CN109586673A - 一种动态温度校正的振荡电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供的动态温度校正的振荡电路，适用于半导体技术领域，包括振荡电路和动态温度校正电路，振荡电路包括电容电路，电容电路的下级连接有对时钟频率的温度特性进行补偿的补偿电路，补偿电路会随温度的变化而引起电容电路的充电区间发生变化进而影响充电时间，以利用对电容电路引起的充电时间变化来补偿因温度变化而导致的逻辑门延迟问题；进一步通过动态温度校正电路中的温度传感器读取当前的环境温度，根据当前的环境温度对时钟频率的温度特性进行校正，提升时钟频率随温度变化的稳定性；以实现对在动态温度环境下工作的振荡电路进行校正，使得振荡电路运行更稳定性，适用性更广泛。

Description

一种动态温度校正的振荡电路

技术领域

本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种动态温度校正的振荡电路。

背景技术

在大规模集成电路中，时钟信号是许多电子***中非常重要的组成部分，时钟信号通常由振荡器产生，RC振荡器是应用最为普遍的一种振荡器电路，它的结构简单、可集成度高和成本较低。

但是RC振荡器受工作电压和温度变化的影响大，工艺相关性比较差，精度较差，其误差一般在2％～10％范围。

振荡器性能的好坏对整个***的性能起着至关重要的作用，随着对时钟频率精度以及温度系数要求越来越严格，传统的RC振荡器已经不能够满足***使用需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种动态温度校正的振荡电路，旨在解决由于现有技术无法提供一种在动态温度环境下校正时钟频率的动态温度校正的振荡电路，导致在动态温度环境下时钟频率受温度变化的影响较大，用户体验不佳的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

构造一种动态温度校正的振荡电路，包括振荡电路和动态温度校正电路，其中，所述振荡电路包括起振的电容电路，所述电容电路的下级连接有对时钟频率的温度特性进行补偿的补偿电路；所述动态温度校正电路包括温度传感器，通过所述温度传感器读取当前的环境温度，对所述时钟频率的温度特性进行校正。

本发明所述的动态温度校正的振荡电路，其中，所述振荡电路还包括比较器和稳压电路，所述稳压电路的输出端连接有第一电流镜电路，所述第一电流镜电路还与所述比较器的同向输入端连接，所述比较器的同向输入端还连接有下拉电阻；所述稳压电路的输出端连接有第二电流镜电路，所述第二电流镜电路还与所述电容电路的输入端连接，所述电压比较器的反向输入端也与所述电容电路的输入端连接，所述电容电路的输出端与所述补偿电路连接，所述补偿电路的输出端接地。

本发明所述的动态温度校正的振荡电路，其中，所述比较器的输出端连接有逻辑控制器，所述电容电路的输入端和所述补偿电路的输出端并联有充放电电子开关，所述充放电电子开关受所述逻辑控制器的控制；所述电容电路和所述补偿电路均与外部控制电路连接，所述电容电路包括多个电容和多个电子开关，通过控制多个所述电子开关的通断，以控制多个所述电容并联的个数，实现调整所述电容电路的电容值所述补偿电路包括多个不同阻值的场效应管，通过选用不同阻值的场效应管实现对时钟频率的温度特性进行精准补偿。

本发明所述的动态温度校正的振荡电路，其中，所述动态温度校正电路还包括与所述温度传感器连接的温度阈值窗口检测器，所述温度阈值窗口检测器连接有时钟控制电路和量化器，所述逻辑控制器也与所述时钟控制电路连接，所述时钟控制电路还连接有积分器，所述积分器连接有模数转换器，所述模数转换器连接有第一存储器和第二存储器，所述第一存储器和所述第二存储器均与所述量化器连接，所述量化器还连接有校正所述比较器的偏置电流的温度特性的校正电路。

本发明所述的动态温度校正的振荡电路，其中，所述校正电路包括微处理器和多个场效应管，多个所述场效应管均与所述微处理器连接，所述微处理器与所述量化器连接。

本发明提供的动态温度校正的振荡电路，包括振荡电路和动态温度校正电路，振荡电路包括电容电路，电容电路的下级连接有对时钟频率的温度特性进行补偿的补偿电路，补偿电路会随温度的变化而引起电容电路的充电区间发生变化进而影响充电时间，以利用对电容电路引起的充电时间变化来补偿因温度变化而导致的逻辑门延迟问题；进一步通过动态温度校正电路中的温度传感器读取当前的环境温度，根据当前的环境温度对时钟频率的温度特性进行校正，提升时钟频率随温度变化的稳定性；以实现对在动态温度环境下工作的振荡电路进行校正，使得振荡电路运行更稳定性，适用性更广泛。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的动态温度校正的振荡电路的结构框图；

