无基准时钟电路的制作方法

专利名称：无基准时钟电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及振荡器电路，更为具体的是在没有诸如晶体之类的基准 源的情况下运行的振荡器电路。
背景技术：
现在市场上提供的相当大比例的时钟芯片基于晶体振荡器。这些方
法通常可以实现很好的频率稳定性，例如在士10ppm的数量级。然而， 这种时钟芯片需要使用晶体以及密封封装，造成了附加成本。此外，不 是所有的应用都需要频率精度。

发明内容
相应地，本发明一方面提供了一种可编程无基准振荡器电路，所述 电路提供宽范围的可编程输出频率。可编程无基准振荡器可在集成电路
上实现，包括以开环结构设置的诸如压控振荡器(vco)之类的可控振
荡器。可编程分频器电路被耦合以便根据可编程分频值对可控振荡器电 路的输出进行分频。非易失性存储器存储编程分频值和用于控制可控振 荡器电路的输出的控制字。所述控制字提供校准能力，以与可编程分频 器电路一起实现所需的输出频率。根据集成电路上的温度传感器检测的 温度，通过调节控制字实现开环温度补偿。
一个实施例提供了一种用于操作集成电路的方法。该方法包括至少 部分地根据非易失性存储器上存储的值来确定可控振荡器的控制信号， 向可控振荡器提供控制信号，从而确定可控振荡器的输出以及在分频器 电路中对可控振荡器的输出进行分频。分频器电路的分频值也可以存储 在非易失性存储器中。根据温度传感电路中感测的温度，通过调节控制 信号提供开环温度补偿。所述方法还可以包括根据检测到的温度和与集 成电路相关的一个或多个工艺参数调节控制信号。另一个实施例提供了一种配置集成电路的方法，所述集成电路作为 振荡器提供所选输出频率。该方法包括为分频器电路编程分频值，所述 分频器电路对开环结构的集成电路上的可控振荡器电路的输出进行分 频，分频器电路的输出信号的频率不同于所选输出频率。改变控制可控 振荡器电路的输出的控制值，直到分频器电路的输出信号为所选输出频 率。所述控制值存储在非易失性存储器中。分频值也存储在非易失性存 储器中。所述方法还可以包括在非易失性存储器中存储根据检测到的温 度调节控制值的相关信息。所述方法还可以包括存储当无基准振荡器提 供所选输出频率时，与无基准振荡器的温度传感器检测到的一个或多个 温度相关的信息。


参考附图，本领域普通技术人员可以更好地理解本发明及其各目 的、特征和优点。
图1示出了根据本发明实施例所述的无基准振荡器的结构框图。
图2示出了如何实现范围内的所有频率。
图3示出了不同工艺频率一温度曲线，体现了校准和温度补偿的不 同方面以及与本发明各实施例相关的工艺变化。
图4示出了根据本发明实施例所述的示例振荡器电路的平面图。 不同附图中使用相同的附图标记表示相近或者相同的项目。
具体实施例方式
存在大量使用时钟芯片的应用，其中士100ppm的精度是足够的。这 里描述了一种形成时钟芯片的结构，在不使用诸如晶体或者表面声波 (SAW)振荡器之类的基准源情况下，所述芯片可以在完全集成的硅解 决方案中实现合适的精度，无需要求密封封装，制造成本很低。在优选 实施例中，裸片尺寸很小(例如<0.5mm2)。优选实施例还可以包括低 引脚数，且与已有晶体振荡器封装和连接头(pin-out)兼容。例如，在 一个实施例中集成电路可以具有VDD、 GND、 XOUT和ENABLE引脚， 其中VDD和GND分别是电源和接地，XOUT是时钟输出信号，ENALBE实现时钟输出信号。注意，术语"引脚"一般用于指集成电路和外部信号 之间的任何形式的连接。其他实施例可以具有更多或更少的引脚。
一些实施例可能利用其中一个引脚，例如ENABLE引脚，用于与
无晶体振荡器电路的串行通信，以实现编程或者校准目的。其他实施例 可以提供独立的串行通信端口。例如， 一个实施例可以提供独立的串行
通信，包括SCLK、 SDI禾口SEN，其中SCLK、 SDI和SEN分别是串行
端口时钟、数据和使能信号。也可以使用其他合适的单针或者多针串行 通信端口 。
此外，可以利用这里的方法提供裸片，所述裸片可以生成特定范围 内的所有频率，例如高达几百MHz。还有，这里描述的结构允许数字化 定义或者控制输出频率，而不是需要不同的晶体生成不同的频率。时钟 频率可以在工厂确定，并存储在非易失性存储器中。
