专利名称：工艺、电压、温度补偿振荡器的制作方法
技术领域：
本发明的实施例一般性地涉及电子时钟振荡器。
背景技术：
时钟以及类似的定时信号用于多种半导体电路(例如微处理器和微控制器)的操作。这种时钟及定时信号在本文中均表述为“时钟”，其典型地必须满足在例如特定的温度范围及其他环境条件下所给定的可靠性和精度要求。进一步，使用时钟信号的系统及设备关于尺寸和功率一般具有特定的限制或给定的预算。因此，一般希望产生时钟的硬件消耗最小的功率并占用最小的空间/体积。
发明内容
本发明及其多个实施例提供了一种精确的温度稳定时钟，其例如可以采用传统的的CMOS技术制造，以及可以与例如微处理器一起集成到同一芯片上，而不需要特别的工艺步骤，本发明及其多个实施例还提供了其他特征。进一步的特征和优点例如包括，降低功耗、减少部件数以及降低互连数量。多个实施例的这些及其他的特征提供了改进的可靠性和更低的成本。本发明将描述多个示例性实施例和方面，并且本领域的普通技术人员在阅读本公开的基础上，能够容易地想到在所附权利要求范围内进一步的变型，以及附加的应用。作为一个示例性示例，具有振荡器的时钟发生器包括产生参考电压的电压参考单元，至少部分地基于参考电压以产生振荡器参考电流的振荡器控制电流单元，以及产生振荡输出信号的翻转振荡器，振荡输出信号的振荡频率至少部分地基于参考电压和振荡器参考电流。根据一个方面，振荡器还包括温度传感器，输出表示振荡器温度的温度信号，以及存储单元，存储能够基于温度信号检索的多个给定的温度补偿数据。进一步，根据一个方面，振荡器控制电流单元包括基准参考电流发生器和参考电流发生器，基准参考电流发生器至少部分地基于参考电压产生基准参考电流，参考电流发生器至少部分地基于所检索的温度补偿数据和基准参考电流产生振荡参考电流。根据一个方面，振荡器还包括存储单元，存储能够基于温度信号检索的多个给定的温度补偿数据；以及频率调整存储器，存储并输出频率调整值。进一步，根据一个方面，振荡器控制电流单元包括比较器，用于将温度信号与给定的最佳旋转温度进行比较，以及基于比较产生旋转控制信号；还包括基于温度的补偿电流发生器，产生正系数的基于温度的电流和负系数的基于温度的电流；以及温度补偿电流发生器，通过基于旋转控制信号而从正系数的基于温度的电流和负系数的基于温度的电流中选择一个，并利用所检索的温度补偿数据对所选择的一个进行加权，来产生温度补偿电流；以及温度补偿振荡器电流发生器， 基于将温度补偿电流加到基准参考电流，或者从基准参考电流中减去温度补偿电流，来产生温度补偿振荡器电流，其中参考电流发生器基于旋转控制信号在加减之间进行选择；还包括频率补偿振荡器电流发生器，基于温度补偿振荡器电流和频率调整值以产生振荡器参考电流。以上概括的本发明的优点和特征仅仅是多个示例性实施例所提供的优点和特征的举例，不旨在穷尽或限制本发明可能实现的其他优点。根据本发明的描述，多个示例性实施例的这些及其他的优点会变得明显，并且可以通过实施包括多个示例性实施例的一个或多个的系统和方法进行学习，本领域的普通技术人员应该明了本发明中阐明或详细描述的这些系统和方法，并且可以进行修改以获得任何变型。
图1示出了根据示例性实施例的使用一个振荡器的一个示例的示例性功能示意图；图2例示了根据一个示例性实施例的针对依赖参考电流方面的一个示例性的电压到电流的实现；图3例示了一个示例性的数字到模拟电流单元，用于具有一个或多个实施例的多个示例中；图4以具有代表性的图表形式例示了由一个仿真模型预测的振荡器频率-温度特性曲线的一个示例，该仿真模型可以从第一示例性实施例的多个方面获得；图5示出了根据第二示例性实施例的使用一个示例性振荡器的一个示例的示例性功能示意图；图6根据第二实施例示出了图5中的示例性振荡器的Vref/Iref依赖基准发生器的一个示例性实现；图7以具有代表性的图表形式例示了四种示例性温度补偿情况，其可被第二示例性实施例的一个方面执行；图8以具有代表性的图表形式例示了设定第二示例性实施例一个方面的温度设定点，以相对于该设定点比较温度的示例；图9是根据第二实施例一个方面的示例性温度补偿，确定旋转(rotation)的系数和参数的示例性操作的示意图；图10以代表性的图形形式例示了频率-温度特性的四个示例，这些示例可以通过图5所示的振荡器的仿真模型预测；以及图11以具有代表性的图表形式例示了由仿真模型预测的振荡器的频率-温度特性曲线的多个示例，这些仿真模型可以通过第二实施例的一个示例性方面获得。本领域的普通技术人员会认识到，为了清楚的说明，附图可以不按比例绘制。例如，这些普通技术人员应该明白，在多个结构特征中的形状、尺寸及位置的某些比例关系的图形描述可以相对于实际的物理比例被夸大。
