TWI558095B - 時脈產生電路與方法 - Google Patents
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Description
本發明是關於時脈產生電路與方法,尤其是關於利用晶片內部之參考時脈來產生晶片所需之一準確時脈,並具有溫度補償功能之時脈產生電路與方法。
請參閱圖1,其係習知影像處理模組之功能方塊圖。影像處理模組包含電路板100。影像處理晶片110設置於電路板100之上,包含時脈調整電路112及微控制器114。除了影像處理晶片110之外,電路板100還包含石英晶體振盪器(crystal oscillator)120、HDMI(High-Definition Multimedia Interface,高畫質多媒體接口)/MHL(Mobile High-Definition Link,移動高畫質連接技術)接口130、DVI(Digital Visual Interface,數位視訊介面)/DP(DisplayPort)接口140、VGA(Video Graphics Array,視頻圖形陣列)接口150、電子式可清除程式化唯讀記憶體(electrically erasable programmable read only memory,EEPROM)160、USB(universal serial bus,通用序列匯流排)控制晶片170、LVDS(Low-voltage differential signaling,低電壓差分訊號)接口180、以及LED(light emitting diode,發光二極體)模組接口190等。影像處理晶片110由HDMI/MHL接口130、DVI/DP接口140、VGA接口150接收數位或是類
比格式的影像資料,經過格式轉換或縮放(scaling)處理後,將處理後的影像資料由LVDS接口180傳送至顯示面板,同時經由LED模組接口190控制顯示面板的LED背光。另一方面,影像處理晶片110對EEPROM 160進行存取,以及透過USB控制晶片170與外接的USB設備溝通,例如存取快閃記憶體(flash memory)等。
進行上述的動作時,影像處理晶片110的微控制器114皆必須參考一個穩定的工作時脈,舉例來說,影像處理晶片110從HDMI/MHL接口130、DVI/DP接口140及VGA接口150接收影像訊號後,先經過前端的資料取樣、解碼等處理得到初步資料,再將初步資料經由後續的影像插補、色彩校正、提高對比等處理以得到待顯示的影像資料,輸出影像資料時還必須藉由控制先進先出(first in first out,FIFO)暫存器來維持待影像資料的穩定;而且如果影像訊號為VGA格式的類比訊號,微控制器114還必須取樣影像訊號中的水平同步掃描線(Hsync)及/或垂直同步掃描線(Vsync)來決定影像訊號的模式(mode)。因此,影像處理晶片110需要一個可供參考的時脈才能完成上述工作。傳統上,電路板100上會設置一個石英晶體振盪器120,其可提供相當準確的參考時脈,並且不受晶片製程及操作溫度的影響。如圖1所示,石英晶體振盪器120所產生的參考時脈輸入至影像處理晶片110,經由時脈調整電路調整頻率及相位後,形成工作時脈,其頻率為微控制器114工作時所需的頻率。一般而言,視工作時脈與參考時脈之間的比例關係,時脈調整電路112可以使用整數型鎖相迴路(phase-locked loop,PLL)或分數型(fractional-N)鎖相迴路來實作。
