振蕩器及其自校準方法
2023-05-18 10:15:01 1
專利名稱：振蕩器及其自校準方法
技術領域：
本發明涉及集成電路領域，尤其涉及一種振蕩器及其自校準方法。
背景技術：
在大規模數字集成電路中，時鐘信號已成為必不可少的部分。在這些數字系統電路中，常用的時鐘產生電路有三種RC (電阻-電容)振蕩器、環形振蕩器和晶體振蕩器。環形振蕩器的振蕩範圍很寬，穩定度較高，然而環形振蕩器對電源的噪聲很敏感，布局尺寸面積較大。晶態振蕩器頻率很準，而且工作穩定，其精度只與所選擇的晶體器件固有頻率有關，但是晶體振蕩器的功耗較大、價格高，不能集成在晶片的內部。RC振蕩器由於其結構簡單、低功耗、低成本和易於集成等優點而成被廣泛應用於集成電路中的振蕩器電路。但是RC振蕩器的輸出頻率受工作電壓和環境溫度變化的影響較大，另外其工藝相關性也比較差，受到半導體製造方法的影響，在同一晶圓上不同位置製備的振蕩器會產生不同的振蕩頻率。因此現有技術的振蕩器的輸出頻率不準確，需要校準。其他有關振蕩器及其校準方法還可以參考公開號為CN101212212的中國發明專利，其公開了一種具有自校準功能的振蕩器。
發明內容
本發明解決的問題是現有技術的振蕩器的輸出頻率不準確，需要校準。為解決上述問題，本發明技術方案提供了一種振蕩器，包括振蕩單元，用於產生振蕩信號；轉換單元，用於將所述振蕩信號的頻率轉換為電壓信號；比較單元，用於將所述電壓信號與最高頻率電壓和最低頻率電壓比較，並輸出比較結果信號；加減單元，用於保存校準值，根據所述比較結果信號加減校準值，並輸出與所述校準值對應的校準信號；校準單元，用於根據所述校準信號校準所述振蕩信號的頻率。可選的，所述比較單元將所述電壓信號與最高頻率電壓和最低頻率電壓比較，並輸出比較結果信號包括若所述電壓信號低於所述最低頻率電壓，所述比較單元輸出第一比較結果信號；若所述電壓信號低於所述最高頻率電壓且高於所述最低頻率電壓，所述比較單元輸出第二比較結果信號；若所述電壓信號高於所述最高頻率電壓，所述比較單元輸出第三比較結果信號。可選的，所述加減單元根據所述比較結果信號加減校準值包括若所述比較單元輸出第一比較結果信號，所述加減單元根據所述第一比較結果信號對所述校準值加I ;若所述比較單元輸出第二比較結果信號，所述加減單元根據所述第二比較結果對所述校準值保持不變；若所述比較單元輸出第三比較結果信號，所述加減單元根據所述第三比較結果信號對所述校準值減I。可選的，還包括控制單元和鎖存單元，所述控制單元用於產生校準時間窗口，所述鎖存單元用於鎖存所述校準值信號，所述校準單元校準所述振蕩信號的頻率包括判斷是否存在校準時間窗口，若是，則所述校準單元根據所述校準信號校準所述振蕩信號的頻率；若否，則所述鎖存單元鎖存所述校準信號。可選的，所述控制單元為脈衝計數器，所述脈衝計數器通過對所述振蕩信號計數產生校準時間窗口。可選的，所述轉換單元包括頻率數字轉換單元和數字模擬轉換單元，所述頻率數字轉換單元將所述振蕩信號的頻率轉換為數位訊號，所述數字模擬轉換單元再將所述數位訊號轉換為所述電壓信號。可選的，所述比較單元包括第一運算放大器、第二運算放大器和第一反相器，所述第一運算放大器的正向端和第二運算放大器的正向端接所述電壓信號；所述第一運算放大器的反相端接所述最高頻率電壓；所述第二運算放大器的反相端接所述最低頻率電壓；所述第二運算放大器的輸出端接所述第一反相器的輸入端；所述第一運算放大器的輸出端和所述第一反相器的輸出端輸出比較結果信號。