一种集成电路中降低振荡器功耗的方法、电路以及装置与流程

1.本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种集成电路中降低振荡器功耗的方法、电路以及装置。


背景技术：

2.近几年来，可穿戴设备和物联网技术发展迅猛，广泛应用于生物医学、军事和环境监测等领域，这些设备节点芯片一般采用电池供电，但是受电池技术的制约，为了保证设备长时间工作(如nb-iot要求一颗电池能支持节点芯片工作10年)，对芯片的功耗提出了极高的要求。振荡器电路主要用于产生系统所需的时钟信号，其通常是睡眠模式下唯一工作的电路，用于频率综合、调制解调、唤醒系统和系统调度等场景，因此，降低振荡器电路的功耗对于低功耗应用场景的芯片设计显得至关重要。
3.目前针对不同的振荡器类型，已经出现了许多降低振荡器功耗的电路结构和技术。比如为了降低振荡器的功耗可以降低振荡器的振幅，用来维持振荡的能量低，功耗显著降低，但是较低的振幅使得驱动能力降低，很难保持稳定振荡，同时低功耗对起振时间造成的影响不可忽视。在晶体振荡器设计中，自充电技术可以通过短脉冲控制反相放大器对负载电容和晶体等效电容周期性充放电，大幅度降低电源供电时间，但是设计复杂，一些参数难以控制，比如充电脉冲的周期和占空比等，如果这些参数设置不当，会造成不必要的功耗浪费。
4.此外，由于振荡器电路在起振时需要较大的电流和功耗，而起振之后往往只需要较小的电流即可维持振荡的状态，因此可采用大电流起振、小电流工作的方式来设计振荡器电路。但维持振荡所需的最小工作电流很难获得，往往需要对工作电流进行过设计，从而增大了振荡器的功耗。


技术实现要素：

5.振荡器电路在起振时需要较大的电流和功耗，而起振之后往往只需要较小的电流即可维持振荡的状态，而维持振荡所需的最小工作电流很难获得，因此为了确保振荡器在起振后能够维持振荡的状态，对振荡器的工作电流必须进行过设计以确保振荡器的正常工作，这必然会增加振荡器的电流和功耗。
6.针对上述问题，本发明实施例提供一种集成电路中降低振荡器功耗的方法、电路及设备，能够至少部分地解决现有技术中存在的问题。
7.第一方面，本发明提出一种集成电路中降低振荡器功耗的方法，包括：
8.根据滤波器采集的振荡器输出信号确定所述振荡器的工作状态；
9.执行迭代步骤，所述迭代步骤包括若所述振荡器的输出信号是否处于预设区间内，且所述振荡器处于正常工作状态，减小工作电流并据此重新生成输出信号，用重新生成的输出信号替换初始的输出信号，直至所述输出信号未处于所述预设区间内，且所述振荡器处于起振状态，进而得到最终的输出信号；
10.在所述振荡器起振后，切换至所述最终的输出信号，以使所述振荡器以最小工作电流工作，进而降低所述振荡器功耗。
11.进一步地，所述确定振荡器低功耗状态下对应的电流控制信号，包括：
12.对所述振荡器进行初始化。
13.进一步地，所述对所述振荡器进行初始化，包括：
14.将所述振荡器调至为未起振状态；
15.将所述振荡器的可变电流调至最大值。
16.第二方面，本发明提出一种集成电路中降低振荡器功耗的电路，包括：
17.低通滤波模块：用于提取和判定待测振荡器输出的周期信号的电流信号；
18.电流控制模块：用于根据所述低通滤波模块的判定结果控制所述振荡模块的电流和功耗，产生标志信号，以使服务器执行迭代步骤，所述迭代步骤包括若所述振荡器的输出信号是否处于预设区间内，且所述振荡器处于正常工作状态，减小工作电流并据此重新生成输出信号，用重新生成的输出信号替换初始的输出信号，直至所述输出信号未处于所述预设区间内，且所述振荡器处于起振状态，进而得到最终的输出信号；在所述振荡器起振后，切换至所述最终的输出信号，以使所述振荡器以最小工作电流工作，进而降低所述振荡器功耗。
19.进一步地，所述电路还包括：
20.缓冲计数模块：可对所述待测振荡器的输出信号进行整形，转换为大摆幅的周期信号，并对所述周期信号进行计数。
21.进一步地，所述电路还包括：
22.窗口比较模块：用于判定所述低通滤波模块提取的所述电流信号是否处于设定范围内，并将判定结果输出至所述电流控制模块。
23.进一步地，所述缓冲计数模块包括：
24.缓冲组件：可将所述振荡单元的输出信号转换为大摆幅的周期信号；
25.计数组件：用于对所述缓冲组件输出的周期信号的周期数进行计数，并将所述计数结果输出至所述电流控制模块，以使所述电流控制模块根据所述计数结果判断所述振荡模块的工作状态。
26.进一步地，所述电路还包括：