然而,石英晶體振盪器120除了會增加電路板100的面積外,還會增加繞線長度,繞線度愈長,電路板100及其上的元件就愈容易受到電磁干擾;除此之外,石英晶體振盪器120還會提高影像處理模組的整體成本,若每個裝置都能省下石英晶體振盪器120,則當裝置的出貨量大時,將可省下一筆可觀的經費。因此,便有人提出在晶片內部設置參考時脈產生電路以省去外部之石英晶體振盪器的方法。請參閱圖2,其係在晶片內部實作參考時脈產生電路之示意圖。圖2的晶片200包含參考時脈產生電路210、時脈調整電路220以及微控制器230。與影像處理晶片110相同,晶片200的內部同樣藉由時脈調整電路220來調整參考時脈的相位及頻率,以產生微控制器230所需的工作時脈;不同的是,晶片200包含參考時脈產生電路210,用來提供該參考時脈。實作上,參考時脈產生電路210可以利用圖3或圖4所示之電感電容諧振振盪器(LC tank)來實作,其內部的構造及連接方式可以例如圖3所示,包含電感310及320、電容330及340以及電晶體350及360,或是例如圖4之電感電容諧振振盪器更包含電晶體370。電感電容諧振振盪器的動作原理為本技術領域具有通常知識者所熟知,故不贅述。然而電感電容諧振振盪器極易受溫度影響而產生頻率漂移,隨著晶片200工作時間的增加,電感電容諧振振盪器的環境溫度也隨之上升,造成參考時脈的頻率下降,最後導致工作時脈的頻率也隨之下降,此時系統便會有錯誤的情況發生,若晶片200為影像處理晶片,嚴重時會造成輸出畫面錯誤,或甚至無畫面。
鑑於先前技術之不足,本發明之一目的在於提供一種時脈產生電路與一種時脈產生方法,藉由溫度補償機制來產生一個相對穩定的時脈,其頻率可趨近系統所需的目標值,而不隨溫度發生劇烈變化。
本發明揭露了一種時脈產生電路,用來產生一時脈,包
含:一參考時脈產生電路,設置於一晶片中,用來獨立地產生一參考時脈;一溫度感測器,用來感測環境溫度以產生一溫度資訊;一溫度補償模組,耦接該溫度感測器,用來依據該溫度資訊產生一溫度補償係數;以及一時脈調整電路,耦接該參考時脈產生電路,用來依據該參考時脈及該溫度補償係數產生該時脈;其中,該溫度補償模組動態產生該溫度補償係數,以使該時脈之頻率趨近一目標頻率,且實質上不隨溫度變化。
本發明另揭露了一種時脈產生方法,用來產生一時脈,包含:於一晶片中獨立地產生一參考時脈;感測環境溫度以產生一溫度資訊;依據該溫度資訊產生一溫度補償係數;以及依據該參考時脈及該溫度補償係數產生該時脈;其中,該溫度補償係數係動態產生,以使該時脈之頻率趨近一目標頻率,且實質上不隨溫度變化。
本發明之時脈產生電路與方法利用晶片內部之參考時脈產生電路來得到參考時脈,因此不需要外部的參考時脈來源(例如石英晶體振盪器),除了可以節省元件的花費,還可以省下電路板的面積及縮短繞線。此外,相較於習知技術,本發明的時脈產生電路與方法還具有溫度補償機制,當晶片的溫度隨工作時間增加而上升時,工作時脈的頻率仍可趨近一目標值,使晶片維持穩定工作。
有關本發明的特徵、實作與功效,茲配合圖式作較佳實施例詳細說明如下。
100‧‧‧電路板
110‧‧‧影像處理晶片
112‧‧‧時脈調整電路
114‧‧‧微控制器
120‧‧‧石英晶體振盪器
130‧‧‧HDMI/MHL接口
140‧‧‧DVI/DP接口
150‧‧‧VGA接口
160‧‧‧電子式可清除程式化唯讀記憶體
170‧‧‧USB控制晶片
180‧‧‧LVDS接口
190‧‧‧LED模組接口
200‧‧‧晶片
210、510‧‧‧參考時脈產生電路
220、520‧‧‧時脈調整電路
230‧‧‧微控制器
310、320‧‧‧電感
330、340‧‧‧電容
350、360、370‧‧‧電晶體
500‧‧‧時脈產生電路
522‧‧‧非整數頻率合成電路
524‧‧‧頻率設定電路
526‧‧‧除頻電路
530‧‧‧溫度感測器
540‧‧‧溫度補償模組
610、620‧‧‧電流源
