低功率时钟源的制作方法
【专利说明】低功率时钟源
[0001]相关专利串请的交叉引用
[0002]本专利申请要求于2012年09月07提交的专利名称为“用于超低功率SoCs的片上时钟源”的美国专利申请61/698，534，和于2013年03月12提交的专利名称为“低功率时钟源”的美国专利申请61/777，688的优先权；每个专利的全部内容都通过引用的方式结合于此。
【背景技术】
[0003]嵌入系统有多种应用，包括提供监视、感觉、控制，或保护作用。这种嵌入系统通常根据对尺寸、功率消耗，或环境弹性的相对严格约束为具体应用定制。
[0004]一种类型的嵌入系统包括传感器节点，用于感测或监视一个或多个生理参数，或者用于其他应用。具有无线通信性能的传感器节点可以称为无线传感器节点(WSN)。位于主体身体上/附近/内部的传感器节点可以称为身体区域传感器节点(BASN)或身体传感器节点(BSN)。通过持续监视或记录生理信息，方便自动或远程跟踪，或当身体状态出现恶化时提供一个或多个警报，传感器节点能够向保健提供者提供重大利益。使用传感器节点获得的生理信息可以传递到其他系统，用于帮助诊断、预防和响应各种疾病，例如糖尿病、哮喘和心脏病。为了以非常严格的能量预算支持长系统寿命。在其他设备中的很多节点需要具有超低功率(ULP)消耗要求的硬件。很多设备需要稳定的时钟源，用于精确数据取样、RF射频调制，并且保持时间准确以减少重新与其他无线电同步的成本，以及其他原因。
[0005]概述
[0006]—种提供精确时钟源的方法包括使用晶体振荡器(XTAL)。晶体振荡器能够增加多个片外无源部件，具有在毫秒到秒的范围内的启动时间，能够消耗可利用的系统功率的可观的部分。例如，当测量ECG、提取心率，每隔几秒发送RF包时，获取具有200kHz XTAL的BSN SoC(片上系统)的能量消耗19量系。在这个例子中，总功率消耗中的超过2功率被200kHz XTAL消耗。另一种方法包括CMOS张弛振荡器。CMOS设备利用多晶硅和扩散电阻联合实现耐热性，从而在RC张弛振荡器中实现电阻。该电阻具有补偿温度依赖性，他们抵消温度变动的影响以实现大约60ppm/°C的温度稳定性。其他示例包括使用栅漏电流的片上振荡器。栅漏电流具有最小温度依赖性，因此使得这些振荡器相对稳定。然而，由于栅漏电流的低幅值，栅漏振荡器能够以非常低频率(例如，大约0.1-1OHz)下运行。
[0007]此外，本发明已经验证将要解决的问题包括提供可靠的、精确的//低功率消耗的时钟源。在一个例子中，本主题能够提供解决该问题的方案，例如提供一种使用多个具有不同稳定性和功率消耗特性的振荡电路的超低功率时钟源。
[0008]根据多个例子，提供了具有不同稳定特性(例如具有响应相似环境变化的不同操作稳定性)的第一振荡器和第二振荡器。在一个例子中，提供了一种具有超低功率运行要求的第一振荡器。提供了一种被配置成补偿一个或多个环境参数变化的第二振荡器。由于第二振荡器包括一个或多个补偿机构，与第一振荡器相比，第二振荡器对一个或多个环球参数的响应相对更稳定，但是第二振荡器具有较高的功率要求。在一个例子中，第一振荡器(例如，一种非补偿振荡器)能够间歇地锁定(例如，同步)或使用第二振荡器提供的信号进行校正。在校正过程中，第二振荡器可以失效或关闭以减少系统功率消耗。在一个例子中，第二振荡器能够利用一种参考时钟源(例如，包括XTAL、RF信号的片上时钟源，或其他时钟源)给出的信息间歇地调节。
[0009]在一个例子中，提供了一种ULP时钟源，所述ULP时钟源使用可在I钟源上运行的具有大约500ppm/°C温度稳定性的温度补偿片上数控振荡器(OSCCMP)和，以及可在IlOOnW上运行的具有大约1.67% /°C温度稳定性非补偿振荡器(OS⑶CMP)。比较电路用于比较OSCCMP和0SCUCMP的输出信号。当0SCUCMP的输出信号对OSCCMP的输出信号的漂移超过指定量时，当0SCUCMP运行超过指定间隔，或当一个环境参数变化超过指定量时，补偿电路可以向0SCUCMP提供信号以更新0SCUCMP的运行特性(例如，运行频率)，并调节它的输出信号。
[0010]本概述的目的在于提供本专利申请的主题的概述。并不在于提供本发明的独有的或详尽的示例。详细的描述的目的在于提供关于本专利申请的进一步信息。
【附图说明】
[0011]图1 一般地示出了传感器节点的部分的例子；
[0012]图2 —般地示出了包括低稳性振荡器与高稳定性振荡器的间歇同步的例子；
