TWI616060B - 時脈信號產生裝置及其時脈信號產生方法 - Google Patents

Abstract

時脈信號產生裝置及其時脈信號產生方法。時脈信號產生裝置包括源電流產生器、補償電流產生器以及時脈信號產生電路。源電流產生器產生源電流。補償電流產生器產生補償電流。時脈信號產生電路具有第一電容，並依據源電流對第一電容充電以產生充電電壓，使充電電壓以及參考電壓進行比較來產生時脈信號，並依據補償電流調整時脈信號的頻率。其中，參考電壓依據源電流以及電阻來產生，補償電流產生器依據第一電容及電阻的溫度係數特性來產生補償電流。

Description

時脈信號產生裝置及其時脈信號產生方法

本發明是有關於一種時脈信號產生裝置及其時脈信號產生方法，且特別是有關於一種可產生低溫飄時脈信號的時脈信號產生裝置及其時脈信號產生方法。

為提供晶片可以穩定的運作，提供晶片一個穩定的時脈信號是非常重要的。在習知的技術中，常見利用石英振盪器來做為時脈信號的產生源，並藉以提供穩定的頻率的時脈信號。然而，石英振盪器需要較高的成本，並不是最佳的選擇。

另外，習知技術亦提供一種可具有較低成本的電阻電容振盪器。這類型的振盪器所產生的時脈信號，其頻率由振盪器掛載的電容、電阻的電容值與電阻值來決定。而在當環境溫度發生變化時，習知技術的電阻電容振盪器所產生的時脈信號的頻率將會產生一定程度的漂移。特別是在於高頻率的時脈信號的應用下，電容、電阻隨溫度的變化會使得時脈信號的頻率飄移程度過大，嚴重影響到晶片運作的穩定度。

本發明提供一種時脈信號產生裝置及其時脈信號產生方法，所產生的時脈信號其頻率對溫度變化所產生的漂移量可以有效的降低。

本發明的時脈信號產生裝置包括源電流產生器、補償電流產生器以及時脈信號產生電路。源電流產生器產生源電流。補償電流產生器產生補償電流。時脈信號產生電路耦接源電流產生器以及補償電流產生器，時脈信號產生電路具有第一電容，並依據該源電流對第一電容充電以產生充電電壓，使充電電壓以及參考電壓進行比較來產生時脈信號，並依據補償電流調整時脈信號的頻率。其中，參考電壓依據源電流以及電阻來產生，補償電流產生器依據第一電容及電阻的溫度係數特性來產生補償電流。

本發明的時脈信號的產生方法，包括產生源電流；依據源電流對第一電容充電以產生充電電壓；依據源電流以及電阻來產生參考電壓；依據第一電容及電阻的溫度係數特性來產生補償電流；以及，比較充電電壓以及參考電壓來產生時脈信號，並依據該補償電流調整時脈信號的頻率。

基於上述，本發明的補償電流產生器依據時脈產生裝置所掛載的電容及電阻的溫度係數特性來產生補償電流，並藉由補償電流來調整時脈信號的頻率。如此一來，時脈信號隨溫度變化所產生的頻率飄移可以獲得補償，漂移的程度可以有效的被減低，維持所屬系統的穩定性。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

請參照圖1，圖1繪示本發明一實施例的時脈信號產生裝置的示意圖。時脈信號產生裝置100包括源電流產生器110、補償電流產生器120、參考電壓產生器130以及時脈信號產生電路140。源電流產生器110用以產生源電流ISOURCE，補償電流產生器120則用以產生補償電流ICOMP。時脈信號產生電路140耦接源電流產生器110以及補償電流產生器120，並分別接收源電流ISOURCE以及補償電流ICOMP。此外，參考電壓產生器130耦接至源電流產生器110以及時脈信號產生電路140。參考電壓產生器130接收源電流產生器110所提供的源電流ISOURCE，並依據源電流ISOURCE產生參考電壓VR，並將參考電壓VR提供至時脈信號產生電路140。

在本實施例中，參考電壓產生器130可依據源電流ISOURCE以及電阻來產生參考電壓VR。進一步來說明，參考電壓產生器130可以透過鏡射源電流ISOURCE來產生第一電流，並使第一電流通過電阻來產生參考電壓VR。