對應的，本發明技術方案還提供了一種振蕩器的自校準方法，包括產生振蕩信號；將所述振蕩信號的頻率轉換為電壓信號；將所述電壓信號與最高頻率電壓和最低頻率電壓比較，並輸出比較結果信號；根據所述比較結果信號加減校準值，並輸出與所述校準值對應的校準信號；根據所述校準信號校準所述振蕩信號的頻率。可選的，所述將電壓信號與最高頻率電壓和最低頻率電壓比較，並輸出比較結果信號包括若所述電壓信號低於所述最低頻率電壓，輸出第一比較結果信號；若所述電壓信號低於所述最高頻率電壓且高於所述最低頻率電壓，輸出第二比較結果信號；若所述電壓信號高於所述最高頻率電壓，輸出第三比較結果信號。可選的，所述根據比較結果信號加減校準值包括若所述比較結果信號為第一比較結果信號，所述校準值加I;若所述比較結果信號為第二比較結果信號，所述校準值不變；若所述比較結果信號為第三比較結果信號，所述校準值減I。可選的，還包括在根據所述校準信號校準所述振蕩信號的頻率前，判斷是否存在校準時間窗口，若是，則根據所述校準信號校準所述振蕩信號的頻率，若否，則鎖存所述校準信號。可選的，所述校準時間窗口通過對所述振蕩信號計數產生。可選的，所述將振蕩信號的頻率轉換為電壓信號包括先將所述振蕩信號的頻率轉換為數位訊號，再將所述數位訊號轉換為所述電壓信號。與現有技術相比，上述技術方案的振蕩器，轉換單元將振蕩單元產生的振蕩信號的頻率轉化為電壓信號，然後通過比較單元將所述電壓信號與最高頻率電壓和最低頻率電壓做比較，所述的最聞頻率電壓和最低頻率電壓為振蕩器頻率漂移所允許的最聞頻率和最低頻率對應的電壓值，在比較單元輸出比較結果信號後，加減單元根據所述比較結果信號調整校準值，並輸出與所述校準值對應的校準信號，校準單元根據校準信號校準振蕩信號的頻率，從而對振蕩單元輸出振蕩信號的頻率實現自動校準，確保了振蕩器振蕩頻率的準確。進一步的，上述技術方案的振蕩器，還包括了控制單元和鎖存單元，所述的控制單元通過對振蕩單元產生的振蕩信號計數產生校準時間窗口，在校準時間窗口內所述校準單元根據所述校準信號校準所述振蕩信號的頻率，在校準窗口外，所述鎖存單元鎖存所述校準信號，同時所述校準單元暫停校準所述振蕩信號的頻率，從而實現了周期性的檢測振蕩器頻率並進行校準的功能。
圖1是本發明技術方案的振蕩器的結構示意圖；圖2是本發明實施例的振蕩器的結構示意圖；圖3是本發明實施例的振蕩器的自校準方法的流程示意圖。
具體實施例方式由背景技術可知，現有技術的振蕩器的輸出頻率受工作電壓、環境溫度和製造工藝的影響較大，輸出頻率不準確。因此，為了獲得穩定的振蕩器輸出頻率，需要對振蕩頻率進行校準。請參考圖1，本發明技術方案提供了一種振蕩器，包括振蕩單元101，用於產生振蕩信號；轉換單元102，用於將所述振蕩信號的頻率轉換為電壓信號；比較單元103，用於將所述電壓信號與最高頻率電壓和最低頻率電壓比較，並輸出比較結果信號；加減單元104，用於根據所述比較結果信號加減校準值，並輸出與所述校準值對應的校準信號；校準單元105，用於根據所述校準信號校準所述振蕩信號的頻率。在工作過程中，振蕩器會由於工作電壓和環境溫度的變化，振蕩頻率會發生漂移，在上述技術方案的振蕩器中，轉換單元102將振蕩單元101的產生的振蕩信號的頻率轉化為電壓信號，然後通過比較單元103將所述電壓信號與最高頻率電壓和最低頻率電壓做比較，所述的最聞頻率電壓和最低頻率電壓為振蕩器頻率漂移所允許的最聞頻率和最低頻率對應的電壓值，在比較單元103輸出比較結果信號後，加減單元104根據所述比較結果信號調整校準值，並輸出與所述校準值對應的校準信號，校準單元105根據校準信號校準振蕩信號的頻率。從而實現對振蕩單元101輸出振蕩信號的頻率實現自動校準，確保振蕩器振蕩頻率的準確。下面結合附圖和實施例對本發明具體實施方式