27.可变电流偏置模块：用于根据所述电流控制模块生成输出信号产生供所述待测振荡器工作的可变偏置电流。
28.第三方面，本发明提出一种包括上述电路的集成电路中降低振荡器功耗的装置。
29.本发明的有益效果
30.本发明实施例提供的集成电路中降低振荡器功耗的方法、电路以及装置，振荡器振荡时其输出信号经过缓冲(整形)电路后的电压信号通常为大摆幅或是满摆幅信号，其直流成分通常处于或靠近电源供电的中间电位，而振荡器未起振时其输出信号经过缓冲(整形)电路后的电压信号通常处于较高(最高)电位或是较低(最低)电位。本发明利用振荡器输出信号的这种特性，提出一种能够检测振荡器是否振荡的方法和实现电路，并在此基础上提出一种获得振荡器维持振荡状态所需的最小电流的方法，能够较为准确的找到振荡器工作的最小电流，并且在找到振荡器工作的最小电流之后，振荡器在起振后保持最小电流
工作，从而能够将振荡器电路的整体工作电流和功耗降低一半以上。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
32.图1是本发明一实施例提供的集成电路中降低振荡器功耗的方法流程示意图；
33.图2是本发明一实施例提供的集成电路中降低振荡器功耗的电路结构示意图；
34.图3是本发明一实施例提供的采用模拟运放的窗口比较器电路原理图；
35.图4是本发明一实施例提供的采用不同阈值电压反相器的窗口比较器电路原理图；
36.图5是本发明一实施例提供的可变电流偏置模块与lc振荡器结构示意图；
37.图6是本发明一实施例提供的可变电流偏置模块与晶体振荡器结构示意图；
38.图7是本发明一实施例提供的多管数控电流源电路原理图；
39.图8是本发明一实施例提供的集成电路中降低振荡器功耗的装置运行流程示意图。
具体实施方式
40.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
41.目前，振荡器电路在起振时需要较大的电流和功耗，而起振之后往往只需要较小的电流即可维持振荡的状态，而维持振荡所需的最小工作电流很难获得，因此为了确保振荡器在起振后能够维持振荡的状态，对振荡器的工作电流必须进行过设计以确保振荡器的正常工作，这必然会增加振荡器的电流和功耗。
42.基于此，如图1所示，本发明提供一种集成电路中降低振荡器功耗的方法，包括：
43.步骤s100：根据滤波器采集的振荡器输出信号确定所述振荡器的工作状态；
44.步骤s200：执行迭代步骤，所述迭代步骤包括若所述振荡器的输出信号是否处于预设区间内，且所述振荡器处于正常工作状态，减小工作电流并据此重新生成输出信号，用重新生成的输出信号替换初始的输出信号，直至所述输出信号未处于所述预设区间内，且所述振荡器处于起振状态，进而得到最终的输出信号；
45.步骤s300：在所述振荡器起振后，切换至所述最终的输出信号，以使所述振荡器以最小工作电流工作，进而降低所述振荡器功耗。
46.可以理解的是，滤波器可以对电源线中特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除，得到一个特定频率的电源信号，或消除一个特定频率后的电源信号。由于振荡器振荡时其输出信号经过缓冲(整形)电路后的电压信号通常为大摆幅或是满摆幅信号，其直流成分通常处于或靠近电源供电的中间电位，而振荡器在未起振时其输出信号经过缓冲
(整形)电路后的电压信号通常处于较高(最高)电位或是较低(最低)电位，因此根据滤波器采集的振荡器输出信号，可以判定振荡器的工作状态，振荡器输出信号可以是电流信号或是电压信号。对振荡器的输出信号进行判断，若输出信号处于预设区间，且目前的工作电流情况下振荡器可以维持正常工作状态，此时可记录下当前的输出信号，减小工作电流，并重新生成对应的输出信号，将重新生成的输出信号作为振荡器的输入信号，直至振荡器的输出信号未处于该设定区间内，且振荡器处于起振状态，最终的输出信号则为振荡器以最小电流工作时的输出信号；在振荡器起振后，切换至最终的输出信号，以使振荡器以最小工作电流工作，进而降低所述振荡器功耗。
47.从上述描述可知，本技术实施例提供的集成电路中降低振荡器功耗的方法，振荡器振荡时其输出信号经过缓冲(整形)电路后的电压信号通常为大摆幅或是满摆幅信号，其直流成分通常处于或靠近电源供电的中间电位，而振荡器未起振时其输出信号经过缓冲(整形)电路后的电压信号通常处于较高(最高)电位或是较低(最低)电位。本发明利用振荡器输出信号的这种特性，提出一种能够检测振荡器是否振荡的方法，并在此基础上提出一种获得振荡器维持振荡状态所需的最小电流的方法，持续检测振荡器的工作信号，能够较为准确的找到振荡器工作的最小电流，并且在找到振荡器工作的最小电流之后，振荡器在起振后保持最小电流工作，从而能够将振荡器电路的整体工作电流和功耗降低一半以上。