630、640‧‧‧雙載子接面電晶體
650‧‧‧比較器
S910~S960‧‧‧步驟
〔圖1〕為習知影像處理模組之功能方塊圖;〔圖2〕為在晶片內部實作參考時脈產生電路之示意圖;〔圖3〕為電感電容諧振振盪器之一實作圖;〔圖4〕為電感電容諧振振盪器之另一實作圖;〔圖5〕為本發明之時脈產生電路之一實施例的功能方塊圖;〔圖6〕為溫度感測器之一實施例的電路圖;〔圖7〕為本發明工作時脈之頻率與溫度之關係圖;〔圖8〕為本發明之頻率設定電路之設定值與溫度之關係圖;以及〔圖9〕為本發明之時脈產生方法之一實施例的流程圖。
以下說明內容之技術用語係參照本技術領域之習慣用語,如本說明書對部分用語有加以說明或定義,該部分用語之解釋係以本說明書之說明或定義為準。
本發明之揭露內容包含時脈產生電路與方法,提供一溫度補償機制以補償因溫度上升所造成的頻率偏移。該電路與方法可應用於影像處理晶片,在實施為可能的前提下,本技術領域具有通常知識者能夠依本說明書之揭露內容來選擇等效之元件或步驟來實現本發明,亦即本發明之實施並不限於後敘之實施例。由於本發明之時脈產生電路所包含之部分元件單獨而言可能為已知元件,因此在不影響該裝置發明之充分揭露及可實施性的前提下,以下說明對於已知元件的細節將予以節略。此外,本發明之時脈產生方法可藉由本發明之時脈產生電路或其等效電路來執行,
在不影響該方法發明之充分揭露及可實施性的前提下,以下方法發明之說明將著重於步驟內容而非硬體。
請參閱圖5,其係本發明之時脈產生電路之一實施例的功能方塊圖。時脈產生電路500包含參考時脈產生電路510、時脈調整電路520、溫度感測器530以及溫度補償模組540。參考時脈產生電路510例如是圖3或圖4所示的電感電容諧振振盪器,用來產生參考時脈。須注意者,參考時脈產生電路510無接收任何的輸入時脈訊號,亦即,參考時脈為參考時脈產生電路510所獨立產生之時脈訊號。此外,參考時脈產生電路510係設置於晶片之中。溫度感測器530感測環境溫度並且產生溫度資訊,其中一種較佳的實施方式如圖6所示,雙載子接面電晶體(bipolar junction transistor,BJT)630及640的基極(base)與集極(collector)連接參考準位,射極(emitter)分別接上電流源610(提供電流I1)及620(提供電流I2),且其射極的面積分別為A1及A2,依據雙載子接面電晶體的基本特性,可得到以下的方程式:
請繼續參閱圖5,溫度補償模組540依據溫度資訊產生溫度補償係數。時脈調整電路520包含非整數頻率合成電路522以及頻率設定電路524。非整數頻率合成電路522例如是分數型的鎖相迴路,其接收參考時脈並依據設定值N.F(N為整數部分,F為小數部分)設定除頻電路526,使工作時脈之頻率為參考時脈之頻率的N.F倍;而另一方面,為了達到溫度補償效果,頻率設定電路524所產生的設定值必須與溫度資訊相關,因此需要溫度補償模組540將溫度資訊依據某種補償機制轉換成溫度補償係數,而後頻率設定電路524再依據溫度補償係數來調整設定值,以達到溫度補償的效果。以下將說明溫度補償模組540如何依據溫度資訊產生溫度補償係數。實際上,參考時脈產生電路510所產生的參考時脈的頻率隨溫度變化,造成工作時脈的頻率也同樣隨溫度變化,因此可以藉由調整環境溫度來量測不同溫度下工作時脈的頻率,以找出頻率與溫度的對應關係。請參閱圖7,其係本發明工作時脈之頻率與溫度之關係圖。如圖7所示,假設理想的工作時脈頻率為14.318MHz,因此一開始先調整好設定值,使工作時脈的頻率在30℃時非常接近理想的頻率,此時的設定值為基準值。之後慢慢提高環境溫度,並且每隔一段預設溫度(例如10℃)量測一次工作時脈的頻率,最終可以得到類似圖7所示的結果,工作時脈的頻率隨溫度上升而下降,而且頻率隨溫度變化的趨勢可以以圖7中的實線近似。而依據鎖相迴路的特性,工作時脈的頻率(fwork)、參考時脈的頻率
