, 상기 주파수 결정 회로가 클럭 발진기 주파수를 증가시키도록 상기 업/다운 카운터(210)에 대한 감소 신호(134)가 어서트(assert)되고, 상기 클럭 주파수가 소망하는 클럭 주파수보다 작은 경우, 상기 주파수 결정 회로가 상기 클럭 발진기 주파수를 상승시키도록 업/다운 카운터(210)에 대한 증가 신호(132)가 어서트된다.
주파수 결정 회로(220)는 커패시터들(도 6), 저항들(도시되지 않음), 인덕터들(도시되지 않음), 정전류원들(도시되지 않음) 등 또는 이들의 임의의 조합 등과 같은 부품들로 구성될 수 있다. 상기 주파수 결정 회로(220)의 튜닝 성분 값들은 업/다운 카운터(210)의 2진(또는 BCD) 출력들(Q3-Q0)에 따라 증가 및 감소될 수 있다. 따라서, 클럭 발진기(240)의 주파수는 변화할 것이다. 주파수 변경 분해능은 상기 업/다운 카운터(210)의 비트들의 수로 결정될 수 있다.
도 6을 보면, 본 개시의 특정 예시의 실시예에 따른, 도 5에 도시된 주파수 결정 회로의 개략도가 도시되어 있다. 주파수 결정 회로(220)(도 5)는 클럭 발진기(240)에 결합되고 상기 클럭 발진기의 주파수를 결정하는 복수의 2진 가중된 커패시터들(250)로 구성될 수 있다. 저항들 및/또는 전류원들은 또한 유사한 방식으로 이용될 수 있으며, 그 구현은 디지털 회로 설계 분야의 통상의 기술을 가지고 있고 본 개시의 혜택을 가지고 있는 자에게 알려져 있을 것이다.
본 발명의 실시예들이 예시적으로 도시되었고 설명되었고 정의되어 있지만, 그러한 실시예들은 본 발명을 제한함을 의미하지 않으며, 그러한 제한도 추론되어서는 안된다. 개시된 본 발명은 형태 및 기능에서, 관련 기술 분야에서 통상의 기술을 갖고 본 발명의 혜택을 갖는 사람들에게는 상당한 수정, 변경 및 균등물들이 가능하다. 본 발명의 도시되고 설명된 실시예들은 단지 예시들이며, 본 발명의 범위를 제한하지 않는다.
Claims (20)
- 충전 시간 측정 유닛(charge time measurement unit; CTMU)을 이용하여 자동으로 유지되는 정밀 주파수를 갖는 주파수 튜닝 가능한 내부의 클럭 발진기를 갖는 집적 회로 디바이스로서,
알고 있는 값의 커패시터 및 알고 있는 값의 정전류원을 갖는 충전 시간 측정 유닛(CTMU);
주파수에서의 클럭 신호를 상기 CTMU에 공급하는 주파수 튜닝 가능한 클럭 발진기;
상기 CTMU에 결합된 아날로그-디지털 변환기(analog-to-digital converter; ADC); 및
메모리를 갖는 디지털 프로세서로서, 상기 CTMU, 상기 주파수 튜닝 가능한 클럭 발진기 및 상기 ADC에 결합되는 상기 디지털 프로세서를 포함하고,
상기 클럭 신호의 주기의 시작을 나타내는 상기 클럭 신호의 제1 로직 천이의 검출시, 상기 디지털 프로세서는 상기 CTMU로 하여금 상기 알고 있는 값의 정전류원으로 상기 알고 있는 값의 커패시터를 충전하기 시작하게 하고,
상기 클럭 신호 주기의 종료를 나타내는 상기 클럭 신호의 제2 로직 천이의 검출시 상기 CTMU는 상기 커패시터의 충전을 중지하고,
상기 ADC는 상기 커패시터의 전압을 디지털 전압 값으로 샘플링 및 변환하고,
상기 디지털 프로세서는 상기 ADC로부터의 상기 디지털 전압 값을 판독하여 이 디지털 전압 값을 주기 시간 값으로 변환하고,
상기 디지털 프로세서는 상기 주기 시간 값을 기준 주기 시간 값과 비교하여,
상기 주기 시간 값이 상기 기준 주기 시간 값보다 크면, 상기 디지털 프로세서는 상기 주파수 튜닝 가능한 클럭 발진기로 하여금 그 주파수를 증가시키게 하고,
상기 주기 시간 값이 상기 기준 주기 시간 값보다 작으면, 상기 디지털 프로세서는 상기 주파수 튜닝 가능한 클럭 발진기로 하여금 그 주파수를 감소시키게 하고,
상기 주기 시간 값이 상기 기준 주기 시간 값과 동일하면, 상기 주파수 튜닝 가능한 클럭 발진기의 주파수는 변경되지 않는 집적 회로 디바이스.