图1示出了根据本发明实施例所述的无基准时钟芯片100的结构框 图。系统的核心是在开环结构中获得温度补偿的自由压控振荡器(free running voltage controller oscillator) (VCO) 101。 VCO 101向可编程分 频电路103提供输出。所示实施例包括稳压器电路115，向VCO 101提 供稳定电压。数字一模拟转换器(DAC) 105从控制逻辑109接收控制 字，以微调自由VCO101的输出。在校准过程中确定控制字的值，并被 存储在非易失性存储器111中。控制字的值可以在操作过程中基于温度 发生变化。温度传感器113向模拟一数字转换器107提供检测到的温度 的值，所述转换器将检测到的温度转换为数字值。代表检测到的温度的 所述数字值用于调节提供给DAC 105的控制字。不同类型的振荡器可以 用作自由振荡器101。 一个实施例使用基于键合线LC的振荡器电路。 另一个实施例使用基于集成电感LC的VCO。也可以使用基于RC的 VCO结构或者基于环形振荡器的结构。因此，自由振荡器101是可控振 荡器，典型地是VCO，但是也可以使用其他适合的振荡器。可控振荡器 可以直接嵌入裸片，或者振荡器的一部分(例如电感或电感的一部分) 可以在裸片外部形成且包括在封装集成电路内。
VCO 101可以在频率(fo)至(fo + Af)之间操作，其中Af代表调 谐范围。通过分频，可以产生(fo/N)至(fo + Af) /N的频率。如果N是可编程的，那么有可能生成特定范围内所有可能的频率。参考图2， 为了生成所有可能的频率，调谐范围需要重叠fo/(K-l)S(fo+Af)/K。也
就是Af/fo^ 1/(K-l)。因此为了得到小的VCO调谐范围(简化VCO)， 需要较大K值，也就是较大分频值N，以及因此较高的VCO频率。例 如，在示例实施例中，压控振荡器(VCO)在3GHz运行(调谐范围的 下限)，需要从振荡电路100产生高达100MHz的输出时钟频率。因此 最小分频值N是3000(MHz)/100MHz二30。那样产生调谐范围Af/f^1/30 或者3.33% (或者围绕调谐范围中心土大约该比例的一半)。
为了针对特定裸片编程输出频率，选择分频值N以达到所需频率 (在调谐范围内)。对于给定的所需频率输出，控制逻辑109可以在给定 的时间周期内计数周期数并确定VCO频率(最小值和最大值)。例如， 假定VCO输出通常为4GHz。可以向控制逻辑提供已知时钟，且控制逻 辑109计数VCO输出周期数(或者VCO输出的分频结果)。由于已知 提供给控制逻辑的时钟频率，在给定时间周期内由控制逻辑计数的VCO 周期数，例如在毫秒范围内，可以用于确定VCO输出频率。然后可以 为可编程分频器103选择分频值(N)，以实现目标振荡频率，以便输出 频率接近所需值。N的数值可以存储在非易失性存储器(NVM)中。可 以通过使用任何合适的非易失性存储技术形成所述非易失性存储器，包 括一次性可编程存储器。然而，即使确定了N，也未必能实现精确的频 率，尽管由N确定的频率在VCO的调谐范围Af之内。因此，由于频率 非常接近但不精确，需要执行精细"校准"，以获得目标频率。此外，还 需要保证可以在所有温度下获得目标频率。为了实现温度补偿，将利用 在此描述的开环补偿方法。
参考图3，注意在定义N数值之后，振荡频率在A点，非常接近所 需的目标频率(B点)。因此例如在工厂环境中，通过驱动数字字经过 DAC以改变VCO频率，频率从A点改变至B点。也就是，数字字需要 移动频率至工厂校准温度下的目标振荡频率。可以使用上述用于精细校 准的相同方法对N进行校准。也就是，控制逻辑109可以在己知时间周 期内计数VCO的输出周期，直到实现所需频率。 一旦确定用于VCO的 数字控制字，控制字将存储在NVM 111中，由芯片上温度传感器测定的相应温度也被存储。本领域普通技术人员还知道许多其他的校准方法。 例如，可以在外部测定输出频率，还可以通过串行接口提供用于粗调的
分频值N和用于微调的提供给DAC 105的控制值。注意，可以在两个
或者多个温度下进行校准，以获得更好的精度。