(fref)以及設定值(N.F)有以下的關係:f work =f ref ×N.F (5)因此,可以藉由增加設定值N.F來補償溫度上升時,因參考時脈的頻率下降所造成的工作時脈的頻率下降,使工作時脈的頻率儘可能趨近理想的工作頻率。
請參閱圖8,其係本發明之頻率設定電路之設定值與溫度之關係圖。因為圖7所得到的實線近似曲線的斜率為負值,因此依據該斜率的相反值(即數值大小相同,但正負號相反)來做溫度補償,理想上即可補償前述的頻率隨溫度之變化。此外,實際的量測結果發現,即使是不同的參考時脈產生電路510,其參考時脈之頻率隨溫度之變化情形極為相似,也就是對不同的參考時脈產生電路510而言,其圖7所示之實線近似曲線的斜率非常近似。圖8的補償曲線A及補償曲線B對應不同的晶片,但兩者的斜率相同,皆為頻率對應溫度之近似曲線的斜率的相反值(本實施例中以頻率隨溫度升高而下降為例,所得的近似曲線的斜率為負值,因此對應的補償曲線的斜率即為正值;在不同的實施例中,頻率可能隨溫度升高而上升,則此時的近似曲線的斜率為正值,對應的補償曲線的斜率則為負值)。補償曲線A及補償曲線B於30℃的設定值N.F分別為R1及R3,即為上述的基準值。溫度補償模組540便依據此基準值及斜率來產生各溫度所對應的溫度補償係數,例如利用內插法求得75℃時的設定值N.F應為R2,便可反推溫度補償係數。造成補償曲線A及補償曲線B的基準值不同的原因,主要是因為製程的關係,而導致每個參考時脈產生電路510不盡相同。然而只要預先取得補償曲線A及補償曲線B的偏移量(R3-
R1),溫度補償模組540即可求得對應補償曲線B的溫度補償係數。
綜上所述,溫度補償模組540可以依據圖8所示之斜率及基準值來產生溫度補償係數,本在實施例中,當溫度愈高時,溫度補償模組540提高溫度補償係數,使頻率設定電路524所輸出的設定值N.F亦隨著溫度的上升而增加。在一個較佳的實施例中,溫度補償模組540由韌體實作,每隔一預定時間(例如10ms)即依據溫度資訊、補償曲線的斜率以及基準值來產生溫度補償係數;在另一個較佳的實施例中,溫度補償模組540由硬體電路實作,因為補償曲線的斜率為線性,因此可以簡單地藉由電阻等線性的被動元件來完成該電路。以硬體電路實作的好處是,當溫度資訊改變時,溫度補償係數可以即使反應該變化,而以韌體實作的好處便是可以輕易修改補償曲線的斜率以及偏移量,增加設計的彈性。
請參閱圖9,其係本發明之時脈產生方法之一實施例的流程圖。除前述之時脈產生電路外,本發明亦相對應地揭露了一種時脈產生方法,目的在於省下電路板上晶片外部的參考時脈產生源,可應用於影像處理晶片。本方法由前揭時脈產生電路500或其等效電路來執行。如圖9所示,本發明時脈產生方法之一實施例包含下列步驟:步驟S910:在晶片中獨立地產生參考時脈。在晶片內部提供時脈產生電路,例如電感電容諧振振盪器,以獨立地產生一個參考時脈,也就是說產生該參考時脈時無需接收或參考任何的輸入時脈訊號;步驟S920:感測環境溫度以產生溫度資訊。在晶片內部提供溫度感測器來感測晶片的溫度,以產生溫度資訊;