以下先參照圖2，圖2繪示本發明實施例的參考電壓產生器的實施方式的示意圖。參考電壓產生器130包括電流源CS1以及電阻R1。電流源CS1的一端耦接至電源電壓VDD，另一端耦接至電阻R1。電阻R1則串接在電流源CS1以及參考接地端GND間。電流源CS1提供電流I1流通電阻R1，其中電流I1可以依據源電流ISOURCE來產生。簡單來說，電流源CS1可以是一個電流鏡射電路，並透過鏡射源電流ISOURCE來產生電流I1。

透過流通電阻R1的電流I1，參考電壓VR可以在電流源CS1與電阻R1耦接的端點上被產生。

請重新參照圖1，在另一方面，時脈信號產生電路140中具有電容。時脈信號產生電路140並依據源電流ISOURCE對其中的電容進行充電，並藉以產生充電電壓。時脈信號產生電路140並進一步使充電電壓與參考電壓VR進行比較，藉由所產生的比較結果來產生一時脈信號CLK。此外，重點在於，時脈信號產生電路140另接受補償電流ICOMP，並依據補償電流ICOMP來調整時脈信號CLK的頻率。

仔細說明時脈信號產生電路140的動作方式，時脈信號產生電路140可以依據補償電流ICOMP來調整充電電壓與參考電壓VR比較動作的反應時間。具體來說明，當補償電流ICOMP的電流值被提高時，充電電壓與參考電壓VR比較動作的反應時間可被降低，當補償電流ICOMP的電流值被減低時，充電電壓與參考電壓VR比較動作的反應時間可被提高。在此請注意，補償電流ICOMP的電流值可依據時脈信號產生電路140中的電容及產生參考電壓VR的電阻的溫度係數特性來設定，因此，電容、電阻隨溫度所產生的變化，所以影響到的時脈信號CLK的頻率漂移可以適度的得到補償。

關於補償電流產生器120的實施細節，本發明實施例的補償電流產生器120可以應用本領域具通常知識者所熟知的電流產生器來具以實施，並藉以產生據有正溫度係數或負溫度係數的補償電流。其中，當時脈產生裝置100中的電容以及電阻所構成的時間常數為正溫度係數時，所設置的補償電流產生器120可產生正溫度係數的補償電流，相對的，當時脈產生裝置100中的電容以及電阻所構成的時間常數為負溫度係數時，所設置的補償電流產生器120可產生負溫度係數的補償電流。

附帶一提的，上述的電容以及電阻的溫度係數狀態可以依據所選用的版導體材質的不同而有所差異。其中，舉例來說明，金屬-絕緣層-金屬（Metal-Insulator-Metal, MIM）電容及多晶矽-絕緣層-多晶矽（Poly-Insulator-Poly, PIP）電容具有正溫度係數，而利用負溫度係數的電晶體所建構的電晶體電容則可具有負溫度係數。另外，利用N+擴散區及P+擴散區建構的電阻可具有正溫度係數，利用N+多晶矽以及P+多晶矽建構的電阻則可具有負溫度係數。

關於時脈信號產生電路140的動作細節，請參照圖3，圖3繪示本發明實施例的時脈信號產生電路的實施方式的示意圖。時脈信號產生電路140包括充放電電路310、比較器320以及邏輯運算電路330。充放電電路310中具有電流源CS2。電流源CS2可透過鏡射源電流ISOURCE以產生充電電流。充電電流可以是源電流ISOURCE的N倍，N可以是任意大於0的有理數。電流源CS2所產生的充電電流可透過電晶體MP1所構成的開關流至電容C1以進行充電。另外，電晶體MN1透成另一個開關，並提供電容C1放電至參考接地端GND的路徑。電晶體MP1以及MN1共同接收控制信號S1，電晶體MP1以及MN1並依據控制信號S1導通或被斷開。其中，電晶體MP1以及MN1的導通斷開狀態是互補的。

當電晶體MP1依據控制信號S1被導通時，電容C1依據電流源CS2所產生的充電電流進行充電，並在端點AA上產生充電電壓。基於電流源CS2產生固定的充電電流，端點AA上的充電電壓可以是一個三角波（斜坡）電壓。

