TWI413884B - 時脈產生器 - Google Patents

Description

時脈產生器

本發明係為一種時脈產生器，尤指一種實質上不受製程、工作電壓與溫度等環境影響之時脈產生器。

製程、電壓、溫度補償校正電路最主要是用於穩定變數控制震盪器，使其在不同的環境下，皆可輸出準確的頻率，不受環境及製程因素影響。

一般補償的做法是，使用另一組震盪器偵測環境的變化，再將偵測的結果送到補償電路(compensation circuits)，此種方法總共須用兩個震盪器，使得消耗面積及功率增加，但若這兩個震盪器不匹配(mismatch)，易使偵測出的結果產生誤差，使得輸出頻率與設計的不同。除此以外，其補償電路是利用控制電流源的方式達成，但在先進製程中，電晶體本身會有漏電的問題，若要控制的電流極微小，需要較高的解析度時，較不易達成。

另一補償做法是利用不同的溫度係數作補償，為了產生適當的溫度係數，在製作過程中，電子和電動混雜的濃度需做調整，在實際製作上需多一道手續，會提高製作成本，且若在製作過程中，若有製程上的飄移則無法產生正確的溫度係數，對製程變異較無抑制能力。故用電阻和電容的充放電作為震盪器，其中每組電阻需一個正溫度係數的電阻和一個負溫度係數的電阻串接，來抵消溫度對振盪頻率的影響，但若製作過程中有製程飄移，則此電阻仍會受溫度影響，使得輸出的頻率精準度降低，若串聯愈多組此種電阻，其對製程飄移的抑制力會愈差，在低頻時，因所需電阻較大，輸出頻率精準度愈易受溫度影響。

除此之外，尚有使用了穩壓器(bandgap reference voltage regulator)產生穩定的電壓，抑制電壓變異的影響，在內部使用了溫度製程補償電路(temperature/process circuit)來降低溫度和製程變異的影響，但當需要高精準度的輸出頻率時，這兩個電路所需的功耗上達數毫安培，若用於低功率的應用，則無法達到高精準度的輸出。

本發明的目的之一在於提供一種時脈產生器，可節省接腳且產生的時脈訊號實質上不受製程、電壓飄移、與溫度…等影響。

本發明的目的之一在於提供一種時脈產生器，可節省成本。

本發明的目的之一在於提供一種時脈產生器，可提高輸出頻率的精準度。

本發明的目的之一在於提供一種時脈產生器，可降低消耗的功率。

本發明之一實施例提供一種時脈產生器，包含一電流產生器、一震盪器、一頻率偵測器、以及一偏壓調整器。一電流產生器，用於依據一偏壓訊號以產生一第一電流與一第二電流；震盪器，耦接至電流產生器，用於依據該第一電流以產生一時脈訊號；頻率偵測器，耦接至震盪器，依據時脈訊號與一參考時脈訊號以輸出一控制訊號；偏壓調整器，耦接至電流產生器與頻率偵測器，用於依據控制訊號以輸出偏壓訊號。其中，當時脈訊號之訊號頻率變動時，偏壓調整器係根據頻率變動相對應地調整偏壓訊號，以改變第一電流與第二電流。

本發明調整被動元件，控制震盪器之輸入，使其在不同的溫度、製程和電壓的變異下，皆可得到高精準度的輸出頻率。此方法在電路製作時，不需額外的電子電動濃度調整，可降低成本，且以調整被動元件的方式來控制輸出，其可控制的解析度高，可達到高精準度的輸出頻率，且所消耗的功率極低，適合低功率產品的應用。

首先，請參閱第1圖，第1圖顯示本發明時脈產生器之一實施例示意圖。時脈產生器100包含有一電流產生器101、一震盪器102、一頻率偵測器103、一偏壓調整器104、頻率對電壓轉換器105以及一比較器106。