为了获得与单一的开环结构中自由VCO相比更高的输出时钟精 度，采用开环温度补偿方案。参考图3所示的不同工艺频率一温度曲线。 作为温度的函数，集成电路将具有温度一频率分布。所述分布可以通过 曲线301和303中任一条曲线体现，两条曲线代表不同的工艺拐点 (process corner)。所述分布可以体现并存储在NVM 111中。在正常操 作中，温度传感器113检测温度并向模拟一数字转换器(ADC) 107提 供代表该温度的模拟值。ADC 107向控制逻辑109提供该温度的数字表 示，所述控制逻辑利用数字值从NVM 111中读取适当的补偿因子并将 该值应用于DAC 105以将VCO频率转至正确目标。利用这一温度补偿 方法，频率可以在不同温度保持恒定，或者更为确切地，在士100ppm的 示范性目标范围内恒定。注意，补偿方案会在非易失性存储器中存储温 度一频率补偿表，或/和存储拟合方程，所述拟合方程允许温度校正计算 应用于VCO。
因此，在正常操作过程中，开环频率补偿用于解决温度变化。也就 是，在正常操作过程中，控制逻辑向DAC105提供在校准期间确定的数 字字的合适值，以按照基于检测到的温度确定的任何校正因子精细地补 偿至所需输出频率。所述值提供给自由VCOIOI。此外，通过可编程N 分频电路103利用存储在NVM中的N值。注意，开环频率补偿可以在 相对低的频率/速率下完成，因为它仅需要随着温度这一缓慢变化的变量 变化。在一个实施例中，通过微控制器实现控制逻辑109，例如8052微 控制器。
图4示出了一个实施例的平面图，其中8052微控制器用于振荡电 路100的控制逻辑部分109。图4所示的实施例包括分别用于SB (待机 或使能)、VDD、 GND和OUT的焊盘401、 402、 403和404。此外，在 8052微控制器中提供焊盘405用于通过例如串行端口 406对8052进行 编程/控制。所述数字控制振荡器包括电感413和放大器415。调节器409为VCO提供功率调节。用于VCO控制值的数字一模拟转换器是A-.S转
换器417。用于温度传感器419的模拟一数字转换器是循环(cyclic) A/D 转换器421。此处还描述了工艺传感器423的使用。
与温度补偿相关的有两个重要的假设。第一个假设是温度/频率补偿 是确定的，即不是随机函数。实际上，事实确实如此，因为频率仅取决 于不含"随机"成分的物理参数。例如，LC振荡器的第一级取决于电感L (以几何方式确定)和电容C (几乎以几何方式确定)。因此最重要的参 数是材料的热膨胀系数。例如，在某些实现方式中，以非常系统的方式 在20ppmTC数量级实现LC VCO，其可以通过上述温度补偿方案补偿。 注意，20ppmTC表示2000ppm/10(TC或者士1000ppm/10(rC。假定可以使 用上述温度补偿方案实现IO倍的补偿，则在10(TC上产生大约士100ppm 的未补偿频率误差。
第二个假设是所述补偿是工艺不敏感的。然而，未必完全如此。例 如，在LC中，电容C在一定程度上取决于工艺拐点。然而，大部分依 赖仍然是工艺不敏感的。再次参考图3，通过对应两个工艺拐点的两条 曲线301和303可以看出温度敏感性可能具有工艺依赖性这一事实。注 意，当所示曲线在目标频率交叉时，可能使用的其他工艺曲线有可能在 不同于目标频率的位置交叉或者根本不交叉。如果理解对于工艺拐点的 物理依赖性(通常可以理解)，那么温度补偿方法可以扩展至包括具有工 艺依赖性的相关参数的"工艺传感器"，使用存储在NVM中的一些更为 复杂的査找表或者一些校正因子以改进可能在微控制器上执行的补偿代 码。也就是，工艺传感可以用于进一步改进频率补偿，所述频率补偿基 于频率一工艺参数的物理理解或者完全基于工艺的广泛特征。
在示例实施例中，工艺传感器(或者传感器)117探测一个或者多 个工艺参数，例如在标称温度下的一个或者多个下阈值电压。探测到的 工艺参数用于确定对温度补偿的进一步细化。其他实施例可能包括附加 的传感器，所述传感器与电容(例如与电容器相关的氧化物)，互连线或 者电路元件的电阻，迁移率，或者其他感兴趣的工艺依赖参数等有关。 所用的特定传感器依赖于所用的工艺，以及对校正任何特定工艺变化的 重要性的确定。通过描述适合的工艺，特定的振荡器电路可以实现更精确的温度补偿，例如通过根据合适的曲线301或303补偿温度变化。
工艺补偿仅仅是整体的概念的一个渐进的改善，以获得更高的频率
精度。不同实施例可以决定是否使用它，取决于在此所述无基准振荡器
的特定应用或者硬件实现。
因此，描述了不同实施例以实现无基准振荡器电路。在此阐述本发
明的描述是示例性的，并非意在限制所附权利要求中阐述的发明范围。
在此公开的实施例的其他变化和改造可以基于在此描述的基础上，而不
偏离所附权利要求中阐述的发明范围。
权利要求