具体实施例方式所描述的多个示例性实施例和示例性举例有助于实施本发明。为了避免本发明新颖的特征及方面变得不明显，以及为了更好地为本领域的普通技术人员提供有关本发明的完整理解，本说明书可能会省略对本领域的普通技术人员来说熟知的方法和技术的多个细节，但在阅读本说明书的基础上，这些省略的细节在所要求保护的发明的多个实施例中会变得容易被这些普通技术人员认识和选择。应该了解，具体的示例仅仅用于通过示例性举例的方式帮助理解本发明。但是，本发明的实施例不局限于所描述的这些具体示例。在阅读本说明书的基础上，相关领域中的普通技术人员也可以容易的认识到并实施其它的结构和配置。进一步，也可以独立地描述多个实施例及方面，和/或具有某些差异。但是，独立的描述和/或具有某些差异的描述不必须意味着它们各自的实施例是互相排斥的。例如， 一个实施例中描述的具体的特征、功能或特性可以包括在或适用于其他实施例中。本说明书引用了附图，这些附图构成本说明书的一部分。为了清楚地描述以及尽量减少重复，不同附图之间的功能块或组件可以相同或实质上相同，并且无论是在相同或不同的实施例中，这些功能块或组件都可以标识为相同的附图标记。但是，除非另有说明或者从具体的上下文中可以阐明，不同附图中出现的不同的附图标记并不意味着各个功能或组件不能在功能或结构上相同。应该了解，结构中描述的顺序不必然表示制造的顺序。一个示例可以包括具有电压参考装置的振荡器，其馈送电压到电流发生器。电压到电流发生器可以产生参考电流，该参考电流流经开关晶体管并对电容器充电。比较器可以将充电电容器的电压与参考电压进行比较，并且基于该比较结果对翻转型触发器进行切换。翻转型触发器的输出可以按照与参考电流将电容器充电到参考电压所需要的时间间隔大约成反比的速率反馈到开关晶体管，以控制电容器的充电和放电。该时间间隔可以描述为参考电流幅度和参考电压幅度的函数。但是，根据示例性实施例，参考电流依赖于参考电压。因此，将要了解到，参考电压的变化会导致在参考电流中可预测的以及通常可重复的相应的变化。相比于产生独立于参考电压的参考电流，示例性优点包括明显更高的频率精度， 以及显著降低了对参考电压的工艺变化导致的变化的敏感性。第二示例性实施例包括振荡器，其振荡频率基于参考电压和参考电流，参考电流依赖于参考电压而产生，从而可以提供诸多特征和优点，例如参照第一示例性实施例所描述的那些特征和优点。第二示例还包括多个有关温度和工艺补偿工艺的特征，包括新颖的方法和结构，能够提供附加描述的功能、特征和进一步的优点。在示例性示例中包括温度传感器，并且，根据一个方面，振荡器初始参考电流是基于参考电压而产生，而振荡器参考电流是基于该初始参考电流和所感测的温度而产生。根据一个方面，在至少部分地基于感测温度而产生的振荡器参考电流中，该振荡器参考电流至少部分地基于在给定的制造阶段中从振荡器获取的温度补偿数据而产生，该温度补偿数据被存储以便被检索和利用。在根据一个方面的示例性示例中，振荡器温度补偿电流是基于检索的温度补偿数据产生的。接下来，振荡器参考电流例如通过将初始参考电流增加或减去该温度补偿电流而产生。根据一个方面，可以基于相对于一给定的最佳工作温度而感测的温度来控制增加或减去温度补偿电流。根据一个方面，该最佳工作温度可以是这样的温度，在该温度下，描述振荡器特性变化(例如振荡器频率相对于温度变化的特性)的观测系数显示出符号反转。表示最佳工作温度的数据可以存储或者固定在振荡器中。根据一个方面，将要更详细地描述在最佳工作温度一侧(即超过或低于最佳工作温度)的温度下向初始参考电流增加温度补偿电流，以及相反的在该最佳工作温度另一侧的温度下减去温度补偿电流的优点，这构成围绕该最佳工作温度的温度-频率曲线的旋转。将要进一步说明的是温度-频率曲线旋转的这一特征以及其他方面的特征的优点是， 振荡器频率在标称频率的给定变化范围内可以跨越实质上更宽的温度范围。根据一个方面，可以通过向初始参考电流增加温度补偿电流(或者从初始参考电流中减去该温度补偿电流)，并结合基于频率调整数据对温度补偿电流进行可选的向上或向下调整以产生振荡器参考电流。图1示出了第一个实施例的振荡器10的示例性举例。示例的振荡器10包括产生参考电压VR的参考电压发生器12。示例的发生器12是带隙器件。这仅仅是示例性举例。 本领域中的普通技术人员在本发明公开内容的基础上，将会知晓发生器12的其他可选的技术和实施方式。参考电压发生器12的实施方式可以包括温度补偿结构(未示出)，例如本领域中的普通技术人员所熟知的温度补偿结构的一种，其用于现有技术中的翻转型振荡器的参考电压发生器，所述翻转型振荡器对充电电压与参考电压进行比较。本领域中的普通技术人员在本公开内容的基础上，将会明了发生器12的多个具体的性能参数，例如可以从系统应用程序的具体规格中容易确定的标称电压和温度系数， 因此，省略了进一步的详细说明。参照图1，来自于组件12的参考电压VR接下来输入到电压到电流发生器14，该电压到电流发生器14基于该VR产生参考电流IRl和顶2。参考电流顶1、IR2和VR输入到由组件20整体表示的振荡器部。将要更详细描述的是，振荡器部20以实质上与VR、IR1和 IR2成比例的频率，以及根据一个方面，以调节频率调整(Frequency Trim)控制信号的频率产生翻转或振荡输出Q和NQ。图2示出了电压到电流发生器14的示例性举例200的功能示意图，该电压到电流发生器14用于产生电流IRl和IR2之一。参照图2，示例包括差分放大器202，在其“-” 输入接收参考电压VR，其输出馈送到多个PMOS晶体管204的每一个的栅极，以及其“ + ”输入接收来自有晶体管204驱动的分压器网络206的反馈。工艺、电压、温度(PVT)补偿网络 208将补偿网络202的输出连接到电源导轨210。为了产生IRl和顶2，可以例如使用两个相同的如图2描述的电路，第一个这种电路的PMOS晶体管的末级输出204A可以输出顶1， 而第二个这种电路(未示出)的末级输出204A可以输出顶2。应该了解，图2的图例说明仅仅是举例。通过阅读本发明披露的内容，本领域中的普通技术人员可以明了多种可替换的电压到电流转换器14的结构、布局以及技术。如前，除非另有说明或者从特定的上下文可以清楚阐明，将要了解到附图所描述的作为模块组合和布局的功能和操作仅仅用于合理的描述实施例的新颖方面和操作举例的目的。