電流產生器101耦接至震盪器102、偏壓調整器104、以及比較器106，且依據偏壓調整器104所輸出之一偏壓訊號BS，而產生電流I1與I2。其中，震盪器102接收第一電流I1後，係依據電流I1以產生一時脈訊號S。頻率對電壓轉換器105，耦接至電流產生器101，接收電流I2與時脈訊號S，並經頻率對電壓轉換器105將電流I2與時脈訊號S轉換後，輸出一轉換電壓CV至比較器106。比較器106耦接至頻率對電壓轉換器105與電流產生器101，用於將節點N之偏壓訊號BS與轉換電壓CV進行比較，以產生回授訊號FS至電流產生器101。

以下，將對本實施例之運作原理做較詳盡之說明。在時脈產生器100於初始狀態時，電流產生器101依據偏壓調整器104所輸出之偏壓訊號BS來產生電流I1、I2。接著，震盪器102依據電流I1來產生時脈訊號S，且頻率對電壓轉換器105依據電流I2以將時脈訊號S之頻率轉換為一轉換電壓CV。最後，比較器106將比較轉換電壓CV與偏壓訊號BS來調整電流產生器101。更進一步而言，當比較器發現轉換電壓CV與偏壓訊號BS不同時，回授訊號FS係調整電流產生器101，使得電流I1、I2進行調整，以改變轉換電壓CV，直到轉換電壓CV與偏壓訊號BS相同為止。換言之，當轉換電壓CV與偏壓訊號BS相同時，表示震盪器102所輸出之時脈訊號S能穩定在所設計的頻率範圍中。

另外，在一實施例中，可增加一頻率偵測器103來增加時脈訊號S的頻率精確度。如第1圖所示，頻率偵測器103耦接至震盪器102的輸出端，且頻率偵測器103依據一致能信號ES決定是否進行頻率偵測。頻率偵測器103進行頻率偵測時，係偵測時脈訊號S與一參考時脈訊號RS之頻率差異以輸出一控制訊號CS至偏壓調整器104。當震盪器102所產生之時脈訊號S與參考時脈訊號RS之頻率相異時，頻率偵測器103輸出控制訊號CS至偏壓調整器104，以調整偏壓調整器104輸出之偏壓訊號BS，以改變該電流I1與I2之值，直到震盪器102輸出時脈訊號S之頻率與和參考時脈訊號RS之頻率相同。如此一來，時脈產生器100更以增加頻率的精準度。換言之，頻率偵測器103可用來做為校準時脈訊號S的頻率之用途。另外，為了達到更省電的目的，當頻率偵測器103校準準時脈訊號S之頻率後，亦即，脈訊號S之頻率震盪於目標頻率時，可透過致能信號ES將頻率偵測器103禁能，以節省不必要的耗電。

由上述說明可知，時脈產生器100中之電流產生器101、震盪器102、頻率對電壓轉換器105與比較器106所形成的第一迴路可使得震盪器102輸出之時脈訊號S，其頻率震盪於一所設計的頻率範圍中。另外，電流產生器101、頻率偵測器103與偏壓調整器104所形成的第二迴路可使得震盪器102輸出之時脈訊號S，其頻率震盪於目標的頻率上。

請參閱第2圖，第2圖顯示本發明時脈產生器之一實施例示意圖。時脈產生器200之電流產生器101包含一電晶體101a與一電流鏡電路101b。

電晶體101a耦接至比較器106與偏壓調整器104，用於依據回授訊號FS以輸出一控制電流Ic。電流鏡電路101b耦接至電晶體101a，用於依據控制電流Ic以產生電流I1與I2。其中，電流鏡電路101b包含電晶體Mr、M1與M2。

控制電流Ic流至電流鏡電路101b，其中，電晶體M1係產生電流I1，電晶體M2係產生電流I2。當電晶體M1之寬長比(aspect ratio)設計為電晶體Mr的b倍時，則第一電流I1實質上等同於b倍的控制電流Ic。同理，當電晶體M2之寬長比(aspect ratio)設計為電晶體Mr的a倍時，則電流I2實質上等同於a倍的控制電流Ic。

