TWI694675B

TWI694675B - 智慧型具寬操作電壓與溫度補償的低電流振盪電路之方法

Info

Publication number: TWI694675B
Application number: TW108113755A
Authority: TW
Inventors: 李盛城; 林文勝; 蘇育正; 林俊賢; 詹朋翰
Original assignee: 敦宏科技股份有限公司
Priority date: 2019-04-19
Filing date: 2019-04-19
Publication date: 2020-05-21
Also published as: TW202040937A

Abstract

一種智慧型具寬操作電壓與溫度補償的低電流振盪電路之方法，適用於一振盪電路系統，該系統至少包括一振盪器及一微控制器，該振盪器更包含一與一低壓穩壓器連接之正比於絕對溫度(PTAT)電路，該低壓穩壓器上、下分別接有一PMOS二極體陣列與一延遲單元電路，該PMOS二極體陣列連接至該微控制器，該延遲單元電路分別連接至該微控制器與一電壓轉換器(low voltage to high voltage convertor,L2H)。本方法至少包含進行常溫補償演算流程、極高溫智能補償學習演算流程、及極高溫補償流程；藉此，可補償時鐘變異，讓輸出之頻率是穩定且不受電壓或溫度之變化而影響，同時可以抑制製程變異，在製程變異時，因為本電路之設計，使其不會因為製程變異的因素變化下產生太多之誤差，因此能提供時基時鐘所需之高精度、寬操作電壓、寬溫度範圍及低功耗操作等功能。

Description

智慧型具寬操作電壓與溫度補償的低電流振盪電路之方法

本發明係有關於一種智慧型具寬操作電壓與溫度補償的低電流振盪電路之方法，尤指涉及一種可補償時鐘變異，讓輸出之頻率是穩定且不受電壓或溫度之變化而影響，同時可以抑制製程變異，在製程變異時，因為本電路之設計，使其不會因為製程變異因素變化下產生太多之誤差，特別係指能提供時基時鐘所需之高精度、寬操作電壓、寬溫度範圍及低功耗操作等功能者。

在廣泛的物聯網應用當中，應用最多的當屬智慧家庭(Smart Home)，因家庭最貼近民眾生活，將日常生活與物聯網結合，從最初的物聯網裝置到系統整合演變為平台及服務的延伸，此過程為的就是不斷滿足消費者之需求。而其中不管哪一種通訊協定，都包含各式各樣之感測器(Sensor)，這類感測器之應用，大多是電池電源(battery-power)，所以對於低功耗方面有著重大之需求。鑑於感測器永遠在線上監視外部信息，在這種節能系統中，基本上需要有兩個系統時鐘(system clock)，包括操作時鐘(operation clock)與時基時鐘(time base clock)，而在時基時鐘上，需要高精度，寬操作電壓，寬溫度範圍及低功耗操作等需求。