虽然具体描述了一些模块的布局，但是这些布局不必须表示硬件的布局、尺寸/ 重力/功率比例或重要性，本领域的普通技术人员可以根据本发明的实际应用选择这些参数。继续参照图1，在阅读本说明书时可以假设发生器14产生的IRl等于顶2，其中 “等于”的意思是足够接近，以至于振荡器操作和精度上的差异影响相对于预定应用是可忽略的。对于这种差异的程度，本领域的普通技术人员在阅读本公开之后，可以容易地确定用于指定IRl从IR2变化的限度以满足给定的性能规范、以及制造参考电流发生器14以满足所指定的限度的方法。进一步，假定IRl近似等于IR2仅仅是为了集中描述本发明新颖性方面的目的，而不是用于限制本发明。可选地，本领域的普通技术人员可以容易地知道，可以采用生成不等于IR2的IRl来构成替换的实施方式，同时调节其他参数以充分补偿它们的差异以使得振荡器可以合格的工作。再次参照图1，在示例10中，参考电流发生器14的输出IRl和IR2可以但不必须输入到频率调节电流DAC 16。将要了解到，如果省略频率调节DAC 16或其等同物，则也会省略在随后部分中描述的频率调节或调整特征。图3例示了用于实现DAC 16的数字到模拟电流单元的一个示例。图3所示示例仅仅是例示性的。本领域的普通技术人员可以基于本发明，认识到还可以具有多个替换的实施例。继续参照图1，电流DAC 16还接收N位的控制信号，标记为频率调整(Frequency Trim)。N的值指示频率调整的粒度，并且是本领域的普通技术人员在不进行过度试验的情况下，通过应用传统的工程知识和方法并结合本公开可以容易确定的设计选择。稍后描述用于频率调整数据的存储和检索的示例性举例。虽然电流IRl和IR2 二者都是基于VR产生并且实质上彼此相等，但由于在示例10中的电流IRl和IR2是独立的，电流DAC 16可以实施为双DAC。基于IRl和顶2以及基于频率调整，电流DAC 16产生“频率调整电流”，在这里标记为IRFl和IRF2。类似于上述有关IRl和IR2的假设，除非另有说明，可以假设，电流DAC 16产生实质上彼此相等的IRFl和IRF2，以使得可以忽略它们的差异的影响。所得到的电流IRFl和IRF2，以及参考电压VR输入到时钟振荡器部18。将要了解到，一旦固定了 Cl和C2的电容，则IRFl和IRF 2的幅度，以及VR的幅度就确定了时钟振荡器18的振荡频率。频率调整值独立于VR提供IRF1、IRF 2的可选改变，从而提供时钟18 的振荡频率的可选调节。还可以了解到，在图1实施例中，基于VR产生IRl和IR2提供了标称工作频率或 “中心”工作频率的显著降低的偏差，否则，如果不依赖于VR产生顶1，顶2，将会由于例如VR 制造过程中的偏差而导致标称工作频率或“中心”工作频率的偏差，从而不能在IRl和IR2 中生成相应的补偿偏差。再次参照图1，示例性的时钟振荡器18包括S/R触发器22，其具有二元Q输出以控制第一互补晶体管开关对Ql和Q2，并且具有二元NQ输出以控制第二互补晶体管开关对 Q3和Q4。电容器Cl具有连接到晶体管Ql和Q2之间的源漏连接的充电“板”或等效导体， 以及连接到地电位的接地“板”或等效物。电容器C2类似地具有连接到晶体管Q3，Q4的源漏连接的充电板或等同物，以及连接到地电位的接地板。电容器Cl的充电板连接到比较器 24A的“ + ”输入，电容器C2的充电板连接到比较器24B的“ + ”输入。比较器24A，24B的“-” 输入从参考电压发生器12接收VR电压。应该了解到，S/R型触发器22仅仅是可以用于实施图1的示例10中描述的振荡器的翻转型触发器的一个示例。本领域的普通技术人员基于本公开可以明了可替换的翻转触发器类型。
综合来说，时钟振荡器18的“振荡”机制是，电流IRFl对电容器Cl充电直到其电压达到VR，因此比较器24A触发S/R触发器22的“S”输入，使得其Q输出“ 1”值，而其NQ 输出“0”值。Q和NQ的这些值控制Ql到Q4以对Cl放电，并将IRF 2馈送到电容器C2。当电容器C2到达VR时，比较器24B触发S/R触发器22的“R”输入，从而使得其Q输出“0” 值，以及其NQ输出“ 1，，值，并且重复该循环。更具体地，可以通过选择Cl和C2都被放电到地电位的任意t = 0时刻作为初始条件，以及选择t = 0时的S/R触发器22的任意初始状态Q =逻辑“1”和NQ =逻辑“0” 来说明上述操作。在该示例中，地电位表述为“0”伏，但应该了解，“0”不必须是绝对的值。 还要了解到，对应于逻辑“0”和“ 1，，的电压是可选设计，本领域的普通技术人员通过阅读本公开容易理解，所述对应于逻辑“0”和“1”的电压部分地由选择用于实现开关晶体管Q1， Q2，Q3和Q4，或者其等同物的具体电路结构和技术来驱动。对于示例10中的晶体管Q1-Q4的具体示例的排列和极性，逻辑“0”的电压低于Q2 和Q3的栅极截止电压，并且低于Ql和Q4的栅极饱和电压。类似地，对应于逻辑“1”的电压高于Ql和Q4的栅极截止电压，并且高于Q2和Q3的栅极饱和电压。本领域的普通技术人员基于本公开可以容易地确定这些电压，因此省略进一步的细节。继续上述示例性操作，在t = 0时电容器Cl和C2处于“0”伏或地电位，S/R触发器22的Q输出是逻辑“1”，其NQ输出是逻辑“0”。因此(根据图1的示例10中的Q1-Q4 的极性排列)，晶体管Ql是导通(ON)的，Q2是截止(OFF)的，Q3是截止的(OFF)的，Q4是导通(ON)的。因此，由于Q2截止，从而使得Cl的充电板与地绝缘，IRFl电流穿过Ql并对 Cl充电。