如第2圖所示，電晶體M1之汲極端耦接至震盪器102，震盪器102可依據電晶體M1所輸出之電流I1以產生時脈訊號S，頻率對電壓轉換器105，接收電流I2與時脈訊號S，並經頻率對電壓轉換器105將電流I2與時脈訊號S轉換後，輸出一轉換電壓CV至比較器106。比較器比較器106再將轉換電壓CV與偏壓訊號BS進行比較，輸出回授訊號FS至電晶體101a，以形成一迴路系統。另外，依據一實施例，偏壓調整器104可由一可變電阻所實現，但本發明不以此為限。

請參閱第3圖，第3圖顯示本發明時脈產生器之一實施例示意圖。如圖所示，時脈產生器300包含有一電流產生器301、一震盪器302、一頻率偵測器303、以及一偏壓調整器304。

電流產生器301耦接至震盪器302、頻率偵測器303、以及一偏壓調整器304。電流產生器301依據一偏壓訊號BS以產生電流I至震盪器302。

震盪器302耦接頻率偵測器303，並依據電流產生器301所輸出之電流I以產生一時脈訊號S。頻率偵測器303接收時脈訊號S與一參考時脈訊號RS，且頻率偵測器303更依據一致能信號ES決定是否進行頻率偵測，當頻率偵測器303被致能並進行頻率偵測時，由時脈訊號S與參考時脈訊號RS之關係，以分別輸出控制訊號CS1與CS2至偏壓調整器304與電流產生器301。

偏壓調整器304耦接至頻率偵測器303，並依據控制訊號CS1，進而調整偏壓訊號BS，使電流產生器301產生電流I改變，以達到震盪器302之頻率校正效果。換言之，當時脈訊號S之訊號頻率變動時或所輸出之振盪頻率有誤差時，偏壓調整器304係根據頻率變動相對應地調整偏壓訊號BS，以改變電流I。

在本發明一實施例中，電流產生器301更包含一電流鏡電路301a與至少一開關SW。電流鏡電路301a具有一參考電晶體Mr與至少一輸出電晶體Mn，在本實施例中，具有n個輸出電晶體M1~Mn，且n為大於1之正整數。其中，參考電晶體Mr用於依據控制電流Ic以控制輸出電晶體M1~Mn輸出電流。

開關SW耦接至輸出電晶體M1~Mn之閘極端與參考電晶體Mr之閘極端之間，開關SW係依據控制訊號CS2，以控制開關SW是否關閉或導通，並由導通開關SW之數量，進而調整電流I值。

需注意者，電流I值之大小，係依據控制開關SW在導通狀態下，輸出電晶體M1~Mn之汲極端輸出之電流總和。換言之，若控制開關SW依據控制訊號CS2，其導通數目為3個，則電流I值之大小為輸出電晶體M1~M4之汲極端輸出之電流總和，由改變電流I值之大小以調整震盪器302產生時脈訊號S之頻率。

在本發明一實施例中，偏壓調整器304係由一可變電阻所滿足，於另一實施例中，亦可由溫度補償電阻(thermal compensation resistor)所滿足，以降低震盪器302對溫度的影響。

故電流產生器301產生的電流I傳輸至震盪器302，並由震盪器302產生時脈訊號S至頻率偵測器303，頻率偵測器303由時脈訊號S與參考時脈訊號RS，分別輸出控制訊號CS1與CS2至偏壓調整器304與電流產生器301，進而調整偏壓調整器304之電阻值與控制開關SW數目，改變電流產生器301輸出電流I值之大小，以調整震盪器302產生之時脈訊號S，進而達到震盪器302頻率校正的效果。

綜上所述，本發明之時脈產生器藉由電流產生器、震盪器、以及偏壓調整器三者回授控制之機制，調整電流產生器所產生之電流值之大小，改變震盪器產生之時脈訊號之頻率。換言之，可使得震盪器產生之時脈訊號不受製程、工作電壓與溫度影響，使震盪器產生之頻率穩定在所設計的頻率上。