图2是本发明实施例二提供的动态温度校正的振荡电路的基准校验码存储过程的原理图；

图3是本发明实施例二提供的动态温度校正的振荡电路的动态温度校正过程原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：

实施例一：

图1示出了本发明实施例一提供的动态温度校正的振荡电路的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

在本发明实施例中，动态温度校正的振荡电路包括振荡电路和动态温度校正电路，振荡电路包括产生振荡电流的电容电路K，电容电路K的下级连接有对时钟频率的温度特性进行补偿的补偿电路M；动态温度校正电路包括温度传感器TempSensor，通过温度传感器TempSensor读取当前的环境温度，对时钟频率的温度特性进行校正；本发明提供的动态温度校正的振荡电路，包括振荡电路和动态温度校正电路，振荡电路包括电容电路K，电容电路K的下级连接有对时钟频率的温度特性进行补偿的补偿电路M，补偿电路M会随温度的变化而引起电容电路K的充电区间发生变化进而影响充电时间，以利用对电容电路引起的充电时间变化来补偿因温度变化而导致的逻辑门延迟问题；进一步通过动态温度校正电路中的温度传感器TempSensor读取当前的环境温度，根据当前的环境温度对时钟频率的温度特性进行校正，提升时钟频率随温度变化的稳定性；以实现对在动态温度环境下工作的振荡电路进行校正，使得振荡电路运行更稳定性，适用性更广泛。

如图1所示，振荡电路还包括比较器COMP和稳压电路LDO，稳压电路LDO的输出端连接有第一电流镜电路(图中未显示)，第一电流镜电路还与比较器COMP的同向输入端连接，比较器COMP的同向输入端还连接有下拉电阻R；稳压电路LDO的输出端连接有第二电流镜电路(图中未显示)，第二电流镜电路还与电容电路K的输入端连接，电压比较器COMP的反向输入端也与电容电路K的输入端连接，电容电路K的输出端与补偿电路M连接，补偿电路M的输出端接地；进一步提高时钟频率的精度。

如图1所示，比较器COMP的输出端连接有逻辑控制器LogicControl，电容电路K的输入端和补偿电路M的输出端并联有充放电电子开关S，充放电电子开关S受逻辑控制器LogicControl的控制；电容电路K和补偿电路M均与外部控制电路连接，电容电路K包括多个电容(图中未显示)和多个电子开关(图中未显示)，通过控制多个电子开关的通断，以控制多个电容并联的个数，实现调整电容电路的电容值补偿电路M包括多个不同阻值的场效应管(图中未显示)，通过选用不同阻值的场效应管实现对时钟频率的温度特性进行精准补偿。

如图1所示，动态温度校正电路还包括与温度传感器TempSensor连接的温度阈值窗口检测器TempWindowDetect，温度阈值窗口检测器TempWindowDetect连接有时钟控制电路ClockControl和量化器Quantizer，逻辑控制器LogicControl也与时钟控制电路ClockControl连接，时钟控制电路ClockControl还连接有积分器Integrator，积分器Integrator连接有模数转换器ADC，模数转换器ADC连接有第一存储器Memory1和第二存储器Memory2，第一存储器Memory1和第二存储器Memory2均与量化器Quantizer连接，量化器Quantizer还连接有校正比较器COMP的偏置电流的温度特性的校正电路N。

如图1所示，校正电路N包括微处理器(图中未显示)和多个场效应管(图中未显示)，多个场效应管均与微处理器连接，微处理器与量化器Quantizer连接。

实施例二：

图1示出了本发明实施例二提供的动态温度校正的振荡电路的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

本发明实施例中，振荡电路包括稳压电路LDO，将电源电压VDD稳压输出VLDO给振荡电路核心器件提供稳定的工作电压，消除电源电压对时钟频率的影响。电流I1在下拉电阻R上产生参考电压VREF连接比较器COMP的正输入端，参考电压VREF＝I1*R，电流I2给电容电路K提供充/放电电流，电容电路K连接比较器COMP的负输入端，与参考电压VREF比较。根据比较器COMP的输出结果，逻辑控器LogicControl控制电容电路K充放电电子开关S的导通与断开来产生时钟信号。