1. 一种集成电路，所述集成电路包括可控振荡器，位于开环结构中；可编程分频器电路，所述可编程分频器电路被耦合以根据可编程分频值对自由振荡器电路的输出进行分频；控制逻辑，所述控制逻辑被耦合来提供控制字，以根据检测到的温度调节可控振荡器电路的输出频率；以及非易失性存储器，所述非易失性存储器存储控制字，可控振荡器的输出被耦合以便根据控制字的值而被确定。
2. 根据权利要求1中所述的集成电路，其中所述可编程分频器的分 频值存储在非易失性存储器中。
3. 根据权利要求1中所述的集成电路，其中所述集成电路是可编程 的，以在连续频率范围内提供频率，自由振荡器可在(fo)至(fo + Af) 的频率范围内操作，其中Af代表可控振荡器的调节范围，分频器电路的 分频值的最小值大于或者等于fo/Af。
4. 根据权利要求1中所述的集成电路，其中所述精度至少大约为 100ppm。
5. 根据权利要求1中所述的集成电路，其中所述集成电路是可编程 的，以在连续频率范围内提供频率，所述连续频率范围至少为100MHz。
6. 根据权利要求1中所述的集成电路，其中所述可控振荡器电路包 括基于集成电感LC的压控振荡器电路、基于RC的压控振荡器和环形 振荡器之一。
7. 根据权利要求1中所述的集成电路，其中所述控制逻辑包括微控制器。
8. 根据权利要求1中所述的集成电路，还包括温度传感器，所述温 度传感器被耦合以向控制逻辑提供检测到的温度值。
9. 根据权利要求1中所述的集成电路，其中所述控制逻辑被耦合以 便根据与集成电路有关的一个或者多个工艺参数进一步调节控制字。
10. 根据权利要求9中所述的集成电路，还包括一个或者多个工艺传感器，所述工艺传感器被耦合以提供与集成电路有关的一个或者多个 工艺参数。
11. 一种操作集成电路以提供无基准振荡器的方法，所述方法包括-至少部分地根据非易失性存储器中存储的值确定开环结构中可控振荡器电路的控制信号；向可控振荡器电路提供控制信号，从而确定可控振荡器电路的输 出；以及在分频器电路中对自由振荡器的输出进行分频。
12. 根据权利要求11中所述的方法，还包括在非易失性存储器中存 储分频器电路的分频值。
13. 根据权利要求11中所述的方法，还包括根据在温度传感电路中 感测到的温度来调节控制信号。
14. 根据权利要求11中所述的方法，还包括根据检测到的温度以及 一个或者多个与集成电路有关的工艺参数调节控制信号。
15. 根据权利要求11中所述的方法，其中所述可控振荡器电路可在 (fo)至(fo + Af)的频率范围内操作，Af代表可控振荡器电路的调节范围，以及其中最小分频值(K-l)满足Af/fc^l/(K-l)。
16. —种配置集成电路的方法，所述集成电路用作提供所选输出频 率的无基准振荡器，所述方法包括对分频器电路的分频值进行编程，所述分频器电路被耦合以对开环 结构的集成电路上的可控振荡器电路的输出信号进行分频，所述分频器 电路的输出信号频率不同于所选输出频率；当可控振荡器电路在开环结构中时，改变控制可控振荡器电路的输 出信号的控制值，直到分频器电路的输出信号达到所选输出频率；以及在集成电路的非易失性存储器中存储与所选输出频率相关的控制值。
17. 根据权利要求16中所述的方法，还包括在非易失性存储器中存 储分频值。
18. 根据权利要求16中所述的方法，还包括在非易失性存储器中存 储信息，所述信息与根据检测到的温度来调节控制值有关。
19. 根据权利要求16中所述的方法，还包括存储当无基准振荡器提 供所选输出频率时与集成电路的温度传感器检测到的一个或者多个温度 相对应的信息。
20. 根据权利要求16中所述的方法，其中所述无基准振荡器是可编程的，以在连续频率范围内提供频率，所述连续频率范围至少为100MHz。
全文摘要
一种可编程无基准振荡器提供了宽范围的可编程输出频率。可编程无基准振荡器在集成电路上实现，包括诸如压控振荡器(VCO)之类的自由可控振荡器电路，耦合可编程分频器电路，以便根据可编程分频值对可控振荡器电路的输出进行分频。非易失性存储器存储可编程分频值和用于控制可控振荡器电路输出的控制字。所述控制字提供校准能力，以与可编程分频器电路一起提供所需的输出频率。根据集成电路上的温度传感器检测的温度，通过调节控制字实现开环温度补偿。通过针对工艺和温度来调节控制字可以实现更高的时钟精度。
文档编号G01R23/00GK101443666SQ200780014563
公开日2009年5月27日 申请日期2007年2月27日 优先权日2006年2月27日
发明者奥古斯托·马克斯 申请人:硅谷实验室公司