另一方面，截止的晶体管Q3阻止IRF2对C2充电。可替换地，Q4可以导通以维持 C2到近似0伏(S卩，Q4的漏源压降)。在t = tl时，电流IRFl已将电容器Cl相对于VR充电到一电压，该电压使得比较器24A输出足以触发S/R触发器22的“S”输入的电压变化或等效的信号特性。为了集中描述本公开的新颖方面，假定触发比较器所需的在“ + ”和“_”输入之间的阈值电压差异是“0”伏。本领域的普通技术人员将了解，这是示例性的理想阈值，但是也可以容易地修改有关示例性操作的描述，以便与不同的阈值差异相匹配。进一步，比较器 24A输出的具体信号特征被假定为例如具有给定的最小转换速率的上升沿。如本领域的普通技术人员所了解的，具体的特征部分地取决于S/R触发器22的输入特性。继续图1中示例10的示例性操作，如上所述，在t = tl时，已被电流IRFl从t = t0开始充电的Cl达到电压VR。作为响应，比较器24A例如输出上升沿到S/R触发器22的 “S”输入。作为响应，触发器22将其状态从上述初始状态变化到Q为逻辑“1”以及NQ为逻辑“0”的新状态。参照图1，由于从触发器22到开关晶体管Q1-Q4的反馈线路，导致晶体管Ql被截止，Q2被导通，Q3被导通以及Q4被截止。因此，在t = tl时，Q2的导通使得电容器Cl放电到近似“0”伏，同时目前导通的Q3馈送IRF2以对当前被Q4的截止状态与地隔离的电容器C2充电。在下一个可以表示为t = t2的时间点，电容器C2达到电压VR。如前所述，假设 IRFl实质上等于IRF 2，并且假设电容Cl等于C2 (例如假设比较器24A和24B具有实质上相同的特性，以及晶体管Ql和Q3具有类似的导通电阻)，C2相对于时间tl到达VR的时间近似等于tl。因此，在该假设条件下，t2近似为2Xtl。
因此，在t = t2时，比较器MB的输出产生到S/R触发器22的“R”输入的触发。 根据已知的S/R特性，S/R触发器22再次将其状态变化到Q =逻辑“0”和NQ =逻辑“1”的初始状态。这将使得Q1-Q4进入上述的t = t0的状态，其中Ql导通，Q2截止，Q3截止以及 Q4导通。因此，可以在t = 2Xtl(而不是t = 0)时开始重复上述IRFl将Cl充电到VR的循环。可以容易地看出，上述振荡的频率与IRFl和IRF2将Cl和C2充电到VR (即触发比较器24A和24B的阈值)所需要的时间成反比。进一步，可以从图1容易地看出，电流IRFl 和IRF2越高，则电容器Cl和C2的充电速度越快。因此，可以容易地理解，输入到频率调节 DAC 16的频率调整值的变化会改变IRFl和IRF2，并且因此改变振荡频率。参照图1，现在将描述例如示例10的实施例所提供的显著的优点，该实施例具有振荡器以及依赖于来自参考12的电压VR (而非不依赖于VR)的参考电流IRl和顶2。在图1的示例10中，依赖于VR产生(例如通过电压到电流发生器14)电流IRl 和IR2的一个好处是VR中的依赖于制造过程的偏差必然在IRl和IR2中产生对应的偏差。 换句话说，VR中的工艺偏差会导致IRl和IR2中相关的工艺偏差。与此对比，另一个优势是VR中依赖于温度的变化会在^1，IR2中产生对应、相关的依赖于温度的变化。另一个优势是，由VR中的偏差导致的振荡频率变化方向与由IR1，IR2中的对应变化导致的振荡频率变化方向相反。图4以具有代表性的图表形式例示了振荡器的频率-温度特性，可以通过可从如上所述第一示例的振荡器获得的仿真模型预测该特性。参照图4，振荡器频率-温度特性“(a)”例示了用于振荡器(图中未示出)的仿真模型所预测的多个典型特性，该振荡器具有独立于参考电压VR而产生的顶1、顶2。所有的特性曲线“ (b) ”、“(c) ”和“(d)，，以鲜明的对照方式示出了利用例如图1描述的布置的示例14的Vref/Iref参考电流发生器的振荡器的仿真模型所预测的典型特性。可以容易地看到，例如图1中描述的第一实施例的预测的振荡器频率-温度特性明显更稳定，其具有抛物线形状的特性，相反，针对独立产生的参考电流所预测的偏差范围较宽且不一致。参照图1-3，本领域的普通技术人员基于本公开可以容易地知晓构造根据第一实施例的振荡器(例如图1中示例性描述的示例10)的设计考虑因素。例如，本领域的普通技术人员可以看到，对比较器的阈值电压中例如周期间偏差的统计数据可以构成设计考虑因素，因为该偏差可能导致时钟发生器18的输出中的抖动(jitter)。普通技术人员通过阅读本公开披露的内容可以容易地选择及实现比较器24A，24B，所述比较器24A，24B具有满足给定的抖动规范所需的比较阈值统计数据。图5示出了具有根据第二实施例的示例性实现的示例性振荡器400。根据一个或多个方面，示例的振荡器400可以采用参照第一实施例的示例描述的某些功能和特征。因此，在所有的多个示例中，同样的附图标记用来描述相似的结构或功能，或者描述实质上相同的结构或者功能。例如，参照图5，所示示例400可以包括实质上与上述部分20实质上类似的振荡器部20。参照图5，示例的振荡器400包括温度补偿的Vref/Iref依赖参考信号发生器 402，其产生参考电压VR，以及通过电压到电流转换(图4中未示出)产生电流Irefl和 Iref2，并且，还产生正系数电流Iptat (temp)和负系数电流Intat (temp)。可以例如利用电流到电压转换器(例如上述组件14)来产生Irefl和Iref2。如上所述，VR还馈送到振荡器部分20内的比较器的“_”端。