具有工艺和偏移校准的混合脉冲宽度控制电路的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年08月17日提交的美国申请no.15/680,120的优先权和权益。

本申请涉及脉冲宽度控制电路，并且更具体地涉及具有工艺和偏移校准的混合脉冲宽度控制电路。

背景技术：

脉冲宽度控制电路生成具有期望脉冲宽度的输出时钟信号。例如，半速率或双采样数据接口通常包括脉冲宽度控制电路，以调整用于采样发射或接收的数据的时钟信号的占空比。类似地，可编程占空比时钟系统还将包括脉冲宽度控制电路。为了对时钟信号提供期望的脉冲宽度，在脉冲宽度控制电路中已经使用了数字方案以及模拟方案。在数字方案中，架构根据输出时钟信号是相对高速还是低速而变化，但是两种方案都涉及在类似于锁相环的反馈环路中使用电荷泵和环路滤波器。例如，在低速数字架构中，输入时钟通过伪反相器驱动延迟线。延迟线驱动第一电荷泵，第一电荷泵又对第一电容器充电/放电。基准时钟脉冲驱动第二电荷泵，第二电荷泵也对第二电容器充电(或放电)。放大器将跨两个电容器的电压之间的差放大，该电压差通过环路滤波器反馈以调整伪反相器，以使延迟的输出具有期望的脉冲宽度。但是，这种数字架构不能实现任意的占空比，具有有限的分辨率，并且消耗大量的功率。

在模拟方案中，脉冲宽度控制电路的架构也倾向于根据时钟速度而变化。例如，一种低速模拟方案涉及使用数模转换器将数字代码转换为表示期望脉冲宽度的模拟电压。放大器将该模拟电压与反馈电压进行比较，反馈电压从经过低通滤波器滤波的输出时钟信号导出。放大器响应于反馈而控制延迟线，以将输入时钟信号转换为经占空比调整的输出时钟信号。但是，由于工艺、电压和温度变化，这种模拟方案也消耗大量功率并且难以提供任意的脉冲宽度。

因此，在本领域中需要一种改进的可调整脉冲宽度控制电路，该电路是低功率的并且针对工艺变化和电路非线性进行了校准。

技术实现要素：

提供了一种混合脉冲宽度控制电路，其包括用于生成斜坡电压信号的斜坡电压生成器。比较器将斜坡电压信号与基准电压进行比较，以生成比较器输出信号。时钟脉冲生成器被配置成响应于比较器输出信号的断言而断言输出时钟信号。时钟脉冲生成器还包括计数器，该计数器在输出时钟信号被断言时响应于基准时钟信号而对开启时间计数进行计数。当开启时间计数等于期望开启时间计数时，时钟脉冲生成器将输出时钟信号和斜坡电压信号复位(解除断言)。

在诸如混合脉冲宽度控制电路的启动的校准阶段期间，校准电路调整斜坡电压生成器中的电阻和/或电容的值。特别地，在输出时钟信号被复位时，校准电路响应于基准时钟信号而对关闭时间计数进行计数。如果在输出时钟信号的关闭时间时段结束时，关闭时间计数不等于期望关闭时间计数，则校准电路调整斜坡电压生成器中的电阻和/或电容，直到关闭时间计数等于期望关闭时间计数为止。以这种方式，工艺变化和电路偏移被有利地从输出时钟信号的所得占空比中校准出去，该占空比等于期望开启时间计数与期望开启时间计数与期望关闭时间计数之和的比率。而且，产生基准信号的振荡器仅在校准时段期间以及在输出时钟信号的开启时间期间被使能，以使对占空比的准确控制也是低功率的，特别是当占空比减小时。

