自校准RC振荡器及其自校准方法与流程

自校准rc振荡器及其自校准方法
技术领域
1.本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种自校准rc振荡器及其自校准方法。


背景技术：

2.随着芯片产业的不断发展，数字集成电路在ic(integrated circuit，集成电路)产业中占据着举足轻重的地位，同时由于数字集成电路设计过程中含有大量的时序逻辑电路，这些时序逻辑电路对工作时钟的频率要求往往非常苛刻。
3.目前产生工作时钟的方法可以由外部晶振产生，由这种方法产生的时钟频率可以自由调节。所以只要通过调试就可以产生一个频率很精确的时钟供外部数字电路使用，但这种方法往往需要额外搭建芯片之外的外围电路才能使用。
4.rc(resistance and capacitance，电阻电容)振荡器是一种可以集成到芯片内部的时钟电路模块，利用rc充电的原理产生振荡时钟。但是这种振荡时钟的频率对工艺偏差极其敏感，如温度和工艺角的变化，最差的情况下可以达到50％的偏差，无法满足数字集成电路对时钟频率的要求。


技术实现要素：

5.本发明提供一种自校准rc振荡器及其自校准方法，用以解决现有技术中rc振荡器对工艺偏差敏感，导致产生的振荡时钟不准确的缺陷，实现对rc振荡器产生的振荡时钟进行校准。
6.本发明提供一种自校准rc振荡器，包括rc模拟电路模块、rc数字自校准电路模块和寄存器；
7.所述rc数字自校准电路模块与所述寄存器信号连接，与所述rc模拟电路模块信号连接，所述rc模拟电路模块与所述寄存器信号连接；
8.所述rc数字自校准电路模块用于接收所述rc模拟电路模块输出的振荡时钟信号，将所述振荡时钟信号的频率与预设时钟信号的频率进行比较，根据比较结果确定控制所述rc模拟电路模块中电流镜的控制位，使得所述振荡时钟信号的频率和所述预设时钟信号的频率相等，并将所述控制位存入所述寄存器；
9.所述rc模拟电路模块用于当所述rc模拟电路模块工作时，从所述寄存器中获取所述控制位，使用所述控制位有选择地控制所述电流镜的开启组数，使得所述rc模拟电路模块输出所述预设时钟信号。
10.根据本发明提供的一种自校准rc振荡器，所述rc数字自校准电路模块用于：
11.在自校准rc振荡器的校准使能位拉高的情况下，通过分频器按照预设分频数对所述rc模拟电路模块输出的第一振荡时钟信号进行分频，得到分频时钟；
12.使用所述预设时钟信号对所述分频时钟在一个周期内进行计数；
13.若计数值大于所述预设分频数，则将所述控制位中的至少一个高位0修改为1，使得所述计数值等于所述预设分频数；
14.若所述计数值小于所述预设分频数，则将所述控制位中的至少一个低位1修改为0，使得所述计数值等于所述预设分频数。
15.根据本发明提供的一种自校准rc振荡器，所述rc模拟电路模块包括基准电流产生模块、rc充电比较模块和d触发器分频模块；
16.所述基准电流产生模块与所述rc充电比较模块电连接，所述rc充电比较模块与所述d触发器分频模块电连接；
17.所述基准电流产生模块用于产生零温度系数的基准电流供所述rc充电比较模块使用；
18.所述rc充电比较模块用于根据所述控制位控制所述电流镜中电流的大小；
19.所述d触发器分频模块用于对所述rc充电比较模块的输出进行分频处理。
20.根据本发明提供的一种自校准rc振荡器，所述基准电流产生模块包括运算放大器、第一mos管、第二mos管和负温度系数的电阻；
21.所述运算放大器与所述电阻电连接，与所述第一mos管电连接，所述电阻与所述第二mos管电连接；
22.其中，所述运算放大器工作在闭环，用于将第一基准电压加到所述电阻上，得到基准电流；
23.所述第一mos管以二极管连接方式接入，用于通过所述电流镜将所述基准电流拷贝给所述rc充电比较模块；
24.所述第二mos管工作在线性区，所述第二mos管的线性区电阻为正温度系数的电阻；
25.所述rc数字自校准电路模块用于调节所述第二mos管的宽长比以补偿所述电阻的负温度系数，产生零温度系数的所述基准电流。
26.根据本发明提供的一种自校准rc振荡器，所述rc充电比较模块包括电流镜、第一开关管、电容、比较器和反相器；
27.其中，所述第一开关管与所述电容并联后，与所述电流镜电连接，所述电流镜与所述比较器电连接，所述比较器与所述反相器电连接；
28.所述第一开关管用于为所述电容放电，所述比较器工作在开环，正输入端为第二基准电压；
29.当自校准rc振荡器开始振荡时，所述电容的上极板开始充电；充电至所述第二基准电压时，所述比较器的输出电压开始翻转，经过所述反相器整形后作用于所述第一开关管的栅极，导致所述第一开关管导通，使得所述电容的上级板开始经所述第一开关管对地放电。
30.根据本发明提供的一种自校准rc振荡器，所述电流镜包括多条支路，多条支路之间并联；
31.其中，一条支路包括第三mos管，其他支路包括第四mos管和第二开关管，每条其他支路中的第四mos管和第二开关管串联；