依據感測器系統操作方法，包括傳統驅動式感測器操作模式與事件驅動式感測器操作模式。該事件驅動式感測器系統的節能時間劃分上，包含睡眠模式、監視模式、及數據採集與處理模式。該睡眠模式以定時器增加睡眠功率，其精度決定保護時間週期，該監視模式對於不同之通信協議，模擬電路在保護時間內開啟並且穩定的，以及該數據採集與處理模式係用於數據採集與處理。在傳統驅動式與事件驅動式感測器的操作架構之間的能效比較中，由於事件驅動式感測器使用週期內使用低佔比的運作時間處理(low duty cycle usage)，因此可節省總系統功耗，但其需要低功耗睡眠模式(時基)時鐘來支持睡眠模式。目前相關之習知技術中，相關專利有美國專利案號US 8497741 B2提出一種高精度RC振盪器，其使用參考時鐘並以中央處理單元(central processing unit,CPU)調整粗調位與微調位，以產生64/32/1KHz，並結合正比於絕對溫度(proportional to absolute temperature,PTAT)與絕對溫度互補(complementary to absolute temperature,CTAT)電路產生參考電壓，來補償時鐘溫度變化，使用兩點校正來獲取溫度訊息，然後進行時鐘產生器校正。此專利用於時鐘產生器超溫變化的溫度校正方式僅為一般的兩點校正法。以及美國專利案號US 0327486 A1提出一種電阻電容振盪器(RC oscillator)，其使用反向器(inverter)參數隨製程變異較少與單位緩衝器進行局部電壓跟隨，使得局部電壓隨製程變化較少。使用特殊鑄造製程，讓電阻與溫度無關，僅微調電容以獲得高精度時鐘。此專利利用反向器延遲時間隨電壓與溫度變化較小，局部電壓(Local Voltage)跟隨MOS臨界值電壓變化，正負電容器在給定頻率下充電，使電容器面積減半。另有K.-J.Hsiao提出的相關文獻一(K.-J.Hsiao,“A 32.4 ppm/℃ 3.2-1.6V Self-chopped Relaxation Oscillator with Adaptive Supply Generation,”in VLSI Circuits Symp.Dig.Tech.Paper,June,2012.pp.14-15.)，係一種自截波振盪器架構(self-chopped oscillator)，使用自適應電壓產生時基時鐘，使得時基時鐘與溫度與電壓變異較小。S.C.Lee等人提出的相關文獻二(S.C.Lee,et al.,”A 53.4-μW CMOS temperature sensor with an inaccuracy of±1.9℃(3σ)from-65℃ to 165℃,”IEEE Sensors,Oct.2011.)，利用其MOS二極體陣列高溫會產生漏電流的特性，補償高溫效應並擴展感測器操作範圍，由其溫度感測器的結果可知，在25℃下具有單點校正的誤差重現精度(3σ)。以及Y.Lee等人提出的相關文獻三(Y.Lee,et al.,”A Sub-nW Multi-stage Temperature Compensated Timer for Ultra-Low-Power Sensor Nodes,”IEEE J.Solid-State Circuits,vol.48,no.10,pp.2511-2521,Oct.2013.)，係使用兩種類型之低/高P/Z比(漏電流)來最小化二階溫度效應。

因此，為解決習用之種種缺失，本案之發明人特潛心研究，開發出一種具寬操作電壓與溫度補償的低電流低功耗振盪電路之方法，以有效改善習用之缺點。

本發明之主要目的係在於，克服習知技藝所遭遇之上述問題並提供一種可補償時鐘變異，讓輸出之頻率是穩定且不受電壓或溫度之變化而影響，同時可以抑制製程變異，在製程變異時，因為本電路之設計，使其不會因為製程變異因素變化下產生太多之誤差，因此能提供時基時鐘所需之高精度、寬操作電壓、寬溫度範圍及低功耗操作等功能之智慧型具寬操作電壓與溫度補償的低電流振盪電路之方法。

為達以上之目的，本發明係一種智慧型具寬操作電壓與溫度補償的低電流振盪電路之方法，適用於一振盪電路系統，該系統包括一振盪器、一記憶體、一溫度感測器、及一與該振盪器、該記憶體及該溫度感測器連接之微控制器(Microcontroller Unit,MCU)，該振盪器更包含一PTAT電路，其與一低壓穩壓器(Low Voltage Regulator)連接，該低壓穩壓器上接有一PMOS二極體陣列，其由數顆PMOS二極體並聯組成，該PMOS二極體陣列連接至該微控制器，該低壓穩壓器下接有一延遲單元電路，該延遲單元電路分別連接至該微控制器與一電壓轉換器(low voltage to high voltage convertor,L2H)，該方法至少包含進行極高溫智能補償學習演算(Smart learning algorithm)流程，其流程包含下列步驟：(A1)啟動該溫度感測器量測溫度；(B1)當溫度大於一設定值時，該微控制器檢查時基時鐘是否在校正規格內，是則完成校正流程，否則進行下一步驟(C1)，其中該設定值為85~180℃；(C1)首先設定該PMOS二極體陣列現在位元為1，該微控制器檢查該時基時鐘與指定時鐘之關係以對參數進行調整，當輸出該時基時鐘小於該指定時鐘，決定該PMOS二極體陣列現在位元為1，當輸出該時基時鐘大於該指定時鐘即決定該PMOS二極體陣列現在位元為0，其中該微控制器判斷調整該PMOS二極體陣列位，利用不同漏電流以補償該時基時鐘之變化，係使用該PTAT電路產生與溫度正相關之電流，然後注入該低壓穩壓器內部電路，該低壓穩壓器內部電路會隨製程變異變化並為該延遲單元電路產生不同的低穩定電壓，最後由該延遲單元電路產生指定時鐘輸出(clock output)；以及(D1)驗證該PMOS二極體陣列是否調整至該PMOS二極體陣列最後一位，否則重回步驟(B1)，是則在編程模式下將該數顆PMOS二極體之資料儲存至該記憶體中，並建立對照表(look-up table)，完成校正流程，其對照表可供進行下一次補償使用。