比較器320耦接至充放電電路310的端點AA，比較器320另接收參考電壓VR，並具有電流源CS3以提供操作電流。比較器320針對參考電壓VR以及端點AA上的電壓進行比較，並產生比較結果。而電流源CS3透過鏡射補償電流ICOMP來提供操作電流至比較器320，並據以調整比較器320的反應速度。也就是說，當補償電流ICOMP的電流值增大時，比較器320的反應速度可以加快，相對的，當補償電流ICOMP的電流值減低時，比較器320的反應速度可以降低。

在此，舉例來說明，當電阻R1的電阻值因環境溫度變化而上升時，參考電壓VR的電壓將隨之上升，而若此時電容C1的電容值也隨環境溫度變化而上升，則端點AA上的充電電壓要被充電至大於或等於參考電壓VR的時間將會增長，如此一來，依據比較結果所產生的時脈信號CLK的頻率將為降低。對應於此，補償電流ICOMP將對應電阻R1及電容C1所構成的設置時間常數（time constant）以進行設置。在本實施範例中，電阻R1及電容C1所構成的設置時間常數為正溫度係數，而補償電流ICOMP也將對應設置為正溫度係數，並隨溫度升高而提升其電流值。如此一來，比較器320的反應時間可以縮短，補償可能變慢的時脈信號CLK的頻率。

相對的，若電阻R1及電容C1所構成的設置時間常數是負溫度係數，補償電流ICOMP也將對應設置為負溫度係數並藉此調降比較器320的反應速率，並藉此補償可能變快的時脈信號CLK的頻率。

邏輯運算電路330耦接至比較器320以及充放電電路310。邏輯運算電路330接收比較器320所產生的比較結果，並依據比較結果來產生控制信號S1以及透過調整比較結果來產生時脈信號CLK。邏輯運算電路330可透過調整比較結果來產生具有50-50的任務週期（duty cycle）的時脈信號CLK。

以請參照圖4，圖4繪示本發明實施例的時脈信號產生裝置的動作波形示意圖。其中，依據時脈信號產生電路140的電路，端點AA上的電壓與參考電壓VR進行比較。在當端點AA上的電壓小於參考電壓VR時，控制信號S1維持在低電壓準位，並使電晶體MP1導通以使電容C1持續被充電。而在當端點AA上的電壓開始大於參考電壓VR時至端點AA上的電壓上升至最高點的時間區間t1間，比較器320完成反應並提供比較結果使控制信號S1變更為高電壓準位。在時間區間t1後電晶體MP1被斷開，電晶體MN1被導通而使電容C1開始放電。並在時間區間t2間，電容C1持續透過電晶體MN1進行放電，並在時間區間t2後完成放電動作。控制信號S1並對應被切換至低電壓準位。

邏輯運算電路330可依據比較器320的比較結果來產生時脈信號CLK，簡單來說，邏輯運算電路330可針對控制信號S1進行除頻動作以產生任務週期50-50的時脈信號CLK。

由上述說明可以清楚得知，時間區間t1以及t2的大小會依據環境溫度的變化而產生改變，因此，透過補償電流ICOMP針對比較器320的反應時間進行補償，可以有效完成時脈信號CLK的頻率的補償動作。

以下請同時參照圖5及圖6，圖5繪示本發明實施例的時脈信號產生電路的另一實施方式的示意圖，圖6則繪示對應圖5實施例的時脈產生裝置的動作波形圖。時脈信號產生電路500包括充放電電路511、512、比較器521、522以及邏輯運算電路530。充放電電路511具有電流源CS3並提供充電電流，在第一時間區間以通過電晶體MP2對電容C2充電。並且，充放電電路511更提供電晶體MN2所建構的開關使電容C2對參考接地端進行放電動作。另外，充放電電路512也接收電流源CS3所提供的充電電流，並在不重疊於第一時間區間的第二時間區間對電容C3進行充電。並且，充放電電路512也提供電晶體MN3所建構的開關使電容C3對參考接地端進行放電動作。