通过以下详细描述可以更好地理解这些和其他有利特征。

附图说明

图1是根据本公开的一个方面的混合脉冲宽度控制电路的框图。

图2是图1的混合脉冲宽度控制电路的更详细的电路图。

图3是根据本公开的一个方面的混合脉冲宽度控制电路的示例操作方法的流程图。

通过参考下面的详细描述，将最好地理解本公开的实施例及其优点。应当理解，相同的附图标记用于标识在一个或多个附图中图示的相同元件。

具体实施方式

提供了一种脉冲宽度控制电路，该电路提供任意的脉冲宽度，而又是低功率的，并且针对工艺变化和电路偏移进行了校准。由于脉冲宽度控制电路使用数字元件和模拟元件两者，因此在本文中将其表示为混合脉冲宽度控制电路。在这种混合架构中，斜坡电压生成器使用电阻器电容器(rc)电路来生成斜坡电压信号。比较器将斜坡电压信号与基准电压进行比较，以便当斜坡电压信号从地上升到等于基准电压时，比较器断言其输出信号。时钟脉冲生成器和计数器响应于比较器输出信号的断言而断言输出时钟信号。另外，时钟脉冲生成器和计数器响应于振荡器信号的振荡而开始计数。在计数振荡的期望次数(dn)之后，时钟脉冲生成器和计数器将输出时钟信号复位，并且还将斜坡电压信号复位。因此，斜坡电压生成器和比较器形成了所得混合脉冲宽度控制环路的模拟部分，而时钟脉冲生成器和计数器形成了数字部分。

斜坡电压生成器中的rc电路易于受工艺、温度和电压变化(为简洁起见，这些变化在本文中被称为工艺变化)的影响。类似地，由于偏置效应，斜坡电压生成器内的放大器以及比较器将偏离理想行为。例如，比较器在斜坡电压信号等于基准电压时不会被触发，而是在斜坡电压信号等于基准电压+/-某个偏移电压时被触发。因此，混合脉冲宽度控制电路包括占空比校准电路，该占空比校准电路用于校准斜坡电压生成器中的rc电路，以便消除由工艺变化和偏移变化产生的误差。特别地，如将在本文中进一步解释的，输出时钟信号的关闭时间是斜坡电压生成器内的rc电路的电阻(r)和电容(c)的乘积的函数。占空比校准电路在输出时钟周期的关闭时间期间对来自振荡器的振荡进行计数，并且将其与振荡的期望次数(dm)进行比较。如果所计数的振荡不等于期望次数dm，则占空比校准电路调整rc电路的电阻r和/或电容c，直到所计数的振荡等于dm。因此，输出时钟信号的所得脉冲宽度等于比率dn/(dn+dm)，使得脉冲宽度是任意的并且仅通过调整dn和/或dm就可以容易地将其调谐到期望值。

在图1中示出了示例脉冲宽度控制电路。斜坡电压生成器105生成斜坡电压信号，比较器110将该斜坡电压信号与基准电压(vref)进行比较。因此，当斜坡电压信号等于基准电压时，比较器110将触发比较器输出信号(cmp_out)。该触发可以是逻辑高或逻辑低。以下讨论将针对一个实施例，在该实施例中，当斜坡电压信号等于基准电压时，比较器输出信号被触发为高(被充电到电源电压)，但是将理解，在备选实施例中，比较器输出信号可以被触发为低(被放电到地)。

时钟脉冲生成器和计数器115响应于比较器输出信号的断言而将输出时钟信号(pulse_out)断言为高。另外，比较器输出信号的断言触发无毛刺振荡器开始使基准时钟信号(clk)循环。时钟脉冲生成器和计数器115响应于基准时钟信号中的边沿进行计数，并且在计数达到期望值dn时将输出时钟信号复位。另外，当计数等于dn时，时钟脉冲生成器和计数器115将脉冲复位信号(pulse_rst)断言。脉冲复位信号的断言使开关s1闭合，该开关s1相应地将斜坡电压信号放电到地。为了校准工艺和偏移变化，占空比校准电路125调整斜坡电压生成器105中的rc电路(在下文中进一步讨论)，以使在输出时钟信号为低时响应于基准时钟的关闭时间计数等于期望值dm。

参考图2可以更好地理解rc电路的调整。斜坡电压生成器105包括差分放大器200，其利用控制电压对pmos晶体管p1的栅极充电。晶体管p1具有其绑定到电源电压的电源节点的源极，并且具有其绑定到可变电阻器r的漏极。晶体管p1的漏极也反馈到差分放大器200的负输入。由于差分放大器200的正输入接收基准电压，晶体管p1的漏极电压将被控制为等于基准电压。因此，通过可变电阻器r的电流将等于基准电压与r的比，其中r也是可变电阻器r的电阻。差分放大器200还利用控制电压来驱动pmos晶体管p2的栅极。晶体管p2具有其绑定到电源电压节点的源极，并且具有其通过可变电容器c耦合到地的漏极。晶体管p1中的沟道比晶体管p2的沟道大k倍，其中k为任意比例因子。因此，由晶体管p2传导的基准电流(iref)等于比率vref/(k*r)。由于斜坡电压信号在关闭时间(周期的一部分，在该部分期间，输出时钟信号未被断言)结束时由开关s1复位，因此基准电压与电容c(c也表示可变电容器c的电容)的乘积等于iref和toff的乘积，其中toff是输出时钟信号的关闭时间。因此，toff等于k*r*c。电阻r和电容c因此可以被校准以根据需要设置输出时钟信号的关闭时间。