於本發明上述實施例中，該PTAT電路係由一PTAT電流產生器(PTAT Current generator)與一電流鏡組成，該振盪器利用該PTAT電流產生器，產生與溫度正相關之電流，再利用該電流鏡電路將電流轉換並且注入該低壓穩壓器內部電路。

於本發明上述實施例中，該延遲單元電路係由數個反向器與電容陣列串聯組成。

於本發明上述實施例中，該方法更包含進行常溫補償演算流程，其流程包含下列步驟：(A2)將該振盪電路系統初始化並設定該延遲單元電路之預設值；(B2)根據該對照表之校正值檢查該時基時鐘是否在該校正規格內，是則完成校正流程，否則進行下一步驟(C2)；以及(C2)使用窮舉法(Brute-Force Search Method)匹配演算，一次校正(one-shot calibration)找出符合該校正規格內之校正值，完成校正流程。

於本發明上述實施例中，當該極高溫智能補償學習演算流程所產生之時鐘輸出仍在該校正規格外時，會再執行一次該極高溫智能補償學習演算流程，重新調整一次該對照表。

於本發明上述實施例中，該電壓轉換器係將該延遲單元電路產生指定之時鐘輸出轉成系統電壓(VDD)。

於本發明上述實施例中，該記憶體為非揮發性記憶體(Non-Volatile memory,NVM)。

於本發明上述實施例中，該非揮發性記憶體為快閃記憶體(Flash Memory)。

100:振盪電路系統

1:振盪器

11:PTAT電路

111:PTAT電流產生器

112:電流鏡

12:低壓穩壓器

13:PMOS二極體陣列

131:PMOS二極體

14:延遲單元電路

141:反向器

15:電壓轉換器

2:非揮發性記憶體

3:溫度感測器

4:微控制器

s11~s14:步驟

s21~s30:步驟

s31~s34:步驟

第1圖，係本發明之系統架構示意圖。

第2圖，係本發明之硬體架構示意圖。

第3圖，係本發明之細部電路示意圖。

第4圖，係本發明之常溫補償演算流程示意圖。

第5圖，係本發明之極高溫智能補償學習演算流程示意圖。

第6圖，係本發明之極高溫補償流程示意圖。

第7圖，係本發明於極高溫補償模式下之時序圖。

第8圖，係本發明低壓穩壓器電壓輸出之結果示意圖。

第9圖，係本發明wo/w二極體之補償結果示意圖。

第10圖，係本發明系統電壓與低壓穩壓器電壓輸出與製程變異之結果示意圖。

請參閱『第1圖~第10圖』所示，係分別為本發明之系統架構示意圖、本發明之硬體架構示意圖、本發明之細部電路示意圖、本發明之常溫補償演算流程示意圖、本發明之極高溫智能補償學習演算流程示意圖、本發明之極高溫補償流程示意圖、本發明於極高溫補償模式下之時序圖、本發明低壓穩壓器電壓輸出之結果示意圖、本發明有/無二極體(Without/With Diode)之補償結果示意圖、以及本發明系統電壓與低壓穩壓器電壓輸出與製程變異之結果示意圖。如圖所示：本發明係一種智慧型具寬操作電壓與溫度補償的低電流振盪電路之方法，適用於一振盪電路系統100，其架構如第1圖所示，該系統包括一振盪器1、一非揮發性記憶體(Non-Volatile memory,NVM)2、一溫度感測器3、及一與該振盪器1、該非揮發性記憶體2及該溫度感測器3連接之微控制器(Microcontroller Unit,MCU)4，且上述架構於一具體實施例中之硬體及其細部電路設計如第2、3圖所示，該振盪器1結構更包含一正比於絕對溫度(proportional