在本實施方式中，電容C2及C3的材質與電容值實質上均相同。

充放電電路511、512分別透過不同時間區間的電容C2、C3的充電、放電動作，端點BB以及端點CC分別在不同時間區間產生斜波電壓的充電電壓。比較器521及522分耦接至充放電電路511、512。比較器521使端點BB上的電壓與參考電壓VR進行比較並產生第一比較結果，而比較器522則使端點CC上的電壓與參考電壓VR進行比較並產生第二比較結果。邏輯運算電路530則耦接至比較器521及522，並依據比較器521及522所分別產生的第一比較結果以及第二比較結果來產生控制信號S2以及S3。邏輯運算電路530更依據控制信號S2及/或S3可產生時脈信號CLK。舉例來說明，邏輯運算電路530可針對控制信號S2及S3相臨的上升緣（或下降緣）來決定時脈信號CLK的轉態點，或者，邏輯運算電路530可針對控制信號S2或S3進行除頻來產生時脈信號CLK。

附帶一提的，本實施方式中的比較器521及522所分別具有的電流源CS4及CS5均依據補償電流ICOMP來提供操作電流至比較器521及522。舉例來說明，電流源CS4及CS5可依據補償電流ICOMP提供相同電流值的操作電流。

以下請參照圖7，圖7繪示本發明一實施例的時脈信號產生方法的流程圖。其中，步驟S710產生源電流，。並且，在步驟S720中依據源電流來對第一電容進行充電以產生充電電壓。在步驟S730中則依據源電流以及電阻來產生參考電壓。並在步驟S740中，依據上述的第一電容以及電阻的溫度係數特性來產生補償電流。最後，在步驟S750中進行比較充電電壓以及參考電壓來產生時脈信號，並依據補償電流來調整時脈信號的頻率。

關於各步驟的實施細節在前述的多個實施例及實施方式都有詳盡的說明，以下恕不多贅述。

附帶一提的，圖7繪示的步驟710~S750的排列順序僅用以方便於進行文字上的說明，不用以限制各步驟的執行順序。事實上，本發明實施例中利用硬體電路來執行時脈信號產生動作，其中的各部件都可以是並行（concurrency）運作的，沒有特定的順序上的限制。

綜上所述，本發明透過依據電容、電阻時間常數的溫度係數特性來設定補償電流，並透過補償電流的來調整產生時脈信號的比較動作的反應時間，可達到針對時脈信號因電容、電阻值隨溫度變化所產生的頻率漂移的現象進行補償，提升時脈信號的頻率的穩定性。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100：時脈信號產生裝置 110：源電流產生器 120：補償電流產生器 130：參考電壓產生器 140：時脈信號產生電路 ISOURCE：源電流 ICOMP：補償電流 VR：參考電壓 CLK：時脈信號 310、511、512：充放電電路 320、521、522：比較器 330、530：邏輯運算電路 CS1~CS5：電流源 R1：電阻 C1：電容 MN1~MN3、MP1~MP3：電晶體 AA、BB、CC：端點 S1~S3：控制信號 t1、t2：時間區間 I1：電流 VDD：電源電壓 GND：參考接地端 S710~S750：時脈信號產生步驟

圖1繪示本發明一實施例的時脈信號產生裝置的示意圖。 圖2繪示本發明實施例的參考電壓產生器的實施方式的示意圖。 圖3繪示本發明實施例的時脈信號產生電路的實施方式的示意圖。 圖4繪示本發明實施例的時脈信號產生裝置的動作波形示意圖。 圖5繪示本發明實施例的時脈信號產生電路的另一實施方式的示意圖。 圖6則繪示對應圖5實施例的時脈產生裝置的動作波形圖。 圖7繪示本發明一實施例的時脈信號產生方法的流程圖。

100：時脈信號產生裝置 110：源電流產生器 120：補償電流產生器 130：參考電壓產生器 140：時脈信號產生電路 ISOURCE：源電流 ICOMP：補償電流 VR：參考電壓 CLK：時脈信號

Claims (9)