做詳細的說明。請參考圖2，圖2為本發明實施例的振蕩器的示意圖，所述振蕩器包括振蕩單元201、轉換單元202、比較單元203、加減單元204、校準單元205、控制單元206和鎖存單元207。所述振蕩單元201用於產生振蕩信號。本實施例中，所述振蕩單元201為RC振蕩器，所述的RC振蕩器主要由電容器和電阻器組成振蕩迴路，通過電場能和磁場能的相互轉換產生振蕩信號，能將直流電信號轉化為具有一定頻率的交流電振蕩信號。但是RC振蕩器的輸出頻率受工作電壓和環境溫度變化的影響較大，輸出的頻率不穩定，需要校準。所述轉換單元202用於將振蕩單元201產生的振蕩信號的頻率轉換為電壓信號。為了校準所述振蕩信號的頻率，需要將所述振蕩信號的頻率轉化為相應的電壓或者電流與預設的標準頻率對應的電壓或電流做比較，確定所述振蕩信號的頻率是否發生漂移。本實施例中，所述轉換單元202包括頻率數字轉換單元202a和數字模擬轉換單元202b，所述頻率數字轉換單元202a將所述振蕩信號的頻率轉換為數位訊號，所述數字模擬轉換單元202b再將所述數位訊號轉換為所述電壓信號。後續使用比較單元203將轉換單元202轉換所述振蕩信號的頻率獲得的所述電壓信號與最高頻率電壓和最低頻率電壓比較以確定所述振蕩信號的頻率是否發生漂移。所述比較單元203用於將所述電壓信號與最高頻率電壓和最低頻率電壓比較，並輸出比較結果信號。所述的最高頻率電壓和最低頻率電壓為預設的電壓值，所述的最高頻率電壓為振蕩器所允許的最高振蕩信號頻率所對應的電壓值，所述的最低頻率電壓為振蕩器所允許的最低振蕩信號頻率所對應的電壓值，所述最高頻率電壓高於所述最低頻率電壓，若所述振蕩信號的頻率由於工作電壓或者環境溫度的變化發生漂移的範圍超出上述對應的範圍，就需要對振蕩信號的頻率進行校準。所述比較單元203將所述電壓信號與最高頻率電壓Vh和最低頻率電壓\比較，並輸出比較結果信號包括若所述電壓信號低於所述最低頻率電壓\，所述比較單元203輸出第一比較結果信號；若所述電壓信號低於所述最高頻率電壓Vh且高於所述最低頻率電壓Vl,所述比較單元203輸出第二比較結果信號；若所述電壓信號高於所述最高頻率電壓VH，所述比較單元203輸出第三比較結果信號。本實施例中，所述比較單元203包括第一運算放大器203a、第二運算放大器203b和第一反相器203c，所述第一運算放大器203a的正向端和第二運算放大器203b的正向端接所述轉轉換單元202輸出的電壓信號；所述第一運算放大器203a的反相端接所述最高頻率電壓Vh ;所述第二運算放大器203b的反相端接所述最低頻率電壓\ ;所述第二運算放大器203b的輸出端接所述第一反相器203c的輸入端；所述第一運算放大器203a的輸出端和所述第一反相器203c的輸出端輸出比較結果信號V1和V2。當所述轉換單元202輸出的電壓信號輸入所述比較單元203與所述最高頻率電壓和最低頻率電壓比較後若所述電壓信號低於所述最低頻率電壓'，所述第一運算放大器203a的輸出端輸出的比較結果信號V1=O,所述第一反相器203c的輸出端輸出的比較結果信號V2=I ;若所述電壓信號低於所述最高頻率電壓Vh且高於所述最低頻率電壓\，所述第一運算放大器203a的輸出端輸出的比較結果信號V1=O,所述第一反相器203c的輸出端輸出的比較結果信號V2=O;若所述電壓信號高於所述最高頻率電壓Vh，所述第一運算放大器203a的輸出端輸出的比較結果信號V1=I,所述第一反相器203c的輸出端輸出的比較結果