[0013]图3 —般地不出了时钟源拓扑的例子；
[0014]图4 一般地示出了补偿振荡电路的例子；
[0015]图5 —般地示出了一种PTAT电流源的例子；
[0016]图6 —般地示出了一种用于补偿振荡电路的第二补偿电路的例子；
[0017]图7 —般地示出了一种加权二进制电流源的例子；
[0018]图8 一般地不出了一种补偿振荡电路拓扑的例子；
[0019]图9 一般地不出了一种非补偿振荡电路拓扑的例子；
[0020]图10 —般地示出了一种包括振荡电路和具有响应环节的补偿电路的拓扑的例子;
[0021]图11 一般地不出了一种频率计时图的例子；
[0022]图12 —般地不出了同步传输的例子；
[0023]图13 —般地示出了包括更新振荡电路输出信号的方法的例子。
[0024]附图(不必要按比例画)中，相同的标记表示不同视图中相似的部件。具有不同文字后缀的相同的标记可能表示相同部件的不同例子。附图通过例子而不是限定来展示，本文件中讨论的多个实施例。
【具体实施方式】
[0025]图1主要示出了传感器节点或包括在集成电路中的传感器节点的一部分的例子100的框图，传感器节点可以包含或耦接到电源102。电源可以包括一个或多个可充电电池、原电池或能量获取电路。
[0026]传感器节点包括一个或多个处理电路108，例如微处理器或微处理电路，或特定功能的处理电路，例如，第一振荡电路111和第二振荡电路112。第一和第二振荡电路111、112有不同稳定特性和不同功率消耗特性。传感器节点包括一个或多个无线通信电路，例如，无线接收电路124。数字处理电路108和第一无线接收电路可以通过总线138耦接到储存电路 106。
[0027]在一个例子中，传感器节点的一个或多个部分被配置成传输或使用振荡信号(例如，时钟信号)执行一个或多个功能(例如，取样，RF调制，同步等)。第一和第二振荡电路111、112可以通过比较电路115耦接，比较电路115被配置成确定第一和第二振荡电路111、112的输出信号的相对差。在一个例子中，补偿电路115被配置成提供配置信号给第一和第二振荡电路111、112中的一个或两个，或其他振荡电路。配置信号包括被数字振荡电路用来调节其输出信号的一个或多个数据位。响应配置信号，一个或多个第一或第二振荡电路111、112可以通过改变振荡频率调节各自的振荡输出信号。
[0028]比较电路115，以及第一和第二振荡电路111、112通常作为传感器节点的部件在文中讨论。然而，比较电路115，以及第一和第二振荡电路111、112可选择地设置成独立时钟源(例，电路作为集成电路或模块的部分一起提供)用于不同于传感器节点的应用。在一个例子中，独立时钟源包括比较电路115，第一和第二振荡电路111、112，以及处理电路108。在一些例子中，独立时钟源包括取代或增加到处理电路108的独立控制电路(例如，有限状态机)。独立控制电路被配置成管理比较电路115，以启动或调节第一和第二振荡电路111、112的同步。
[0029]在图1的例子中，传感器节点包括电源管理处理电路103，电源管理处理电路103被配置成例如利用通过监视电源102的状态获得的信息来调节传感器节点的能量消耗水平。例如，如果电源102包括电池或电容，所监视到的电源状态包括电池或电容的一个或多个电压或电荷状态。其他标准可以用来提供表示电源102状态的信息，例如能量获取电路提供的输出电压或电流。在一个例子中，电源管理处理电路103通过调节一个或多个第一和第二振荡电路111、112的运行相应工作周期，从而影响节点的能量消耗。
[0030]电源管理处理电路103建立传感器节点的一个或多个其他部分的运行模式，例如，利用关于电源102的状态的信息选择或控制处理电路108，第一或第二振荡电路111、112，无线接收电路124，或存储电路106的运行模式。例如，基于选择的传感器节点能量消耗水平，处理电路108在由电源管理处理电路103选择的功率消耗模式下可以是一个或多个暂停的或失效的。能量消耗水平例如可以基于或使用关于可利用的能量或电源102的状态的信息从一群可利用的能量消耗水平和图中选择。这种图可以包括查询表或其他表示用于各个选择的能量消耗水平相应的传感器节点的各个功能块的模式的其他信息。水平或图可以重新配置，例如，实时使用第一无线接收电路123接收到的信息.
[0031]在一个例子中，利用与处于备用、睡眠或低功率消耗状态相应的能量消耗水平中的传感器节点，第一无线接收电路