- 제1항에 있어서,
상기 주기 시간 값은 복수의 클럭 신호 주기들의 시간 값을 나타내는 집적 회로 디바이스.
- 제1항에 있어서,
상기 CTMU는,
정전류원;
상기 정전류원에 결합된 전류 조종 스위치, - 상기 커패시터는 상기 전류 조종 스위치에 결합되고, 상기 전류 조종 스위치가 상기 정전류원을 상기 커패시터에 결합할 때, 상기 커패시터의 전압은 시간상 선형적으로 증가 -; 및
상기 전류 조종 스위치를 제어하는 회로, - 상기 전류 조종 스위치는 상기 클럭 신호의 제1 로직 천이의 검출시 상기 커패시터를 상기 정전류원에 결합하고, 또한 클럭 신호의 제2 로직 천이의 검출시 상기 커패시터를 상기 정전류원으로부터 분리 -;를 포함하는 집적 회로 디바이스.
- 제3항에 있어서,
상기 전류 조종 스위치 제어 회로는,
상기 클럭 신호에 결합되는 포지티브 에지 트리거식 클럭 입력 및 상기 디지털 프로세서에 결합되는 리셋 입력을 갖는 제1 플립-플롭;
상기 클럭 신호에 결합되는 입력을 갖는 인버터;
상기 인버터의 출력에 결합되는 포지티브 에지 트리거식 클럭 입력 및 상기 디지털 프로세서에 결합되는 리셋 입력을 갖는 제2 플립-플롭; 및
상기 제1 플립-플롭의 Q-출력에 결합되는 제1 입력, 상기 제2 플립-플롭의 Q-not 출력에 결합되는 제2 입력 및 상기 전류 조종 스위치의 제어 입력에 결합되는 출력을 갖는 AND 게이트를 포함하고,
상기 디지털 프로세서는 상기 제1 및 제2 플립-플롭들을 리셋하는 집적 회로 디바이스.
- 제3항에 있어서,
상기 전류 조종 스위치 제어 회로는,
상기 클럭 신호에 결합되는 입력을 갖는 N-분주 주파수 분주기;
상기 N-분주 주파수 분주기의 출력에 결합되는 포지티브 에지 트리거식 클럭 입력 및 상기 디지털 프로세서에 결합되는 리셋 입력을 갖는 제1 플립-플롭;
상기 N-분주 주파수 분주기의 출력에 결합되는 입력을 갖는 인버터;
상기 인버터의 출력에 결합되는 포지티브 에지 트리거식 클럭 입력 및 상기 디지털 프로세서에 결합되는 리셋 입력을 갖는 제2 플립-플롭; 및
상기 제1 플립-플롭의 Q-출력에 결합되는 제1 입력, 상기 제2 플립-플롭의 Q-not 출력에 결합되는 제2 입력 및 상기 전류 조종 스위치의 제어 입력에 결합되는 출력을 갖는 AND 게이트를 포함하고,
상기 디지털 프로세서는 상기 제1 및 제2 플립-플롭들 및 상기 N-분주 주파수 분주기를 리셋하는 집적 회로 디바이스.
- 제1항에 있어서,
상기 ADC는 축차적 근사형 ADC인 집적 회로 디바이스.
- 제1항에 있어서,
상기 ADC는 시그마-델타 ADC인 집적 회로 디바이스.
- 제7항에 있어서,
상기 커패시터의 전압을 샘플링하고 또한 상기 샘플링된 전압을 상기 시그마-델타 ADC에 결합하는 전압 샘플링 회로를 더 포함하는 집적 회로 디바이스.
- 제1항에 있어서,
상기 디지털 프로세서는 알고 있는 값의 커패시턴스로부터의 클럭 신호 주기 시간 값 및 상기 전압의 디지털 표현을 계산하는 집적 회로 디바이스.
- 제1항에 있어서,
상기 디지털 프로세서는 마이크로제어기인 집적 회로 디바이스.