Ih 巧 V2=0。所述加減單元204用於保存校準值，根據所述比較單元203輸出的比較結果信號加減校準值，並輸出與所述校準值對應的校準信號。所述校準值為數字域的二進位數值，所述校準值可以為4位、8位、16位或其他合適的位數，其位數可以根據振蕩器所需的校準精度調整。所述校準值的初始值為振蕩器初始化時所設置，且與振蕩器預設的振蕩信號頻率所對應。所述加減單元204根據比較單元203輸出的比較結果加減校準值包括若所述比較單元203輸出第一比較結果信號，所述加減單元204根據所述第一比較結果信號對所述校準值加I ;若所述比較單元203輸出第二比較結果信號，所述加減單元204根據所述第二比較結果對所述校準值保持不變；若所述比較單元203輸出第三比較結果信號，所述加減單元204根據所述第三比較結果信號對所述校準值減I。本實施例中，所述加減單元204為加減計數器，所述加減單元204輸入所述比較單元203輸出的比較結果信號V1和V2,並根據V1和V2的值來加減校準值若所述第一運算放大器203a的輸出端輸出的比較結果信號V1=O,所述第一反相器203c的輸出端輸出的比較結果信號V2=L則所述加減單元204對所述校準值加I ;若所述第一運算放大器203a的輸出端輸出的比較結果信號V1=O,所述第一反相器203c的輸出端輸出的比較結果信號V2=O,則所述加減單元204對所述校準值保持不變；若所述第一運算放大器203a的輸出端輸出的比較結果信號V1=I,所述第一反相器203c的輸出端輸出的比較結果信號V2=O,則所述加減單元204對所述校準值減I。校準單元205用於根據所述加減單元204輸出的校準信號校準所述振蕩信號的頻率。 所述校準單元205將所述加減單元204獲得的所述校準信號反饋于振蕩單元201,對振蕩信號的頻率進行校準。在RC振蕩器中，對振蕩信號的頻率進行調整可以通過改變對電容的充放電電流來實現。充放電電流由充放電電流源控制，所述充放電電流源通過多個開關控制，開關的導通和關斷可以影響到注入到電容的電流，以此來改變振蕩信號的頻率。本實施例中，所述校準值為數字域的二進位數值，即其每一位為數字域的O或者1，所述校準單元204根據所述校準信號對應的校準值來控制所述振蕩單元201中充放電電流源的開關，即用數字域的O或I來對應充放電電流源的開關，達到改變振蕩單元201中電容的充放電電流，改變所述振蕩信號頻率的目的。所述振蕩器還包括控制單元206和鎖存單元207，所述控制單元206用於產生校準時間窗口，所述鎖存單元207用於鎖存所述校準值信號，所述校準單元206校準所述振蕩信號的頻率包括判斷是否存在校準時間窗口，若是，則所述校準單元206根據所述校準信號校準所述振蕩信號的頻率；若否，則所述鎖存單元207鎖存所述校準信號，同時所述校準單元206暫停校準所述振蕩信號的頻率。本實施例中，所述控制單元206的輸入端與振蕩單元201的輸出端相連，所述控制單元206的輸出端與所述鎖存單元207相連，作為所述鎖存單元207的鎖存信號；所述鎖存單元207的輸入端與所述加減單元204的輸出端相連，所述鎖存單元207的輸出端與所述校準單元205的輸入端相連。所述控制單元206為脈衝計數器，所述脈衝計數器通過對所述振蕩信號計數產生校準時間窗口，在計數值達到設定值時產生校準時間窗口信號，可以通過控制所述計數值的大小來控制所述控制單元206產生校準時間窗口的時機和頻率。所述鎖存單元207為鎖存器，所述的鎖存器輸入端的狀態不會隨輸入端的狀態變化而變化，僅在鎖存信號有效時輸入的狀態被保存到輸出，直到下一個鎖存信號的到來才改變。