高度准确的参考振荡器的单插入修整的制作方法
【专利说明】高度准确的参考振荡器的单插入修整
【背景技术】
[0001] 所描述的技术涉及振荡器的修整及校准，且更特定来说涉及可在电子平台中用作 时钟参考的高度准确的振荡器。
[0002] 与例如但不限于供应电压、温度、应力、湿度及老化等不同电及环境条件的变化相 比，时钟参考振荡器必须提供高度稳定的输出频率。此振荡器的修整对达成高性能是必要 的。
[0003] 电子系统由于对支持多个标准、增加的功能性、较高数据速率以及较小大小及较 低成本的存储器的要求而不断增加复杂性，所述不断增加的复杂性促使设计者以深亚微米 互补MOS(CMOS)技术经由芯片上系统（SoC)的开发而增加集成度以受益于增加的门密度。 每一应用需要参考时钟，其中振荡器频率必须不能由于供应电压及温度改变超过特定量而 变化。
[0004] 石英晶体振荡器（XO)是用于产生参考时钟的工业标准。石英晶体的成熟及稳定 技术准许对制造过程的优良控制以选择确切剖切角来产生优越性能。源自石英晶体的极高 品质因数（Q)的晶体振荡器可达成高频率准确性、随温度的低频率漂移及低相位噪声。因 此，晶体振荡器主导商业市场达几十年。然而，晶体既未设法缩放，也不集成，因此限制了参 考时钟的大小及成本减小。
[0005]在使用高Q微电子机械系统（MEMS)谐振器及薄膜腔声谐振器（FBAR)中所做的最 近努力已图解说明将高Q元件及专用集成电路（ASIC)集成于相同封装中的可能性。MEMS 谐振器的成本低于石英谐振器，这是因为单个MEMS晶片上的极高数目个谐振器。晶体振荡 器的昂贵陶瓷封装也减小为低成本塑料封装。然而，基于MEMS的解决方案的组合件成本需 要晶片级封装的MEMS裸片与CMOS裸片相堆叠。另外，需要精心生产测试以在规定温度范 围内将每一部分修整为所需性能。此过程可需要一个以上温度插入以估计温度补偿参数且 将振荡器频率调整为所需值。此使得MEMS及FBAR振荡器的测试成本过高而不能与用于消 费型应用的XO竞争。
[0006]另一方法是使用RC振荡器来产生参考时钟。由于RC振荡器的低品质因数，因此 频率准确性受限制，但可达成优良电力消耗及完全集成，从而使得此解决方案适合于类似 无线传感器网络（WSN)的应用。然而，类似MEMS及FBAR振荡器的RC振荡器的测试成本是 极高的，这是因为通常需要一个以上温度插入点的广泛的修整。
[0007] 替代技术使用基于芯片上LC储能电路（LC-tank)的全硅CMOS参考时钟。此类解 决方案由于其与XO相比的可编程性而通过定义被高度集成且具有短提前期。此外，其可提 供与XO相比的频率准确性及相位噪声性能。然而，LC储能电路的大温度相依性已成为在 设计基于LC储能电路的参考中的主要挑战，此需要复杂的补偿技术来抵消频率变化。为了 成功地达成所需的补偿准确性，必要的是：不仅具有准确温度测量，而且具有跨越温度的振 荡器频率及其频率调谐控制件的精确知识。
[0008]-个修整例程通过在第一温度下使用电容器组来选择中心频率（fj而开始。然 后，在第二温度下算法将一或多个电阻耦合到谐振器作为温度补偿的方法。在此之后，在下 一温度下，算法确定所需校准是否已在预定的温度范围内发生。在未达成所需性能的情况 下，必须迭代地重新进行先前步骤，直到振荡器的总温度相依性在预定的温度范围内最小 化同时获得所需输出频率为止。因此，需要一个以上温度插入点来达成可接受的性能，因此 增加了产品测试的复杂性且因此增加了产品的总体成本。
[0009] 美国专利8, 072, 281中描述了全硅CMOS参考时钟。所述参考时钟使用经设计以 在极特定的低温度敏感性相位操作点处操作的芯片上LC储能电路。因此，架构适用于跨越 温度自补偿的自补偿振荡器（SCO)。
【附图说明】
[0010] 结合附图，根据以下详细说明，可理解本发明。在图式中：
[0011] 图1⑷是图解说明温度空值（temperaturenull)及对应相位的概念的曲线图。
[0012] 图I(B)是针对不同温度范围在温度空值下操作时温度内的频率变化的曲线图。
[0013] 图2是温度补偿LC振荡器的图式。
[0014] 图3是图解说明出于确定振荡频率的温度敏感性的目的的温度调制的图式。
[0015] 图4是用于确定温度敏感性的校准系统的图式。
[0016] 图5是用于确定温度敏感性的另一校准系统的图式。
[0017] 图6(A)是以电路形式图解说明可如何确定相移校准值的图式。
[0018] 图6(B)是图解说明图6(A)的电路的运算的图式。
[0019] 图7(A)是以电路形式图解说明确定相移校准值的不同方式的图式。
[0020] 图7(B)是图解说明图7(A)的电路的运算的图式。