步驟S930:依據溫度資訊產生溫度補償係數。當參考時脈的頻率隨溫度變化時,依據參考時脈所產生的工作時脈的頻率也將隨溫度變化,為了使工作時脈的頻率儘可能趨近目標頻率,必須依據工作時脈之頻率隨溫度的變化情形來做補償。在本實施例中,工作時脈的頻率與溫度的關係如圖7所示,工作時脈的頻率隨溫度升高而下降,而且呈線性關係,因此溫度補償曲線便與溫度呈反向變化,亦即溫度補償係數隨溫度升高而增加;更具體來說,溫度補償曲線的斜率為圖7之實線之近似曲線的斜率的相反數,如圖8所示,因此可以依據溫度補償曲線的斜率、基準值及溫度資訊來產生溫度補償係數。實作上,可以利用韌體或硬體的方式來產生溫度補償係數,其實作方式及優缺點已揭露於相對應之裝置描述,故不再贅述;步驟S940:依據溫度補償係數產生設定值。如前述方程式(5)所示,設定值為工作時脈與參考時脈的比值,也就是說當參考時脈的頻率隨溫度的升高而下降時,必須提高設定值以使工作時脈的頻率趨近目標頻率。此步驟依據上一步驟所產生的溫度補償係數調整設定值,以本實施例來說,最終設定值與溫度的關係如圖8所示。因為圖7中工作時脈的頻率與溫度的關係呈線性,所以設定值與溫度的關係亦為線性變化;步驟S950:依據設定值及參考時脈產生工作時脈。依據方程式(5)產生工作時脈,工作時脈的頻率與參考時脈的頻率的比值為設定值;以及
步驟S960:除頻工作時脈使得工作時脈之頻率趨近目標頻率。有時工作時脈的頻率可能太高,不符合實際應用所需的目標頻率,所以再將工作時脈除頻以使工作時脈的頻率更趨近目標頻率。
本發明之時脈產生電路及時脈產生方法可以應用於影像處理晶片,例如處理視頻圖形陣列訊號之影像處理晶片,但不以此為限。具體來說,視頻圖形陣列包含多種顯示模式,各模式的解析度及水平/垂直同步訊號的頻率各不相同,影像處理晶片的工作之一便是找出輸入訊號的模式,實際上是依據工作時脈來解析水平/垂直同步訊號以找出模式。依據視頻圖形陣列的標準,各模式中水平/垂直同步訊號的最大頻率不高於100KHz,且最高頻率的頻率偏移容忍度為1%(亦即10000ppm),而頻率較低時具有較高的容忍度,因此工作時脈的頻率偏移只要符合1%的標準,即可正確找出視頻圖形陣列訊號的各種模式。本發明之時脈產生電路的實際操作結果顯示,工作時脈的頻率偏移量約為2000ppm,小於上述的10000ppm,也就是說,將本發明之時脈產生電路及時脈產生方法應用於視頻圖形陣列的影像處理晶片,可以順利找出影像訊號的模式。此外,本發明之時脈產生電路及時脈產生方法具有溫度補償功能,使得採用本發明之影像處理晶片在各種溫度下皆可正常工作。
由於本技術領域具有通常知識者可藉由圖5至圖8之裝置發明的揭露內容來瞭解圖9之方法發明的實施細節與變化,因此,為避免贅文,在不影響該方法發明之揭露要求及可實施性的前提下,重複之說明在此予以節略。請注意,前揭圖示中,元件之形狀、尺寸、比例以及步驟之順序等僅為示意,係供本技術領域具有通常知識者瞭解本發明之用,
非用以限制本發明。另外,本技術領域人士可依本發明之揭露內容及自身的需求選擇性地實施任一實施例之部分或全部技術特徵,或者選擇性地實施複數個實施例之部分或全部技術特徵之組合,藉此增加本發明實施時的彈性。再者,前揭實施例雖以影像處理晶片為例,然此並非對本發明之限制,本技術領域人士可依本發明之揭露適當地將本發明應用於其它功能的晶片。
雖然本發明之實施例如上所述,然而該些實施例並非用來限定本發明,本技術領域具有通常知識者可依據本發明之明示或隱含之內容對本發明之技術特徵施以變化,凡此種種變化均可能屬於本發明所尋求之專利保護範疇,換言之,本發明之專利保護範圍須視本說明書之申請專利範圍所界定者為準。
500‧‧‧時脈產生電路
510‧‧‧參考時脈產生電路
520‧‧‧時脈調整電路
522‧‧‧非整數頻率合成電路
524‧‧‧頻率設定電路
526‧‧‧除頻電路
530‧‧‧溫度感測器
540‧‧‧溫度補償模組
Claims (17)
- 一種時脈產生電路,用來產生一時脈,包含:一參考時脈產生電路,設置於一晶片中,用來獨立地產生一參考時脈;一溫度感測器,用來感測環境溫度以產生一溫度資訊;一溫度補償模組,耦接該溫度感測器,用來依據該溫度資訊產生一溫度補償係數;以及一時脈調整電路,耦接該參考時脈產生電路,用來依據該參考時脈及該溫度補償係數產生該時脈;其中,該溫度補償模組動態產生該溫度補償係數,以使該時脈之頻率趨近一目標頻率,且實質上不隨溫度變化。