- 제1항에 있어서,
상기 디지털 프로세서는 마이크로제어기, 디지털 신호 프로세서(DSP), 프로그램가능 로직 어레이(PLA) 및 주문형 반도체(ASIC)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 집적 회로 디바이스.
- 제1항에 있어서,
상기 CTMU, 상기 주파수 튜닝 가능한 클럭 발진기, 상기 ADC 및 상기 디지털 프로세서는 집적 회로 다이에서 제조되는 집적 회로 디바이스.
- 제12항에 있어서,
상기 집적 회로 다이는 집적 회로 패키지 내에 넣어지는 집적 회로 디바이스.
- 제1항에 있어서,
상기 주파수 튜닝 가능한 클럭 발진기는 업/다운 컨버터 및 복수의 2진 가중된 주파수 결정 소자들을 포함하는 집적 회로 디바이스.
- 제14항에 있어서,
상기 주파수 결정 소자들은 커패시터들, 저항들, 인덕터들, 및 정전류원들로 이루어진 그룹 중 임의의 하나 이상으로부터 선택되는 집적 회로 디바이스.
- 제14항에 있어서,
상기 튜닝 가능한 클럭 발진기의 주파수는 소망하는 주파수의 적어도 0.25 퍼센트 내에서 유지되는 집적 회로 디바이스.
- 제1항에 있어서,
상기 디지털 프로세서에 결합되는 온도 센서, 및 상기 메모리 내에 저장되고, 동작 온도 범위에 걸쳐 상기 CTMU를 보상하는데 사용되는 온도 보상 룩업 테이블을 더 포함하는 집적 회로 디바이스.
- 제1항에 있어서,
상기 디지털 프로세서에 결합되는 전압 센서, 및 상기 메모리 내에 저장되고, 동작 전압 범위에 걸쳐 상기 CTMU를 보상하는데 사용되는 전압 보상 룩업 테이블을 더 포함하는 집적 회로 디바이스.
- 정밀 주파수에서 집적 회로 디바이스 내의 클럭 발진기를 유지하기 위한 방법으로서,
알고 있는 값의 커패시터 및 알고 있는 값의 정전류원을 갖는 충전 시간 측정 유닛(CTMU)을 제공하는 단계;
주파수에서의 클럭 신호를 상기 CTMU에 공급하는 주파수 튜닝 가능한 클럭 발진기를 제공하는 단계;
상기 CTMU에 결합된 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 제공하는 단계; 및
메모리를 갖고, 상기 CTMU, 상기 주파수 튜닝 가능한 클럭 발진기 및 상기 ADC에 결합된 디지털 프로세서를 제공하는 단계를 포함하고,
상기 클럭 신호의 주기의 시작을 나타내는 클럭 신호의 제1 로직 천이의 검출시 상기 디지털 프로세서에 의해 상기 CTMU는 알고 있는 값의 정전류원으로써 상기 알고 있는 값의 커패시터의 충전을 시작하고,
상기 클럭 신호 주기의 종료를 나타내는 상기 클럭 신호의 제2 로직 천이의 검출시 상기 CTMU는 상기 커패시터의 충전을 중지하고,
상기 ADC로써 상기 커패시터의 전압을 디지털 전압 값으로 샘플링 및 변환하고,
상기 디지털 프로세서로써 상기 ADC로부터의 상기 디지털 전압 값을 판독하고,
상기 디지털 프로세서로써 디지털 전압 값을 주기 시간 값으로 변환하고,
상기 디지털 프로세서로써 상기 주기 시간 값을 기준 주기 시간 값과 비교하여,
상기 주기 시간 값이 기준 주기 시간 값보다 크면, 상기 튜닝 가능한 클럭 발진기의 주파수를 증가시키고,
상기 주기 시간 값이 기준 주기 시간 값보다 작으면, 상기 튜닝 가능한 클럭 발진기의 주파수를 감소시키고,
상기 주기 시간 값이 상기 기준 주기 시간 값과 동일하면, 상기 튜닝 가능한 클럭 발진기의 주파수를 변경하지 않는 클럭 발진기를 유지하기 위한 방법.
- 제19항에 있어서,
상기 주기 시간 값은 복수의 클럭 신호 주기들의 시간 값을 나타내는 클럭 발진기를 유지하기 위한 방법.
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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