图6示出了 Vref/Iref依赖参考信号发生器402的示例性实施例500。参照图6， 示例500包括温度补偿参考电压部502，其产生参考电压VR，并且例如可以实施为超低功率带隙参考。温度补偿参考电压部502对电压到电流转换器508进行馈送，该电压到电流转换器例如可以是如图所示组件14所描述的结构。电压到电流转换器508产生Vref/Iref 依赖参考电流，例如前面描述的Irefl和Iref2。示例性实施例500进一步包括对另一个电压到电流转换器508进行馈送的温度依赖正系数参考电压部504，该电压到电流转换器例如是针对组件14描述的结构。转换器508产生Iptat(temp)，在后面部分中更详细地描述其功能。类似地，示例性实施例500进一步包括向电压到电流转换器510进行馈送的温度依赖负系数参考电压部506，其输出htat (temp)，并且在后面的部分中更详细地描述。参照图5，电流Irefl、Iref2、正系数电流Iptat (temp)和负系数电流Iptat (temp) 输入到参考电流温度补偿部，例如所例示的示例404或等同物。如下面更详细的描述，综合来看，在示例404中通过检索的温度系数TC (temp)对Iptat (temp)和htat (temp)电流的每一个加权，并且依赖于振荡器400高于还是低于给定的最佳工作温度，将加权的 Iptat (temp)和Intat (temp)电流增加到Irefl和Iref2中或者从Irefl和Iref2中减去， 以分别产生IRl和顶2。在稍后部分中更详细描述了一个可获得的结果，该结果是振荡器 400的温度-频率特性曲线的显著、可控的旋转。在稍后部分中更详细地描述了，该旋转进一步开发了基于参考电压VR生成Irefl和Iref2的显著和独特的优势。更特别地，参照前述图4所描述的，本公开的发明人认识到，作为基于参考电压VR 产生Irefl和Iref2的结果，根据前面描述的实施例的振荡器在它们的工作温度_频率特性曲线中似乎表现出明显更一致的抛物线形式。本领域中的普通技术人员将要了解到，通过阅读本公开，本公开实施例的方面还额外地开发了由这种在工作温度-频率特性曲线中通常为更稳定的抛物线形提供的一个或多个旋转的能力。再次参照图5，在示例400中参考电流温度补偿部404包括分别连接到比较器 410的“ + ”和“_”输入的温度传感器406和温度设定寄存器408。温度设定寄存器存储值 Tempkt，该值可以通过下述方法来确定，即例如测试来自与目标设备400相同的处理批次的代表性采样，以获取振荡频率相对于温度的统计平均特性，以及从该统计平均特性确定用于旋转特性的最佳温度。TempSet值优选地表示或至少部分地基于最佳温度。在随后的部分中将更详细地描述确定Tempkt的示例，以及执行示例性旋转的参考电流温度补偿部 404的示例性操作示例。继续参照图5，并更具体地参照参考电流温度补偿部404，比较器410的输出被输入到极性设定块412以及输入到一对模拟多路选择器414A和414B。模拟多路选择器414A 和414B控制为选择Iptat (temp)和Intat (temp)电流中的一个，并且每个模拟多路选择器 414A和414B馈送电流到其各自的温度补偿DAC 416A、416B。如前所述，Iptat (temp)是表示正系数参考电压的电流，例如图6中的电压到电流转换器510的输出电流表示正系数参考电压部504的温度状态。同样，Intat (temp)是表示负系数参考电压的电流，例如图6中的电压到电流转换器512的输出电流表示负系数参考电压部506的温度状态。在随后部分中会更详细地描述到，htataemp)电流选择为执行振荡器400的频率-温度特性的顺时针或正的旋转，而Iptat (temp)电流选择为执行特性的逆时针或负的旋转。仍然参照图5，DAC 416A和416B基于温度调整位TC执行对所选择的Iptat (temp) 和htataemp)电流的加权。每个DAC 416A和416B例如可以根据图3的示例或其等同物。关于TC的功能，在随后的部分中将要更详细地描述，TC数据的值决定了旋转的幅度。更具体地，TC越高，意味着Iptat (temp)或^itat (temp)电流的缩放比例越高。通过可控反相器418A，418B,以及加法器420A, 420B,更高(或更低)的Iptat (temp)或Intat (temp) 电流缩放比例产生更高(或更低)的IRl和IR2值以馈送给振荡器部20。TC的值可以基于振荡器400的制造过程，或可以在制造振荡器400的过程中计算或者确定。在稍后部分中将要更详细地描述确定TC的示例。关于存储和检索TC，参照图5，TC值例如可以从例如与振荡器400分离的存储器中检索。例如，本领域中的普通技术人员可以了解到，具有或者根据所披露实施例的实施例可以包括例如在微控制器(未示出)内的振荡器，并且普通技术人员可以基于本公开应用常规的设计实践，以容易地识别和实现TC存储。表示TC的位数是可选的设计，本领域的普通技术人员通过基于阅读本公开披露的内容提供传统的工程实践，可以在不进行过度试验的情况下容易的认识到该可选设计。 作为一个示例性示例，TC可以例如表示为约5个位。参照图5，DAC 416A，416B 的输出是通过 TC 加权的 Iptat (temp)和 Intat (temp) 之一。这些输出可以表示为Iptat (temp) XTC或htat (temp) X TC。