48.在一些具体实施方式中，如图1所示，所述确定振荡器低功耗状态下对应的电流控制信号，包括：
49.步骤s001：对所述振荡器进行初始化。
50.可以理解的是，振荡器电路上电进行初始化，主要操作包括将振荡器设置为尚未完全起振的状态，同时将振荡器的输入可变电流设置为最大电流imax；
51.本发明另一方面提供了一种集成电路中降低振荡器功耗的电路，如图2所示，包括：
52.低通滤波模块：用于提取和判定待测振荡器输出的周期信号的电流信号；
53.电流控制模块：用于根据所述低通滤波模块的判定结果控制所述振荡模块的电流和功耗，产生标志信号，以使服务器执行迭代步骤，所述迭代步骤包括若所述振荡器的输出信号是否处于预设区间内，且所述振荡器处于正常工作状态，减小工作电流并据此重新生成输出信号，用重新生成的输出信号替换初始的输出信号，直至所述输出信号未处于所述预设区间内，且所述振荡器处于起振状态，进而得到最终的输出信号；在所述振荡器起振后，切换至所述最终的输出信号，以使所述振荡器以最小工作电流工作，进而降低所述振荡器功耗。
54.可以理解的是，低通滤波模块其应用电路结构包含且不限于无源rc滤波器和有源rc滤波器等，主要用于提取缓冲电路输出周期信号的直流成分(可以是电压信号也可以是电流信号)，通常低通滤波电路的上限频率应小于振荡器的输出信号频率。电流控制模块用于控制振荡器在起振和稳定阶段的电流和功耗。电流控制模块：中还含有标志信号m，标志信号m有两种状态，为状态0时表示振荡器从上电开始尚未完全起振，为状态1时表示振荡器从上电开始已经完全起振并已保持一段时间了。对低通滤波模采集到的振荡器输出信号进行判断，若输出信号处于预设区间，且目前电流控制模块的标志信号m为状态1，此时可记录下当前的输出信号，减小工作电流，并重新生成对应的输出信号，将重新生成的输出信号作
为振荡器的输入信号，直至振荡器的输出信号未处于该设定区间内，且电流控制模块的标志信号m为状态1，最终的输出信号则为振荡器以最小电流工作时的输出信号；在振荡器起振后，切换至最终的输出信号，以使振荡器以最小工作电流工作，进而降低所述振荡器功耗。
55.在一些具体的实施方式中，如图2所示，所述电路还包括：
56.缓冲计数模块：可对所述待测振荡器的输出信号进行整形，转换为大摆幅的周期信号，并对所述周期信号进行计数。
57.可以理解的是，缓冲计数模块包括缓冲组件以及计数组件，缓冲组件用于提升待测振荡器的驱动能力，并具有一定整形功能，其输出为大摆幅周期信号，在一些其他的实施方式中，缓冲组件也可以合并到待测振荡器的振荡器中；计数组件为计数器，可用于对缓冲组件输出周期信号的周期数进行计数，并将计数结果nc输出给电流控制模块，主要用于判断振荡器是否已经处于稳定的振荡工作状态。
58.在一些具体的实施方式中，如图2所示，所述电路还包括：
59.窗口比较模块：用于判定所述低通滤波模块提取的所述电流信号是否处于设定范围内，并将判定结果输出至所述电流控制模块。
60.可以理解的是，窗口比较模块为窗口比较器，其应用电路结构包含且不限于如图3所示的采用模拟运放放大器构成的窗口比较器和如图4所示的采用不同阈值电压的反相器构成的窗口比较器等。图4中的反相器1和反相器2分别具有不同的阈值电压u
rh
和u
rl
，两个反相器的输出再经过异或门(或者同或门)的输出信号可以作为低通滤波器的输出信号是否落在预设区间(u
rh
和u
rl
，之间)的判定依据。进一步，窗口比较器还可采用具有迟滞特性的比较器电路。窗口比较模块用于接收低通滤波模块提取的直流成分，并判定低通滤波模块输出的直流成分是否落在某特定范围内，并将判定结果yc输出给电流控制电路；进而电流控制电路根据窗口比较器的输出结果和计数器的计数结果产生计数器的复位信号rc和电流控制信号ci，用于控制振荡器在起振和稳定阶段的电流和功耗。
61.在一些具体的实施方式中，如图2所示，所述电路还包括：
62.可变电流偏置模块：用于根据所述电流控制模块生成输出信号产生供所述待测振荡器工作的可变偏置电流。