根据公式(1)：获取时钟频率，其中C_total为电容电路K输出的电容量，f为时钟频率。时钟频率往往很容易受到工艺变化影响，本发明通过外部控制电路控制电容电路K中的多个电子开关的通断，以精准控制电容并联的个数实行控制输出的总电容量，即是对公式(1)中的C_total进行修调，在芯片出厂时对时钟频率进行校准，保证时钟频率的精度，消除了时钟频率受工艺变化的影响。

在电容电路1的下方接入补偿电路2对时钟频率的温度特性进行第一次补偿。利用补偿电路2中的场效应管的沟道电阻随温度的变化而变化，变化的沟道电阻会使电容充电区间发生变化从而引起充电时间变化，利用所引起的充电时间变化来补偿因温度变化而导致的逻辑门延迟时间。通过外部控制电路选用补偿电路M中合适沟道电阻的场效应管接入振荡电路进行温度补偿。通过此方案对时钟频率的温度特性进行第一次修调，其温度特性可以实现±2％误差范围之内，相比于传统的振荡器，很大程度上消除了温度变化对时钟频率的影响。

基于对时钟频率温度特性进行第一次校正的基础上，本发明还增加了动态温度校正技术对时钟频率温度特性进行第二次修调。其完整结构包括：温度传感器TempSensor检测出当前工作环境温度，并将检测到的温度值送入到温度阈值窗口检测器TempWindowDetect中，当温度阈值窗口检测器TempWindowDetect检测到对应的温度值落在阈值窗口内，则通过时钟控制电路ClockControl激活积分器Integrator，并使能量化器Quantizer。积分器Integrator对指定的电压信号开始积分，积分器Integrator的积分输出电压经过模数转换电路ADC进行转换，模数转换电路ADC输出当前环境温度校验码和基准检验码通过量化器Quantizer进行比较从而产生一组温度校正码去调节振荡电路频率的温度特性。

上述提到的振荡电路在出厂前在室温环境T_R℃下会进行时钟频率校正，将此时钟频率f_R定义为室温基准校正频率。

动态温度校正技术的基本原理就是通过温度传感器TempSensor检测出当前环境温度，并将该温度值送入温度阈值窗口检测器TempWindowDetect内，当温度阈值窗口检测器TempWindowDetect检测到对应温度值落在室温TR±ΔT阈值窗口内，则启动基准校验码存储，基准校验码存储通过时钟控制电路ClockControl来激活积分器Integrator，在规定的时钟计数长度内对指定电压进行积分，积分的结果通过模数转换器ADC转换为相应的数字码保存在***存储器(第一存储器Memory1)内作为基准校验码D_ref。

随着环境温度变化漂移，当温度阈值窗口检测器TempWindowDetect检测到环境温度值落在其它非室温环境温度TN±ΔT阈值窗口内(将整个温度范围分为TN＝TR+2K*ΔT，K＝0，±1，±2……)，则启动相应的振荡频率温度校正，振荡频率温度校正同样通过时钟控制电路ClockControl激活积分器Integrator，在规定相同的时钟计数长度内对同一指定电压进行积分，积分的结果同样通过模数转换器ADC转化为相应的数字码记录在***存储器(第二存储器Memory2)内，记录为D_ENV，D_ENV对应为当前环境温度的校验码。D_ENV和先前的基准校验码D_ref通过量化器Quantizer进行比较从而产生一组温度校正码(既第二温度校正码Tt2<n-1:0>)去调节振荡电路的频率温度特性。因为时钟计数长度与振荡电路的频率相关，当振荡电路的频率f_N相比于室温基准校正频率f_R偏大或偏小时，相应的时钟计数长度也会变短或变长，积分器Integrator的积分输出电压会跟着变小或变大，通过反馈进而调节温度校正码往负向或正向变化，最终使得振荡电路的频率f_N稳定在基准室温校正频率f_R附近，减少振荡电路的温度偏移，进一步消除了时钟频率受温度变化的影响。

如图2所示的本发明提供的基准校验码存储过程的原理图，初始状态时积分器Integrator处于复位状态，每次积分转换完成后积分器Integrator通过RST信号控制重新复位；温度传感器TempSensor检测出当前环境温度，并将该温度值送入温度阈值窗口检测器TempWindowDetect内，当温度阈值窗口检测器TempWindowDetect检测到对应温度值落在室温TR±ΔT阈值窗口内，则启动基准校验码存储，基准校验码存储通过时钟控制电路ClockControl对振荡电路中的时钟信号进行控制来激活积分器Integrator，时钟控制电路ClockControl给积分器Integrator提供时钟信号，积分器Integrator对Vin信号开始积分，积分器Integrator对Vin信号积分N个Clock周期后得到电压Vo1，电压Vo1经过模数转换器ADC转换得到基准校验码D_ref，将准校验码D_ref保存到第一存储器Memory1中，完成转换后积分器Integrator重新复位，此时第二次温度校正码Tt2<n-1:0>保持默认值。