基于如前假设IRl实质上等于IR2的实质上相同的原因，假设DAC 416A的输出实质上等于DAC 416B的输出。这些通过DAC输出的TC加权电流输入到可控电流反相器418A和418B，该电流反相器依赖于振荡器400相对于温度设定的温度(在该示例中通过比较器410的输出表示)，以及依赖于极性设定单元412的极性设定来反转或不反转电流。仍然参照图5，可控反相器418A的输出馈送到模拟加法器420A，其中，根据反相器410A的符号，加权补偿电流(是Iptat (temp) XTC或htat (temp) XTC中的一个)被增加到Irefl或者从Irefl中减去以产生顶1。同样，可控反相器418B的输出馈送到模拟加法器420B，其中，根据反相器410B的符号(与410A的符号相同)，加权补偿电流(是 Iptat (temp) X TC或Intat (temp) X TC中的一个)被增加到Iref2或者从Iref2中减去以产生顶2。电流IRl和IR2然后输入到振荡器部20，振荡器部20被频率调整数据(如果使用频率调整数据的话)进一步调节，并相应地振荡。图7以具有代表性的图表形式例示了一个示例，该示例对四种示例性温度补偿情况示出了从第二示例性实施例的图5中的示例400的温度补偿部404中产生顶1。对于每个情况，假定相同的产生顶2。图7中的标量乘数“K”表示图7中的温度调整值“TC”是“K”。参照图7，线702表示“情况1”，其中在制造时确定的振荡器(例如振荡器400) 的电流IRl在高于其确定的设定点温度的温度下需要正系数电流补偿，以便在给定温度范围内将振荡频率维持在可接受的限度之内。所述范围例如可以从设定温度值延伸到 100摄氏度。参照图5，为了根据情况1的特性曲线702产生电流顶1，模拟多路选择器 414A，414B被控制为选择Iptat (temp)，检索在制造时确定的TC值并输入到DAC 416A， 416B,极性设定单元412控制可控反相器418A，418B以使得加法器420A，420B产生IRl = Irefl+ (TCXIptat(temp))。
参照图7，线704表示“情况2”。线704示出了在制造时确定的用于振荡器(例如400)的电流顶1，该电流在高于其确定的设定点温度的温度下需要负系数电流补偿，以便在给定温度范围内将振荡频率维持在可接受的限度之内。参照图5，为了根据情况2的特性曲线704产生电流顶1，模拟多路选择器414A，414B被控制为选择Iptat (temp)，产生在制造时确定的TC值(可能与情况1中确定的TC不同)并输入到DAC 416A，416B，极性设定单元412控制可控反相器418A，418B以反转电流，使得加法器420A，420B产生= Irefl-(TCXIptat(temp))。再次参照图7，线706表示“情况3”。线706示出了在制造时确定的用于振荡器 (例如400)的电流顶1，该电流在低于其确定的设定点温度的温度下需要负系数电流补偿，以便在给定温度范围内(例如低至-50摄氏度)将振荡频率维持在可接受的限度之内。参照图5，为了根据情况3的特征线706产生电流顶1，模拟多路选择器414A，414B被控制为选择Intat (temp)，在制造时确定的TC值被输入到DAC 416A，416B,并且极性设定单元412控制可控反相器418A，418B以不反转电流。从而，加法器420A，420B产生= Irefl+ (TCXIntat(temp))。最后，仍然参照图7，线708表示“情况4”，其中在制造时确定的振荡器(例如振荡器400)的电流IRl在低于其确定的设定点温度的温度下需要正系数电流补偿，以便在给定温度范围内将振荡频率维持在可接受的限度之内。参照图5，为了根据情况4的特征线704 产生电流顶1，模拟多路选择器414A，414B被控制为选择Iptat (temp)，在制造时确定的TC 值被输入到DAC 416A，416B，并且极性设定单元412控制可控反相器418A，418B以反转电流。加法器 420A，420B 从而产生 IRl = Iref 1-(TCX Iptat (temp))。图8以具有代表性的图表形式例示了根据第二示例性实施例一个方面来设定温度设定点，以相对于该设定点比较温度的示例。参照图8，在制造时对例如从图6示例的Vref/Iref依赖参考源的正系数参考电压部504输出的电压进行测量(例如在与目标振荡器400相同的处理批次中选出的样品中)， 并且可调整电压源或等同物408配置为将该电压输入到比较器410的“-”输入。样品中相同结构的输出连接到比较器410的“ + ”输入，并且被测量以确定在408中固定的设定温度值。图9是根据第二实施例一个方面的示例性温度补偿，确定旋转(rotation)的系数和参数的示例性操作的流程图。参照图9，在902和904处在给定温度(例如室温)下调节频率。给定温度可以根据在预定环境中，设备的典型环境温度。调节可以是根据传统的用于调整例如参考电压部， 电压到电流转换器，电容器和电阻器的工程实践对实施根据图5的振荡器的多个电路元件进行调整，本领域的普通技术人员在本公开的基础上不经过过度的试验可以容易的意识到这种调整。在906处，选定给定处理批次的给定数量的样品，并且，对于每个样品，在给定的温度范围上收集频率-温度测量值。本领域的普通技术人员基于常规的处理采样方法并结合本公开，可以容易地确定样品的数量。在908处分析数据，以确定用于将频率维持在覆盖给定温度范围的给定精度以内所需要的旋转的量和方向。在一个示例性示例中，给定的标称频率可以是4MHz，给定温度范围可以是零下50摄氏度至零上100摄氏度，并且给定的变化范围可以是+/_1%。