- 如申請專利範圍第1項所述之時脈產生電路,其中該參考時脈之頻率隨溫度之變化呈現一線性關係,該溫度補償模組依據該線性關係產生該溫度補償係數。
- 如申請專利範圍第2項所述之時脈產生電路,其中該溫度補償模組係由一韌體實作,並每隔一預設時間依據該溫度資訊及該線性關係計算該溫度補償係數。
- 如申請專利範圍第2項所述之時脈產生電路,其中該溫度補償模組係由硬體電路實作,並依據該溫度資訊及該線性關係即時更新該溫度補償係數。
- 如申請專利範圍第1項所述之時脈產生電路,其中該時脈調整電路包含:一設定電路,耦接該溫度補償模組,用來依據該溫度補償係數產生一設定值;以及一頻率合成電路,耦接該參考時脈產生電路及該設定電路,用來依據該設定值及該參考時脈產生該時脈。
- 如申請專利範圍第5項所述之時脈產生電路,其中該溫度補償模組更依據一基準值產生該溫度補償係數,該基準值係對應於一預設溫度下,當該時脈之頻率實質上等於該目標頻率時之該設定值。
- 如申請專利範圍第5項所述之時脈產生電路,其中該頻率合成電路更包含:一除頻電路,用來依據該設定值除頻該時脈,使該時脈與該參考時脈間之頻率有一倍數關係。
- 如申請專利範圍第1項所述之時脈產生電路,其中該溫度感測器包含:一第一雙載子接面電晶體,其射極耦接一第一電流源,基極及集極耦接一參考準位;一第二雙載子接面電晶體,其射極耦接一第二電流源,基極及集極耦接該參考準位;以及一比較器,其一輸入端耦接該第一雙載子接面電晶體之射極,另一輸入端耦接該第二雙載子接面電晶體之射極,輸出端輸出一比較值;以及 一處理電路,耦接該比較器,用來將該比較值轉換成該溫度資訊。
- 如申請專利範圍第1項所述之時脈產生電路係用於一影像處理晶片,該影像處理晶片依據該時脈處理一視頻圖形陣列訊號,以取得該視頻圖形陣列訊號之顯示模式。
- 一種時脈產生方法,用來產生一時脈,包含:於一晶片中獨立地產生一參考時脈;感測環境溫度以產生一溫度資訊;依據該溫度資訊產生一溫度補償係數;以及依據該參考時脈及該溫度補償係數產生該時脈;其中,該溫度補償係數係動態產生,以使該時脈之頻率趨近一目標頻率,且實質上不隨溫度變化。
- 如申請專利範圍第10項所述之時脈產生方法,其中該參考時脈之頻率隨溫度之變化呈現一線性關係,該依據該溫度資訊產生該溫度補償係數之步驟依據該線性關係產生該溫度補償係數。
- 如申請專利範圍第11項所述之時脈產生方法,其中該依據該溫度資訊產生該溫度補償係數之步驟係每隔一預設時間依據該溫度資訊及該線性關係計算該溫度補償係數。
- 如申請專利範圍第11項所述之時脈產生方法,其中該依據該溫度資訊產生該溫度補償係數之步驟係依據該溫度資訊及該線性關係即時更新該溫度補償係數。
- 如申請專利範圍第10項所述之時脈產生方法,其中該依據該參考時脈及該溫度補償係數產生該時脈之步驟包含: 依據該溫度補償係數產生一設定值;以及依據該設定值及該參考時脈產生該時脈。
- 如申請專利範圍第14項所述之時脈產生方法,其中該依據該溫度資訊產生該溫度補償係數之步驟更依據一基準值產生該溫度補償係數,該基準值係對應於一預設溫度下,當該時脈之頻率實質上等於該目標頻率時之該設定值。
- 如申請專利範圍第10項所述之時脈產生方法,更包含:除頻該時脈以使得該時脈之頻率趨近該目標頻率。
- 如申請專利範圍第10項所述之時脈產生方法係用於一影像處理晶片,該影像處理晶片依據該時脈處理一視頻圖形陣列訊號,以取得該視頻圖形陣列訊號之顯示模示。
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