所述控制單元206在校準時間窗口內，產生校準時間窗口信號，所述鎖存單元207將所述加減單元204輸出的校準信號傳輸到校準單元205對所述振蕩單元201的振蕩信號頻率進行校準；在鎖存時間窗口之外，所述鎖存單元207的輸出端保持不變，所述校準信號被鎖存，校準單元205暫停工作。所述的控制單元206通過對振蕩單元201產生的振蕩信號計數產生校準時間窗口，在校準時間窗口內所述校準單元205根據所述校準信號校準所述振蕩信號的頻率，在校準窗口外，所述鎖存單元207鎖存所述校準信號，同時所述校準單元205暫停校準所述振蕩信號的頻率，從而實現了周期性的檢測振蕩器頻率並進行校準的功能。對應的，請參考圖3，本實施例還提供一種振蕩器的自校準方法，包括如下步驟步驟S201，產生振蕩信號。
步驟S202，將所述振蕩信號的頻率轉換為電壓信號。所述將振蕩信號的頻率轉換為電壓信號包括先將所述振蕩信號的頻率轉換為數位訊號，再將所述數位訊號轉換為所述電壓信號。步驟S203，將所述電壓信號與最高頻率電壓和最低頻率電壓比較，並輸出比較結果信號。所述將電壓信號與最高頻率電壓和最低頻率電壓比較，並輸出比較結果信號包括若所述電壓信號低於所述最低頻率電壓，輸出第一比較結果信號；若所述電壓信號低於所述最高頻率電壓且高於所述最低頻率電壓，輸出第二比較結果信號；若所述電壓信號高於所述最高頻率電壓，輸出第三比較結果信號。步驟S204，根據所述比較結果信號加減校準值，並輸出與所述校準值對應的校準信號。所述根據比較結果信號加減校準值包括若所述比較結果信號為第一比較結果信號，所述校準值加I ;若所述比較結果信號為第二比較結果信號，所述校準值不變；若所述比較結果信號為第三比較結果信號，所述校準值減I。步驟S205，判斷是否存在校準時間窗口，若是，則執行步驟S207，若否，則執行步驟 S206。步驟S206，鎖存校準信號，執行步驟S205。步驟S207，根據所述校準信號校準所述振蕩信號的頻率。本發明雖然已以較佳實施例公開如上，但其並不是用來限定本發明，任何本領域技術人員在不脫離本發明的精神和範圍內，都可以利用上述揭示的方法和技術對本發明技術方案做出可能的變動和修改，因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化及修飾，均屬於本發明技術方案的保護範圍。
權利要求
1.一種振蕩器，其特徵在於，包括 振蕩單元，用於產生振蕩信號； 轉換單元，用於將所述振蕩信號的頻率轉換為電壓信號； 比較單元，用於將所述電壓信號與最高頻率電壓和最低頻率電壓比較，並輸出比較結果信號； 加減單元，用於保存校準值，根據所述比較結果信號加減校準值，並輸出與所述校準值對應的校準信號； 校準單元，用於根據所述校準信號校準所述振蕩信號的頻率。
2.如權利要求1所述的振蕩器，其特徵在於，所述比較單元將所述電壓信號與最高頻率電壓和最低頻率電壓比較，並輸出比較結果信號包括 若所述電壓信號低於所述最低頻率電壓，所述比較單元輸出第一比較結果信號； 若所述電壓信號低於所述最高頻率電壓且高於所述最低頻率電壓，所述比較單元輸出第二比較結果信號； 若所述電壓信號高於所述最高頻率電壓，所述比較單元輸出第三比較結果信號。
3.如權利要求2所述的振蕩器，其特徵在於，所述加減單元根據所述比較結果信號加減校準值包括 若所述比較單元輸出第一比較結果信號，所述加減單元根據所述第一比較結果信號對所述校準值加I ; 若所述比較單元輸出第二比較結果信號，所述加減單元根據所述第二比較結果信號對所述校準值保持不變； 若所述比較單元輸出第三比較結果信號，所述加減單元根據所述第三比較結果信號對所述校準值減I。