图10以代表性图表形式例示了频率-温度特性的四个示例，这些示例可以通过图 5的振荡器的仿真模型预测得到，并且在用于确定TC的示例性操作的图9的步骤908中进行识别。图10示例中的频率容限是+/_1%，示例的温度范围是零下50摄氏度至零上150 摄氏度。参照图10，标记为“(a)，，的示例特性示出了可接受的频率-温度特性，从而TC可以设定为“零”。但是，如果需要旋转，步骤908可以计算以例如顺时针方向旋转特性的TC 值。仍然参照图10，频率-温度特性“(b)”和“(c)”示出了在达到零上150摄氏度之前，频率下降到最小可接受频率以下，而示例性特性“(d) ”示出了在高于零下50摄氏度的较低的所需工作温度的温度下，频率下降到最小可接受频率以下。因此对于图10示例中的特性曲线“(b) ”，步骤908配置为产生形成逆时针方向旋转的TC，以使得区域1002在低于标称频率的最低频率以上。可以利用实现根据第二实施例的主振荡器的电路的仿真模型来进行这种计算。然后，将TC值存储在存储器中。应该了解，步骤908还可以确定特征曲线使得没有TC可以实现需要的旋转。参照图9和图10，在执行步骤908的另一示例中，对图10所示的特性曲线“(d) ” 顺时针方向旋转，计算对应的TC值以使得区域1004在低于标称频率的最低频率以上。 然后，将TC值存储在存储器中。参照图9，在步骤910中，确定用于以步骤908中计算的量来旋转频率-温度特性的最佳温度。识别的温度例如可以是正常室温。然后，将上述温度设定的对应值存储在存储器中。图11以具有代表性的图表形式例示了由仿真模型预测的振荡器的频率-温度特性曲线的多个优点，这些仿真模型可以通过第二实施例的一个示例性方面获得。图11示例性示出了通过仿真模型预测的根据第二实施例的振荡器(例如图5的示例400)的效果，并且基于图10中描述的频率-温度特性进行有关TC值的操作。参照图11，对特性曲线“(a)，， 至“(d) ”中的每一个，虚线表示旋转特性。虽然已经参照某些示例性方面详细描述了多个示例性实施例，应该理解，本公开也可以使其它的实施例，并且可以在多个明显的方面对其细节进行修改。本领域的普通技术人员可以容易地知道，在维持在本公开的精神和范围内的情况下，也可以进行一些变型和修改。因此，前述公开、描述和附图仅仅用于示例性目的，而不能以任何方式限制本公开，本公开的范围仅仅由所附权利要求来定义。
权利要求
1.一种振荡器，包括参考电压单元，产生参考电压；振荡器控制电流单元，至少部分地基于参考电压产生振荡参考电流； 翻转振荡器，至少部分地基于参考电压和振荡器参考电流在振荡频率下产生振荡输出信号。
2.根据权利要求1的振荡器，还包括温度传感器，输出表示振荡器的温度的温度信号； 存储单元，存储能够基于温度信号来检索的多个给定的温度补偿数据； 其中，振荡器控制电流单元包括基准参考电流发生器和参考电流发生器，基准参考电流发生器至少部分地基于参考电压产生基准参考电流，参考电流发生器至少部分地基于所检索的温度补偿数据和基准参考电流产生振荡参考电流。
3.根据权利要求1的振荡器，还包括用于存储并输出频率调整值的频率调整存储器， 其中，振荡器控制电流单元还包括基准参考电流发生器和参考电流发生器，基准参考电流发生器至少部分地基于参考电压产生基准参考电流，参考电流发生器至少部分地基于频率调整数据和基准参考电流产生振荡参考电流。
4.根据权利要求2的振荡器，还包括用于存储并输出频率调整值的频率调整存储器， 其中，参考电流发生器至少部分地基于频率调整数据、所检索的温度补偿数据和基准参考电流产生振荡参考电流。
5.根据权利要求1的振荡器，还包括存储单元，存储能够基于温度信号来检索的多个给定的温度补偿数据；和频率调整存储器，存储并输出频率调整值； 其中振荡器控制电流单元包括比较器，用于将温度信号与给定的最佳旋转温度进行比较，以及基于比较产生旋转控制信号；其中振荡器控制电流单元；基于温度的补偿电流发生器，产生正系数的基于温度的电流和负系数的基于温度的电流；温度补偿电流发生器，通过基于旋转控制信号而从正系数的基于温度的电流和负系数的基于温度的电流中选择一个，并利用所检索的温度补偿数据对所选择的一个进行的加权，来产生温度补偿电流；温度补偿振荡器电流发生器，通过将温度补偿电流加到基准参考电流，或者从基准参考电流中减去温度补偿电流，来产生温度补偿振荡器电流，其中参考电流发生器基于旋转控制信号在加减之间进行选择；以及频率补偿振荡器电流发生器，基于温度补偿振荡器电流和频率调整值产生振荡器参考电流。
6.根据权利要求1的振荡器，其中振荡器控制电流单元包括 用于检测振荡器的温度并产生相应的温度信号的装置；和用于基于温度信号和给定的温度补偿数据来调节振荡器参考电流的装置。
7.根据权利要求6的振荡器，其中给定的温度补偿数据包括旋转温度数据和旋转加权数据，并且其中用于基于温度信号和给定的温度补偿数据来调节振荡器电流的装置包括用于基于对温度信号和旋转温度的比较，从增大和减小振荡器参考电流中选择一个的装置，增大和减小的量基于所选择的加权温度补偿电流。
8.根据权利要求6的振荡器，其中给定的温度补偿数据包括旋转温度数据和旋转加权数据，并且其中基于温度信号和给定的温度补偿数据来调节振荡器电流的装置包括用于基于振荡器的温度来产生多个温度补偿电流的装置，所述多个温度补偿电流中的每个基于多个电流-温度系数中相应的一个；用于基于旋转加权数据对温度补偿电流加权，以产生多个加权温度补偿电流的装置； 用于基于对温度信号和旋转温度的比较，来从所述多个加权温度补偿电流中进行选择的装置；和用于基于对温度信号和旋转温度的比较，来从增大和减小振荡器参考电流中选择一个的装置，增大和减小的量基于所选择的加权温度补偿电流。