100、200、300．．．時脈產生器

101、301．．．電流產生器

101a、Mr、M1、M2、Mn．．．電晶體

101b、301a．．．電流鏡電路

102、302．．．震盪器

103、303．．．頻率偵測器

104、304．．．偏壓調整器

105．．．頻率對電壓轉換器

106．．．比較器

SW．．．開關

第1圖顯示本發明時脈產生器之一實施例示意圖。

第2圖顯示本發明時脈產生器之一實施例示意圖。

第3圖顯示本發明時脈產生器之一實施例示意圖。

100．．．時脈產生器

101．．．電流產生器

102．．．震盪器

103．．．頻率偵測器

104．．．偏壓調整器

105．．．頻率對電壓轉換器

106．．．比較器

Claims (12)

1. 一種時脈產生器，包含：一電流產生器，用於依據一偏壓訊號以產生一第一電流；一震盪器，耦接至該電流產生器，用於依據該第一電流以產生一時脈訊號；一頻率偵測器，耦接至該震盪器，用於偵測該時脈訊號與一參考時脈訊號以輸出一控制訊號；一偏壓調整器，耦接至該電流產生器與該頻率偵測器，用於依據該控制訊號以輸出該偏壓訊號；一頻率對電壓轉換器，耦接至該電流產生器，用於依據該電流產生器產生之一第二電流與該時脈訊號輸出一轉換電壓；以及一比較器，耦接至該頻率對電壓轉換器與該電流產生器，依據該轉換電壓與該偏壓訊號，輸出一回授訊號至該電流產生器；其中，當該時脈訊號之頻率變動時，該偏壓調整器係相對應地調整該偏壓訊號，使該電流產生器改變該第一電流。
2. 如申請專利範圍第1項所述之時脈產生器，其中該電流產生器更包含：一電晶體，耦接至該比較器與該偏壓調整器，用於依據該回授訊號以輸出一控制電流；以及一電流鏡電路，耦接至該電晶體，用於依據該控制電流以產生該第一電流與該第二電流。
3. 如申請專利範圍第2項所述之時脈產生器，其中該電晶體係為 NMOS電晶體。
4. 如申請專利範圍第1項所述之時脈產生器，其中當該時脈訊號之頻率震盪於一目標頻率後，該頻率偵測器係被禁能。
5. 如申請專利範圍第1項所述之時脈產生器，其中該頻率偵測器更產生一第二控制訊號至該電流產生器，以改變該第一電流。
6. 如申請專利範圍第5項所述之時脈產生器，其中該電流產生器包含一電流鏡電路，該二控制訊號用以控制該電流鏡電路中之至少一開關，以改變該第一電流。
7. 如申請專利範圍第1項所述之時脈產生器，其中該頻率偵測器更依據一致能信號決定是否進行頻率偵測。
8. 如申請專利範圍第1項所述之時脈產生器，其中該偏壓調整器係為一可變電阻器。
9. 一種時脈產生器，包含：一電流產生器，用於依據一偏壓訊號以產生一第一電流；一震盪器，耦接至該電流產生器，用於依據該第一電流以產生一時脈訊號；一頻率偵測器，耦接至該震盪器，依據該時脈訊號與一參考時脈訊號以輸出一第一控制訊號與一第二控制訊號；一偏壓調整器，耦接至該電流產生器與該頻率偵測器，用於依據該第一控制訊號以輸出該偏壓訊號；一電流鏡電路，具有一參考電晶體與至少一輸出電晶體，該參考電晶體用於依據一控制電流以控制該些輸出電晶體輸出電流；以及至少一開關，耦接至該些輸出電晶體之閘極端與該參考電晶體之閘極端之間，該開關係依據該第二控制訊號，控制該開關 是否關閉，以控制該第一電流值；其中，當該時脈訊號之訊號頻率變動時，該頻率偵測器係相對應地輸出該第二控制訊號至該電流產生器，以改變該第一電流；其中，該第一電流值係為該些輸出電晶體之汲極端輸出之電流總和。
10. 如申請專利範圍第9項所述之時脈產生器，其中該偏壓調整器係為一可變電阻器。
11. 如申請專利範圍第10項所述之時脈產生器，其中該開關係依據該第二控制訊號，以控制開關是否關閉或導通，由導通該開關之數量，進而調整該第一電流值。
12. 如申請專利範圍第9項所述之時脈產生器，其中該頻率偵測器更依據一致能信號決定是否進行頻率偵測。