1. 一種時脈信號產生裝置，包括：一源電流產生器，產生一源電流；一補償電流產生器，產生一補償電流；以及一時脈信號產生電路，耦接該源電流產生器以及該補償電流產生器，該時脈信號產生電路具有一第一電容，並依據該源電流對該第一電容充電以產生一充電電壓，使該充電電壓以及一參考電壓進行比較來產生一時脈信號，該時脈信號產生電路依據該補償電流來調整該充電電壓與該參考電壓的比較動作的反應時間，進以調整該時脈信號的頻率，其中，該參考電壓依據該源電流以及一電阻來產生，該補償電流產生器依據該第一電容及該電阻的溫度係數特性來產生該補償電流，其中當該第一電容及該電阻構成的一時間常數為負溫度係數時，該補償電流為負溫度係數，其中當該第一電容及該電阻構成的該時間常數為正溫度係數時，該補償電流為正溫度係數。
2. 如申請專利範圍第1項所述的時脈信號產生裝置，其中更包括：一參考電壓產生器，耦接該時脈信號產生電路以及該源電流產生器，具有該電阻，接收該源電流並依據該源電流以及該電阻產生該參考電壓。
3. 如申請專利範圍第2項所述的時脈信號產生裝置，其中該參考電壓產生器更包括：一電流源，耦接至該電阻，依據該源電流以提供一電流流通該電阻，並在該電流源與該電阻的耦接端點產生該參考電壓。
4. 如申請專利範圍第1項所述的時脈信號產生裝置，其中該時脈信號產生電路包括：一充放電電路，鏡射該源電流以產生一充電電流，並依據一控制信號以使該充電電流對該第一電容充電或使該第一電容對一參考接地端進行放電；一比較器，耦接該充放電電路及該第一電容，針對該參考電壓與該充放電電路與該第一電容耦接端上的該充電電壓進行比較以產生一比較結果，並依據該補償電流調整該比較器的反應速率；以及一邏輯運算電路，耦接該比較器及該充放電電路，依據該比較結果以產生該控制信號，並針對該比較結果進行調整以產生該時脈信號。
5. 如申請專利範圍第4項所述的時脈信號產生裝置，其中該時脈信號的任務週期實質上為50-50。
6. 如申請專利範圍第1項所述的時脈信號產生裝置，其中該時脈信號產生電路包括： 一第一充放電電路，鏡射該源電流以產生一充電電流，並依據一第一控制信號以使該充電電流對該第一電容充電或使該第一電容對一參考接地端進行放電；一第二充放電電路，依據一第二控制信號以使該充電電流對一第二電容充電或使該第二電容對該參考接地端進行放電；一第一比較器，耦接該第一充放電電路及該第一電容，針對該參考電壓與該充放電電路與該第一電容耦接端上的電壓進行比較以產生一第一比較結果，並依據該補償電流調整該比較器的反應速率；一第二比較器，耦接該第二充放電電路及該第二電容，針對該參考電壓與該充放電電路與該第二電容耦接端上的電壓進行比較以產生一第二比較結果，並依據該補償電流調整該比較器的反應速率；以及一邏輯運算電路，耦接該第一比較器、該第二比較器、該第一充放電電路以及該第二充放電電路，分別依據該第一比較結果以及該第二比較結果產生該第一控制信號及該第二控制信號，並依據該第一比較結果及該第二比較結果產生該時脈信號。
7. 如申請專利範圍第6項所述的時脈信號產生裝置，其中該第一電容與該第二電容的材質及電容值均相同。
8. 一種時脈信號的產生方法，包括：產生一源電流；依據該源電流對一第一電容充電以產生一充電電壓； 依據該源電流以及一電阻來產生一參考電壓；依據該第一電容及該電阻的溫度係數特性來產生一補償電流，其中當該第一電容及該電阻構成的一時間常數為正溫度係數時，該補償電流為正溫度係數，其中當該第一電容及該電阻構成的該時間常數為負溫度係數時，該補償電流為負溫度係數；以及比較該充電電壓以及該參考電壓來產生一時脈信號，依據該補償電流用來調整該充電電壓與該參考電壓的比較動作的反應時間，進以調整該時脈信號的頻率。
9. 如申請專利範圍第8項所述的時脈信號的產生方法，其中依據該源電流以及該電阻來產生該參考電壓的步驟包括：使該源電流流通該電阻以產生該參考電壓。