to absolute temperature,PTAT)電路11，係由一PTAT電流產生器(PTAT Current generator)111與一電流鏡112組成，該PTAT電路11與一低壓穩壓器(Low Voltage Regulator)12連接，該低壓穩壓器12上接有一PMOS二極體陣列13，其由數顆PMOS二極體131並聯組成(P_Diode<M：0>)，該PMOS二極體陣列13係連接至該微控制器4，並且，該低壓穩壓器12下方另接有一延遲單元電路14，係由數個反向器141與電容陣列(C_trim<N：0>)串聯組成，該延遲單元電路14分別連接至該微控制器4與一電壓轉換器(low voltage to high voltage convertor,L2H)15。

本發明所提智慧型具寬操作電壓與溫度補償的低電流振盪電路之方法，至少包含進行常溫補償演算流程，如第4圖所示，其流程包含下列步驟：步驟s11，將該振盪電路系統100初始化並設定該延遲單元電路14之預設值，於步驟s12、s13取得來自對照表(look-up table)之校正值，根據該對照表之校正值檢查時基時鐘是否在校正規格內，是則進入步驟s14完成校正流程，否則進行步驟s15，使用窮舉法(Brute-Force Search Method)匹配演算，一次校正(one-shot calibration)找出符合該校正規格內之校正值，最後如步驟s14完成校正。

本發明所提智慧型具寬操作電壓與溫度補償的低電流振盪電路之方法，更包含極高溫(Ultra high temperature)智能補償學習演算(Smart learning algorithm)流程，如第5圖所示，其流程包含下列步驟：步驟s21，啟動該溫度感測器3量測設備溫度，於步驟s22判斷溫度是否大於100℃，當小於100℃時進入步驟s23完成校正流程，而大於100℃則進行步驟s24，由該微控制器4檢查該時基時鐘是否在該校正規格內，是則無需補償調整，直接進入步驟s23完成校正流程，否則進行步驟s25與s26，設定該PMOS二極體陣列13現在位元為1，並且由該微控制器4檢查該時基時鐘與指定時鐘之關係以對該PMOS二極體陣列13位元組進行調整，當輸出該時基時鐘小於該指定時鐘，如步驟s27決定該PMOS二極體陣列13現在位元為1；當輸出該時基時鐘大於該指定時鐘，如步驟s28，決定該PMOS二極體陣列13現在位元為0。其中該微控制器4判斷調整該PMOS二極體陣列13位，利用不同漏電流以補償該時基時鐘之變化，係經由該振盪器1利用該PTAT電路11之PTAT電流產生器111產生與溫度正相關之電流，再利用該電流鏡112電路將電流轉換，然後注入該低壓穩壓器12內部電路，該低壓穩壓器12會隨製程變異變化並為該延遲單元電路14產生不同的低穩定電壓，之後由該延遲單元電路14產生指定時鐘輸出(clock output)，再透過該電壓轉換器15將此時鐘輸出轉成系統電壓(System Voltage,VDD)，例如：將1.1V轉成系統電壓(3.6~1.5V)，端視使用者所需。接著於步驟s29驗證該PMOS二極體陣列13是否調整至PMOS二極體陣列13為最後一位，否則重回步驟s24，是則進入步驟s30，在編程模式下將該數顆PMOS二極體131之資料儲存至該非揮發性記憶體2中，並建立對照表以進行下一次補償，最後如步驟s23完成校正流程。