比较器输出信号(cmp_out)的断言触发时钟脉冲生成器和计数器115断言输出时钟信号(ck_pulse)并且断言用于无毛刺振荡器120的使能信号(en_rco)。响应于使能信号的断言，无毛刺振荡器120开始循环基准时钟信号(ck_rco)。基准时钟信号的频率明显高于输出时钟信号的频率，以使基准时钟信号将在输出时钟信号的开启时间(ton)期间循环多次，在此期间，时钟输出信号被脉冲为高，至电源电压。当输出时钟信号为高时，时钟脉冲生成器和计数器115响应于基准时钟的振荡而对开启时间进行计数。例如，时钟脉冲生成器和计数器115可以响应于基准时钟信号的上升沿而计数。备选地，该计数可以对下降沿进行响应或对两种类型的边沿进行响应。时钟脉冲生成器和计数器115被编程有期望的开启时间计数dn。一旦开启时间计数等于期望的开启时间计数，时钟脉冲生成器和计数器115就将输出时钟信号复位，并且还断言复位信号(rst_pulse)以闭合开关s1。复位信号可以在或门210中与初始复位信号(rst_init)进行取或，以使开关s1可以响应于启动或其他期望条件而闭合。

占空比校准电路125包括计数器和比较器205，其在校准时段期间的启动时被触发以校准斜坡电压生成器105中的r值和c值。因此，占空比校准电路125可以被指定为初始占空比校准电路。在启动时，比较器输出信号cmp_out为低，使得反相器215将比较器输出信号反相为补码版本(cmp_outbar)以触发计数器和比较器205开始对关闭时间时钟进行计数。与时钟脉冲生成器和计数器115相比，计数器和比较器205因此在比较器输出信号为低(输出时钟信号的关闭时间toff)时响应于基准时钟而进行计数。计数器和比较器205被编程有期望的关闭时间计数dm。如果关闭时间计数小于dm(或大于dm)，则占空比校准电路会调整斜坡电压生成器105中的电阻r和/或电容c，以使关闭时间计数等于期望关闭时间计数。因此，输出时钟信号的所得占空比等于比率dn/(dn+dm)。由占空比校准电路125进行的校准不仅针对r值和c值的任何工艺变化进行调整，而且还解决了差分放大器200和比较器110中的任何偏移。另外，注意，由于振荡器120仅在输出时钟信号被脉冲为高时的开启时间期间才循环，因此所得操作有利地是低功率的。由于占空比是任意的，因此可以将其准确地降低到非常低的值，诸如百分之二。在这种低占空比下的所产生的功耗被相应地降低。注意，占空比校准电路125活动的校准时段可以被周期性地重复以解决混合脉冲宽度控制电路100的操作期间的任何温度或电压变化。在一个实施例中，占空比校准电路125可以被认为形成了一种装置，该装置用于在校准时段期间对关闭时间时钟进行计数以提供关闭时间计数，在该校准时段中，输出时钟信号被解除断言，并且用于调整可变电容器c的电容，以强制关闭时间计数等于期望关闭时间计数。

现在将参考图3中所示的流程图来讨论混合脉冲宽度控制电路的示例操作方法。方法包括对电容器充电以生成斜坡电压信号的动作300。对可变电容器c的充电是动作300的示例。另外，方法包括动作305，响应于斜坡电压信号等于基准电压而断言输出时钟信号。由时钟脉冲生成器和计数器115响应于比较器110断言比较器输出信号(因为斜坡电压信号等于基准电压)进行的对输出时钟信号的断言是动作305的示例。方法还包括动作310，在输出时钟信号被断言时，响应于基准时钟信号而进行计数以提供开启时间计数。由时钟脉冲生成器和计数器115进行的计数是动作310的示例。最后，方法包括动作315，响应于开启时间计数等于期望开启时间计数而将输出时钟信号解除断言。由时钟脉冲生成器和计数器115对输出时钟信号的复位是动作315的示例。

将理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以对本公开的设备的材料、装置、配置和使用方法进行许多修改、替代和变化。鉴于此，本公开的范围不应当受限于本文图示和描述的特定实施例的范围，因为它们仅是通过其一些示例的方式，而是应当与所附权利要求及其功能等同物的范围完全相称。