如图3所示的本发明提供的动态温度校正过程原理图，随着环境温度变化漂移，当温度阈值窗口检测器TempWindowDetect检测到环境温度值还落在室温温度TR±ΔT阈值窗口内，由温度阈值窗口检测器TempWindowDetect控制时钟控制电路ClockControl使得积分器Integrator不工作，并同时关闭量化器Quantizer，则此时第二次温度校正码Tt2<n-1:0>继续保持默认值。当温度阈值窗口检测器TempWindowDetect检测到环境温度值落在其它非室温环境温度TN±ΔT阈值窗口内时，则启动相应振荡频率温度校正，振荡频率温度校正同样通过时钟控制电路ClockControl激活积分器Integrator，积分器Integrator重新对同一Vin信号开始积分，积分器Integrator对Vin信号同样是积分N个Clock周期，此时积分得到电压Vo2，电压Vo2经过模数转换器ADC转换得到校验码D_ENV，将D_ENV保存到第二存储器Memory2中，再将第一存储器Memory1中基准校验码D_ref读出，校验码D_ENV和基准校验码D_ref通过量化器Quantizer进行比较，从而产生一组温度校正码(既第二温度校正码Tt2<n-1:0>)去控制校正电路N选用合适的场效应管对比较器COMP的偏置电流I的温度特性进行修调，使得振荡电路的频率f_N稳定在室温基准校正频率f_R附近。

通过上述一样的校正方法，通过第二温度校正码Tt2<n-1:0>对比较器COMP偏置电流I的温度特性动态修调，使得在一段宽温度范围内振荡电路的频率f_N都稳定在室温基准校正频率f_R附近。将时钟频率经过补偿后的温度曲线动态拟合成新的温度曲线，实现对时钟频率的温度特性进行动态校正，时钟频率随温度变化的稳定性改善到±0.5％误差范围内。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种动态温度校正的振荡电路，包括振荡电路和动态温度校正电路，其特征在于，所述振荡电路包括起振的电容电路，所述电容电路的下级连接有对时钟频率的温度特性进行补偿的补偿电路；所述动态温度校正电路包括温度传感器，通过所述温度传感器读取当前的环境温度，对所述时钟频率的温度特性进行校正。

2.如权利要求1所述的动态温度校正的振荡电路，其特征在于，所述振荡电路还包括比较器和稳压电路，所述稳压电路的输出端连接有第一电流镜电路，所述第一电流镜电路还与所述比较器的同向输入端连接，所述比较器的同向输入端还连接有下拉电阻；所述稳压电路的输出端连接有第二电流镜电路，所述第二电流镜电路还与所述电容电路的输入端连接，所述电压比较器的反向输入端也与所述电容电路的输入端连接，所述电容电路的输出端与所述补偿电路连接，所述补偿电路的输出端接地。

3.如权利要求2所述的动态温度校正的振荡电路，其特征在于，所述比较器的输出端连接有逻辑控制器，所述电容电路的输入端和所述补偿电路的输出端并联有充放电电子开关，所述充放电电子开关受所述逻辑控制器的控制；所述电容电路和所述补偿电路均与外部控制电路连接，所述电容电路包括多个电容和多个电子开关，通过控制多个所述电子开关的通断，以控制多个所述电容并联的个数，实现调整所述电容电路的电容值所述补偿电路包括多个不同阻值的场效应管，通过选用不同阻值的场效应管实现对时钟频率的温度特性进行精准补偿。

4.如权利要求1所述的动态温度校正的振荡电路，其特征在于，所述动态温度校正电路还包括与所述温度传感器连接的温度阈值窗口检测器，所述温度阈值窗口检测器连接有时钟控制电路和量化器，所述逻辑控制器也与所述时钟控制电路连接，所述时钟控制电路还连接有积分器，所述积分器连接有模数转换器，所述模数转换器连接有第一存储器和第二存储器，所述第一存储器和所述第二存储器均与所述量化器连接，所述量化器还连接有校正所述比较器的偏置电流的温度特性的校正电路。

5.如权利要求4所述的动态温度校正的振荡电路，其特征在于，所述校正电路包括微处理器和多个场效应管，多个所述场效应管均与所述微处理器连接，所述微处理器与所述量化器连接。