當上述極高溫智能補償學習演算流程所產生之時鐘輸出仍在該校正規格外時，將進行如第6圖所示之極高溫補償流程，其包含下列步驟：步驟s31，啟動該溫度感測器3量測設備溫度，於步驟s32判斷溫度是否大於100℃，當小於100℃時進入步驟s33完成校正流程，而大於100°C則進行步驟s34，會再執行一次該極高溫智能補償學習演算流程，重新調整一次該對照表。

本發明在首次高溫校正建立對照表並設計為一次性補償。在非揮發性記憶體2中儲存所有資料，且為了提高精準度，感測器可以多做校正之次數來實現智能學習演算法。

如是，藉由上述揭露之各流程構成一全新之智慧型具寬操作電壓與溫度補償的低電流振盪電路之方法。

第7圖為本發明於極高溫補償模式下之時序圖，包含校正模式與編程模式之時序，圖中temp sensor on為溫度過高的時候，就是進行校正時；non-volatile為非揮發性記憶體；CLK為給微控制器之參考時鐘；P_Diode<M：0>為PMOS二極體之控制訊號；Counter Value為校正計數；Low clock為實際上之輸出，例如第1圖所示之10KHz。

第8圖為低壓穩壓器電壓輸出之結果，分別在SS/TT/FF製程變異條件下，系統電壓(VDD)與低壓穩壓器電壓(Low Voltage Regulator Voltage)之關係。由圖可知，本發明可不受製程影響，即使是在最差之SS狀態，本發明會因為其狀態不好自動去做校正、補償。

第9圖為wo/w二極體之補償結果，圖(a)為沒有PMOS二極體補償之頻率與溫度關係圖，圖(b)為具有PMOS二極體補償之頻率與溫度關係圖。由圖可知，作為對照用之圖(a)，因為沒有補償所以頻率會受溫度影響而大幅下降；圖(b)因為有補償，PMOS二極體漏電流將在100℃時啟動補償時鐘輸出(其可指定要進行校正之溫度)，所以頻率不受溫度影響，曲線平穩。

第10圖為系統電壓(VDD)在不同製程變異條件下之結果，顯示頻率不隨電壓改變，透過延遲單元電路控制位元可以調整以滿足頻率要求。

本發明使用之技術手段為：

1.使用PTAT電路產生與溫度正相關之電流，然後利用電流鏡電路將電流轉換並且注入低壓穩壓器內部電路。

2.以低壓穩壓器內部電路會隨製程變異變化並為延遲單元電路產生不同的低穩定電壓。

3.在100℃以上之高溫操作中，以嵌入式微控制器(MCU)判斷調整PMOS二極體陣列之漏電流以補償時鐘的變化，並在編程模式下建立對照表以進行下一次補償，從而能擴展到極高溫操作範圍。

4.智能學習演算法可以擴展時鐘工作在極高溫下。

本發明所得之功效為：

1.使用低壓穩壓器可擴大操作電壓範圍並有效降低功耗。

2.在常溫模式下使用一次校正，可有效降低晶圓測試(Circuit probing,CP)時間。

3. PMOS二極體陣列之漏電流呈指數增加，可找到最合適之補償目標，並可應用於高溫條件下。

4.即時溫度感測器與PMOS二極體陣列補償高溫效應，擴大時鐘工作在極高溫下。

綜上所述，本發明係一種智慧型具寬操作電壓與溫度補償的低電流振盪電路之方法，可有效改善習用之種種缺點，可補償時鐘變異，讓輸出之頻率是穩定且不受電壓或溫度之變化而影響，同時可以抑制製程變異，在製程變異時，因為本電路之設計，使其不會因為製程變異因素變化下產生太多之誤差，因此能提供時基時鐘所需之高精度、寬操作電壓、寬溫度範圍及低功耗操作等功能，進而使本發明之產生能更進步、更實用、更符合使用者之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