63.可以理解的是，可变电流偏置模块其和振荡电路的搭配可以如图5和图6所示，其主要用于根据所述电流控制模块生成输出信号给振荡器提供可变的电流偏置，其直接控制着待测振荡器的电流和功耗。其应用电路结构包含且不限于单管模拟电流源和多管数控电流源等。多管数控电流源可采用图7所示的电路结构，其中各个电流管可以按照二进制电流大小进行配置，每个电流管的栅极通过控制信号可以分别处于最大电流工作状态(栅极接vdd)，最小电流工作状态(栅极接gnd)和限定电流工作状态(栅极接v
bias
)。
64.从上述描述可知，本技术实施例提供的集成电路中降低振荡器功耗的电路，传统的振荡器电路为了确保电路能够正常起振并维持振荡状态，其工作电流通常要设置在正常工作电流的2倍以上。本发明通过增加低通滤波电路、窗口比较器、计数器和电流控制电路，能够较为准确的找到振荡器工作的最小电流，并且在找到振荡器工作的最小电流之后，低通滤波电路、窗口比较器和计数器可以停止工作降低功耗，而电流控制电路可以由数字电路实现，静态功耗非常低，从而能够将振荡器电路的整体工作电流和功耗降低一半以上。
65.本技术提供一种用于执行所述集成电路中降低振荡器功耗的方法中全部或部分内容的集成电路中降低振荡器功耗的装置的实施例，所述集成电路中降低振荡器功耗的装置具体包含如上述内容所述的集成电路中降低振荡器功耗的电路。
66.下面结合具体实施例对本实施例提供的集成电路中降低振荡器功耗的方法、电路及设备进行具体说明。
67.振荡器电路上电开始工作后，分以下三个阶段：
68.第一阶段，寻找最低功耗对应的输出信号，即电流控制信号c
i0
；
69.第二阶段，振荡器设置为最大电流以快速起振；
70.第三阶段，切换到最低功耗对应的电流控制信号c
i0
，关闭低通滤波模块、窗口比较器和计数器，振荡器开始正常工作。
71.其中第一阶段中寻找最低功耗对应的电流控制信号c
i0
的具体操作流程如图8所示，其描述如下：
72.首先，振荡器上电进行初始化，主要操作包括将标志信号m置状态0，计数器复位(清0)，可变电流设置为最大电流i
max
；
73.然后持续检测低通滤波模块的输出信号是否落在预设区间(比如大于下限阈值电位ul，小于上限阈值电位ul)，根据检测结果可分为两种情况：
74.第一种情况，若检测到低通滤波器的输出信号落在预设区间，则进一步检测计数器是否计数到预设值，根据检测结果又分为两种情况：(1)若检测到已经计数到预设值，则表明目前的工作电流情况下振荡器可以维持正常工作状态，此时可记录下当前的电流控制信号ci为c
i0
，减小工作电流，同时将标志信号m置为状态1，然后继续检测低通滤波器的输出信号是否落在预设区间；(2)若检测到尚未计数到预设值，则表明当前的振荡还未完全稳定，则保持当前状态，继续检测低通滤波器的输出信号是否落在预设区间。
75.第二种情况，若检测到低通滤波器的输出信号未落在预设区间，则进一步检测标志信号m的状态，根据检测结果又分为两种情况：(1)若标志信号m处于状态0，则表明振荡器从上电开始尚未完全起振，则保持当前状态，继续检测低通滤波器的输出信号是否落在预设区间；(2)若标志信号m处于状态1，则表明振荡器从上电开始已经稳定起振过，但由于电流减小使得振荡器停振了，这表明振荡器的最小工作电流的电流控制信号c
i0
已经找到，流程结束。
76.本发明实施例提供的集成电路中降低振荡器功耗的方法、电路及设备，振荡器振荡时其输出信号经过缓冲(整形)电路后的电压信号通常为大摆幅或是满摆幅信号，其直流成分通常处于或靠近电源供电的中间电位，而振荡器未起振时其输出信号经过缓冲(整形)电路后的电压信号通常处于较高(最高)电位或是较低(最低)电位。本发明利用振荡器输出信号的这种特性，提出一种能够检测振荡器是否振荡的方法和实现电路，并在此基础上提出一种获得振荡器维持振荡状态所需的最小电流的方法，能够较为准确的找到振荡器工作的最小电流，并且在找到振荡器工作的最小电流之后，低通滤波电路、窗口比较器和计数器可以停止工作降低功耗，而电流控制电路可以由数字电路实现，静态功耗非常低，从而能够将振荡器电路的整体工作电流和功耗降低一半以上。
77.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一个具体实施例”、“一些实施例”、“例如”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的
具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
78.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。