[0021] 图8是以电路形式图解说明可如何确定频率设定校准值的图式。
[0022] 图9是校准过程的流程图。
[0023] 图10是以电路形式图解说明确定频率设定校准的不同方式的图式。
[0024] 图11是用于确定相移及频率设定校准值两者的校准系统的图式。
[0025] 图12是用于确定相移及频率设定校准值两者的另一校准系统的图式。
[0026] 图13⑷是加热器元件的图式。
[0027] 图13(B)是另一加热器元件的图式。
[0028] 图14是振荡补偿与感测电路的图式。
[0029] 图15是温度调制电路的图式。
[0030] 图16是另一温度调制电路的图式。
[0031] 图17是又一温度调制电路的图式。
[0032] 图18是频/数转换器的图式。
[0033] 图19是另一频/数转换器的图式。
[0034] 图20是一般性温度补偿系统的图式。
[0035]图21是用于温度补偿系统的一般性校准系统的图式。
【发明内容】
[0036]自补偿振荡器架构利用相移电路来达成跨越温度的最小频率偏差。其经由数字相 位设定（PS)字提供准确、温度独立及可编程的电相移。SCO需要修整以在预定温度范围内 获得最优操作相位设定（PScipt)且通过设定振荡器的频率设定（FS)将振荡器输出频率调整 为目标频率。
[0037] 在一个实施例中，针对SCO提供SPT算法，从而减小测试成本，同时达成高频率稳 定性。本发明设备能够找到最优相位操作点且同时能够将振荡器频率调整为所需值。因 此，其针对SCO提供稳健、快速及低成本的修整解决方案，从而降低产品测试的复杂性且因 此降低产品的总体成本。
【具体实施方式】
[0038] LC振荡器由LC储能电路及负责克服储能电路损耗的放大器构成。为使振荡器具 有持续的振荡，巴克好森准则（Barkhausencriterion)需要大于整体的开环增益及等于零 的相位。假设所使用的放大器贡献零相位，那么在振荡条件下LC储能电路阻抗ZTank将具有 零相位。图I(B)展示在不同温度下ZTank相位对频率；在温度（(TC到70°C)下与储能电路 相位曲线的零相位交叉产生大的频率变化Af1。如图I(A)中所见，跨越温度的储能电路相 位曲线在其中跨越温度的频率变化最小化（频率变化AfNua)的负相位处交叉。
[0039] 其中频率的最小温度敏感性发生的条件称为LC储能电路温度空值（TNua)且跨越 储能电路的相位称作1如图2中所展示，振荡器可由跨导体级201及相移级203形 成。相位量值是经由具有极精细步长的数字相位设定（PS)字来控制的，而振荡器频率是通 过使用具有极精细步长的频率设定（FS)字来改变储能电路阻抗（ZTank) 205的有效电容值来 调谐。在平稳状态下，跨导体及相移器提供为所需TNULL相位的负的相位。因此，LC储能 电路被迫使在所需非零下振荡。相移电路的最重要设计方面中的一者是提供准确 及温度独立的相位，否则频率偏差将增加。
[0040] SCO依赖于在q?WLL下操作以跨越特定温度范围达成高频率稳定性。然而， CpNULL的值将随着过程、振荡频率及所需操作温度范围而变化。因此，需要修整来补偿这 些变化。修整是在具有高度准确及完全集成的基于LC的参考振荡器中的主要挑战中的一 者，这是因为修整可限制振荡器的总体成本及准确性。修整SCO的主要目标是将振荡器的 相位设定为VNULL且同时将振荡器的频率调整为所需输出频率。
[0041] 存在开发用于SCO的准确、稳健及有成本效益的修整解决方案的许多挑战。第一 个挑战是不存在用于测量跨越温度的储能电路相位以直接确定PWLM直的直接方法。因 此，找到9NULL的蛮力解决方案是测量振荡器的频率，同时在所需操作范围的两个极端温 度点处使PS变化。将两个极端温度点之间的绝对频率差最小化的储能电路PS视为全局 cpNULL。然而，此两个温度点修整解决方案由于两个所需温度插入的高成本而不具有成本 效益。另外，大数目个准确频率测量通常需要极长的测试时间。第二个挑战是CjJNUtt随着 振荡器的频率改变而稍微改变。此外，振荡器的频率取决于储能电路PS字。因此，振荡器 的频率与振荡器的温度相依性之间的此耦合关系迫使多次修整迭代以找到fNULL且同时 将振荡器的频率调整为所需值。
[0042] 以下稳健的芯片上SPT算法克服这两个挑战且使得能够达成高度准确且有成本 效益的SCO参考振荡器。需要修整来设定PScipt，使得振荡器在具有跨越温度的最小频率偏 差的(PULL处操作，且同时通过设定振荡器的FS将振荡器频率调整为所需频率。在修整 之后，将PS及FS的经修整值以数字方式存储于非易失性存储器中以供未来检索，例如一次 性可编程（OTP)的芯片上只读存储器（ROM)。