s21~s30:步驟

Claims

一種智慧型具寬操作電壓與溫度補償的低電流振盪電路之方法，適用於一振盪電路系統，該系統包括一振盪器、一記憶體、一溫度感測器、及一與該振盪器、該記憶體及該溫度感測器連接之微控制器(Microcontroller Unit,MCU)，該振盪器更包含一正比於絕對溫度(proportional to absolute temperature,PTAT)電路，其與一低壓穩壓器(Low Voltage Regulator)連接，該低壓穩壓器上接有一PMOS二極體陣列，其由數顆PMOS二極體並聯組成，該PMOS二極體陣列連接至該微控制器，該低壓穩壓器下接有一延遲單元電路，該延遲單元電路分別連接至該微控制器與一電壓轉換器(low voltage to high voltage convertor,L2H)，該方法至少包含進行極高溫智能補償學習(Smart algorithm)演算流程，其流程包含下列步驟：(A1)啟動該溫度感測器量測溫度；(B1)當溫度大於一設定值時，該微控制器檢查時基時鐘是否在校正規格內，是則完成校正流程，否則進行下一步驟(C1)，其中該設定值為85~180℃；(C1)該微控制器檢查該時基時鐘與指定時鐘之關係以對參數進行調整，首先設定該PMOS二極體陣列現在位元為1，當輸出該時基時鐘小於該指定時鐘，決定該PMOS二極體陣列現在位元為1，當輸出該時基時鐘大於該指定時鐘即決定該PMOS二極體陣列現在位元為0，其中該微控制器判斷調整該PMOS二極體陣列位，利用不同漏電流以補償該時基時鐘之變化，係使用該PTAT電路產生與溫度正相關之電流，然後注入該低壓穩壓器內部電路，該低壓穩壓器會隨製程變異變化並為該延遲單元電路產生不同的低穩定電壓，最後由該延遲單元電路產生指定時鐘輸出(clock output)；以及(D1)驗證該PMOS二極體陣列是否調整至PMOS二極體最後一位，否則重回步驟(B1)，是則在編程模式下將該數顆PMOS二極體之資料儲存至該記憶體中，並建立對照表(look-up table)，完成校正流程，其對照表可供進行下一次補償使用。
依申請專利範圍第1項所述之智慧型具寬操作電壓與溫度補償的低電流振盪電路之方法，其中，該PTAT電路係由一PTAT電流產生器(PTAT Current generator)與一電流鏡組成，該振盪器利用該PTAT電流產生器，產生與溫度正相關之電流，再利用該電流鏡電路將電流轉換並且注入該低壓穩壓器內部電路。
依申請專利範圍第1項所述之智慧型具寬操作電壓與溫度補償的低電流振盪電路之方法，其中，該延遲單元電路係由數個反向器與電容陣列串聯組成。
依申請專利範圍第1項所述之智慧型具寬操作電壓與溫度補償的低電流振盪電路之方法，其中，該方法更包含進行常溫補償演算流程，其流程包含下列步驟：(A2)將該振盪電路系統初始化並設定該延遲單元電路之預設值；(B2)根據該對照表之校正值檢查該時基時鐘是否在該校正規格內，是則完成校正流程，否則進行下一步驟(C2)；以及(C2)使用窮舉法(Brute-Force Search Method)匹配演算，一次校正(one-shot calibration)找出符合該校正規格內之校正值，完成校正流程。
依申請專利範圍第1項所述之智慧型具寬操作電壓與溫度補償的低電流振盪電路之方法，其中，當該極高溫智能補償學習演算流程所產生之時鐘輸出仍在該校正規格外時，會再執行一次該極高溫智能補償學習演算流程，重新調整一次該對照表。
依申請專利範圍第1項所述之智慧型具寬操作電壓與溫度補償的低電流振盪電路之方法，其中，該電壓轉換器係將該延遲單元電路產生指定之時鐘輸出轉成系統電壓(VDD)。
依申請專利範圍第1項所述之智慧型具寬操作電壓與溫度補償的低電流振盪電路之方法，其中，該記憶體為非揮發性記憶體(Non-Volatile memory,NVM)。
依申請專利範圍第7項所述之智慧型具寬操作電壓與溫度補償的低電流振盪電路之方法，其中，該非揮發性記憶體為快閃記憶體(Flash Memory)。