4.如權利要求1所述的振蕩器，其特徵在於，還包括控制單元和鎖存單元，所述控制單元用於產生校準時間窗口，所述鎖存單元用於鎖存所述校準值信號，所述校準單元校準所述振蕩信號的頻率包括判斷是否存在校準時間窗口，若是，則所述校準單元根據所述校準信號校準所述振蕩信號的頻率；若否，則所述鎖存單元鎖存所述校準信號。
5.如權利要求4所述的振蕩器，其特徵在於，所述控制單元為脈衝計數器，所述脈衝計數器通過對所述振蕩信號計數產生校準時間窗口。
6.如權利要求1所述的振蕩器，其特徵在於，所述轉換單元包括頻率數字轉換單元和數字模擬轉換單元，所述頻率數字轉換單元將所述振蕩信號的頻率轉換為數位訊號，所述數字模擬轉換單元再將所述數位訊號轉換為所述電壓信號。
7.如權利要求1所述的振蕩器，其特徵在於，所述比較單元包括第一運算放大器、第二運算放大器和第一反相器， 所述第一運算放大器的正向端和第二運算放大器的正向端接所述電壓信號； 所述第一運算放大器的反相端接所述最高頻率電壓； 所述第二運算放大器的反相端接所述最低頻率電壓； 所述第二運算放大器的輸出端接所述第一反相器的輸入端； 所述第一運算放大器的輸出端和所述第一反相器的輸出端輸出比較結果信號。
8.—種振蕩器的自校準方法,其特徵在於,包括產生振蕩信號； 將所述振蕩信號的頻率轉換為電壓信號； 將所述電壓信號與最高頻率電壓和最低頻率電壓比較，並輸出比較結果信號； 根據所述比較結果信號加減校準值，並輸出與所述校準值對應的校準信號； 根據所述校準信號校準所述振蕩信號的頻率。
9.如權利要求8所述的振蕩器的自校準方法，其特徵在於，所述將電壓信號與最高頻率電壓和最低頻率電壓比較，並輸出比較結果信號包括 若所述電壓信號低於所述最低頻率電壓，輸出第一比較結果信號； 若所述電壓信號低於所述最高頻率電壓且高於所述最低頻率電壓，輸出第二比較結果信號; 若所述電壓信號高於所述最高頻率電壓，輸出第三比較結果信號。
10.如權利要求9所述的振蕩器的自校準方法，其特徵在於，所述根據比較結果信號加減校準值包括 若所述比較結果信號為第一比較結果信號，所述校準值加I ; 若所述比較結果信號為第二比較結果信號，所述校準值不變； 若所述比較結果信號為第三比較結果信號，所述校準值減I。
11.如權利要求8所述的振蕩器的自校準方法，其特徵在於，還包括在根據所述校準信號校準所述振蕩信號的頻率前，判斷是否存在校準時間窗口，若是，則根據所述校準信號校準所述振蕩信號的頻率，若否，則鎖存所述校準信號。
12.如權利要求11所述的振蕩器的自校準方法，其特徵在於，所述校準時間窗口通過對所述振蕩信號計數產生。
13.如權利要求8所述的振蕩器的自校準方法，其特徵在於，所述將振蕩信號的頻率轉換為電壓信號包括先將所述振蕩信號的頻率轉換為數位訊號，再將所述數位訊號轉換為所述電壓信號。
全文摘要
一種振蕩器及其自校準方法，其中，所述振蕩器包括振蕩單元，用於產生振蕩信號；轉換單元，用於將所述振蕩信號的頻率轉換為電壓信號；比較單元，用於將所述電壓信號與最高頻率電壓和最低頻率電壓比較，並輸出比較結果信號；加減單元，用於保存校準值，根據所述比較結果信號加減校準值，並輸出與所述校準值對應的校準信號；校準單元，用於根據所述校準信號校準所述振蕩信號的頻率。本發明的振蕩器實現了對振蕩頻率的自校準，保證了振蕩頻率的穩定性。
文檔編號H03L7/00GK103066996SQ201210559559
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月20日 優先權日2012年12月20日
發明者陳丹鳳, 於明 申請人:上海宏力半導體製造有限公司