9.根据权利要求6的振荡器，其中振荡器控制电流单元包括 用于检测振荡器的温度并产生相应的温度信号的装置；用于产生正温度系数补偿电流和负温度系数补偿电流的装置； 用于基于存储的旋转值对正温度系数补偿电流和负温度系数补偿电流加权的装置； 用于通过从基准参考信号中选择性地增加或减去加权正温度系数补偿电流和加权负温度系数补偿电流中的一个，来产生温度补偿基准参考电流的装置，其中基于温度信号和给定的旋转温度之间的比较值在增加和减去之间进行选择；以及用于基于温度补偿基准参考电流产生振荡器参考电流的装置。
10.一种振荡器，包括 用于产生参考电压的装置；用于至少部分地基于参考电压产生参考电流的装置；和用于基于参考电流和参考电压在一定频率下产生振荡信号的装置。
11.根据权利要求11的振荡器，还包括用于检测振荡器的温度并产生相应的温度信号的装置；其中用于产生参考电流的装置包括用于基于参考电压产生基准参考信号的装置，和用于基于基准参考电流、给定的温度补偿加权数据、温度信号以及给定的旋转温度数据来产生参考电流的装置。
12.根据权利要求11的振荡器，还包括用于检测振荡器的温度并产生相应的温度信号的装置；其中用于产生参考电流的装置包括用于基于参考电压产生基准参考信号的装置，和用于基于基准参考电流、给定的温度补偿加权数据、温度信号、给定的旋转温度数据、以及给定的频率调整数据来产生参考电流的装置。
13.根据权利要求1的振荡器，其中，翻转振荡器包括电容器；比较器，将电容器的电压与参考电压进行比较并输出相应的比较信号；翻转触发器，根据比较信号在第一状态和第二状态之间切换，并具有表示第一和第二状态的触发器输出和辅助触发器输出；和切换电路，基于触发器输出和辅助触发器输出中的至少一个在第一状态和第二状态之间可切换，第一状态基于振荡器参考电流对电容器充电，以及第二状态对电容器放电。
14.根据权利要求1的振荡器，其中振荡器控制电流单元产生振荡器参考电流，振荡器参考电流包括第一振荡器参考电流和第二振荡器参考电流；以及其中，翻转振荡器包括第一电容器；第二电容器；第一比较器，将第一电容器的电压与参考电压进行比较并输出相应的第一比较信号；第二比较器，将第二电容器的电压与参考电压进行比较并输出相应的第二比较信号；翻转触发器，根据第一比较信号切换到第一状态，以及根据第二比较信号切换到第二状态，并且具有表示第一和第二状态的触发器输出和辅助触发器输出；第一切换电路，基于触发器输出和辅助触发器输出中的至少一个在第一状态和第二状态之间可切换，第一状态基于第一振荡器参考电流对第一电容器充电， 以及第二状态对第一电容器放电；和第二切换电路，基于触发器输出和辅助触发器输出中的至少一个在第一状态和第二状态之间可切换，第一状态基于第二振荡器参考电流对第二电容器充电，以及第二状态对第二电容器放电。
15.一种用于产生时钟信号的方法，包括 产生参考电压；基于参考电压产生参考电流； 基于参考电压和参考电流产生振荡时钟信号。
16.根据权利要求15的方法，还包括检测与产生参考电压和产生参考电流中的至少一个有关的温度，并产生相应的温度信号；以及基于参考电压、温度信号和给定的温度补偿数据调节参考电流。
17.根据权利要求16的方法，其中给定的温度补偿数据包括旋转温度数据和旋转加权数据，以及其中基于温度信号和给定的温度补偿数据调节振荡器电流包括基于对温度信号和旋转温度的比较，从增大和减小振荡器参考电流中选择一个，增大和减小的量基于所选择的加权温度补偿电流。
18.根据权利要求16的方法，其中给定的温度补偿数据包括旋转温度数据和旋转加权数据，以及其中基于温度信号和给定的温度补偿数据调节振荡器电流包括基于振荡器的温度产生多个温度补偿电流，所述多个温度补偿电流中的每个基于多个电流-温度系数中相应的一个；基于旋转加权数据对温度补偿电流加权，以产生多个加权温度补偿电流； 基于对温度信号和旋转温度的比较，来从所述多个加权温度补偿电流中进行选择；和基于对温度信号和旋转温度的比较，从增大和减小振荡器参考电流中选择一个，增大和减小的量基于所选择的加权温度补偿电流。
19.根据权利要求17的方法，还包括制造多个振荡器电路，振荡器电路具有产生参考电压的电压参考单元、至少部分地基于参考电压产生振荡器参考电流的振荡器控制电流单元、以及至少部分地基于参考电压和振荡器参考电流在振荡频率下产生振荡输出信号的翻转振荡器；测试所述多个振荡器电路以获取表示给定温度范围上的振荡频率-温度特性的样本数据；和基于样本数据和给定的振荡频率-温度特性，计算旋转温度数据和旋转加权数据。
全文摘要
一种电压参考装置，连接到电压到电流转换器以产生依赖于参考电压的参考电流。翻转型触发器的输出连接到控制参考电流对电容器充电的开关晶体管。通过比较电容器电压和参考电压来控制触发器的翻转，以使得翻转频率与电容器的充电时间成比例。可选地，存储表示频率-温度特性的幅度和旋转方向的温度补偿数据，并基于感测的温度来检索该温度补偿数据，以修改参考电流。
文档编号H03L1/02GK102356549SQ201080012216
公开日2012年2月15日 申请日期2010年3月18日 优先权日2009年3月18日
发明者凯文·马胡提 申请人:Nxp股份有限公司