32.所述第二开关管在所述控制位的控制下开启或关闭。
33.根据本发明提供的一种自校准rc振荡器，所述rc数字自校准电路模块用于调整所述第三mos管和所述第四mos管的宽长比，使得流过所述第三mos管的电流是所述基准电流
的第一预设倍数，流过所述第四mos管的电流是所述基准电流的第二预设倍数。
34.根据本发明提供的一种自校准rc振荡器，所述反相器包括第五mos管和第三开关管，所述第五mos管和第三开关管并联。
35.本发明还提供一种基于上述自校准rc振荡器的自校准方法，包括：
36.通过rc数字自校准电路模块将rc模拟电路模块输出的振荡时钟信号的频率与预设时钟信号的频率进行比较；
37.根据比较结果确定控制所述rc模拟电路模块中电流镜的控制位，使得所述振荡时钟信号的频率和所述预设时钟信号的频率相等，并将所述控制位存入寄存器；
38.通过所述rc模拟电路模块在所述rc模拟电路模块工作时，从所述寄存器中获取所述控制位，使用所述控制位有选择地控制所述电流镜的开启组数，使得所述rc模拟电路模块输出所述预设时钟信号。
39.根据本发明提供的一种自校准方法，所述将所述控制位输入所述电流镜，使得所述rc模拟电路模块输出所述预设时钟信号，包括：
40.通过所述rc模拟电路模块中的基准电流产生模块产生零温度系数的基准电流；
41.通过所述rc模拟电路模块中的rc充电比较模块根据所述控制位控制所述电流镜中电流的大小；
42.通过所述rc模拟电路模块中的d触发器分频模块对所述rc充电比较模块的输出进行分频处理，输出所述预设时钟信号。
43.本发明提供的自校准rc振荡器及其自校准方法，通过rc数字自校准电路模块对rc模拟电路模块中电流镜的电流大小进行控制，使得rc模拟电路模块产生的振荡时钟信号的频率与预设时钟信号的频率相等，实现对rc模拟电路模块进行校准，在校准后rc模拟电路模块产生更加精确的时钟信号供数字电路进行工作。
附图说明
44.为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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。
45.图1是本发明提供的自校准rc振荡器的总体电路结构示意图；
46.图2是本发明提供的自校准rc振荡器的自校准逻辑示意图；
47.图3是本发明提供的自校准rc振荡器中rc模拟电路模块的电路结构示意图；
48.图4是本发明提供的自校准rc振荡器中rc模拟电路模块的关键信号的仿真波形示意图；
49.图5是本发明提供的自校准方法的流程示意图。
具体实施方式
50.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳
动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
51.下面结合图1描述本发明的一种自校准rc振荡器，包括rc模拟电路模块、rc数字自校准电路模块和寄存器；
52.所述rc数字自校准电路模块与所述寄存器信号连接，与所述rc模拟电路模块信号连接，所述rc模拟电路模块与所述寄存器信号连接；
53.图1中，rc振荡器的外围电路结构中的电源电压vdda为模拟电路，为数字电路提供供电电压，如1.8v的供电电压。gnda是rc振荡器的电源地线。
54.vref_900mv和vref_640mv分别为来自bandgap(带隙)电路的900mv和640mv的偏置基准电压。
55.clk13.56m_ref是标准的13.56m时钟输入，在rc校准模式下使用。rc_calib是校准使能位，高电平有效。
56.rc_clk_out是由rc振荡器产生的振荡时钟。内部的eni《14:0》是控制rc模拟电路模块的15个电流镜的控制位，本实施例对控制位的位数不作限定。原则上当eni配置的控制位越多时，rc振荡时钟的频率越精确。
57.所述rc数字自校准电路模块用于接收所述rc模拟电路模块输出的振荡时钟信号，将所述振荡时钟信号的频率与预设时钟信号的频率进行比较，根据比较结果确定控制所述rc模拟电路模块中电流镜的控制位，使得所述振荡时钟信号的频率和所述预设时钟信号的频率相等，并将所述控制位存入所述寄存器；
58.rc振荡器分为校准阶段和工作阶段，rc振荡器需要校准后才能使用。在校准模式下，会由外部输入一个标准的时钟，如预设时钟信号为clk13.56m_ref。该时钟可由外部的晶振产生，之后拉高校准使能位rc_calb。
59.rc数字自校准电路模块接收由rc振荡器产生的振荡时钟信号rc_clk_out，并将其频率与标准的clk13.56m_ref频率进行比较。根据比较结果对eni《14:0》进行多次调节，使得rc_clk_out的频率逐渐逼近clk13.56m_ref的频率。将最后一次调节的控制位以eni《14:0》的方式存入数字寄存器。
60.所述rc模拟电路模块用于当所述rc模拟电路模块工作时，从所述寄存器中获取所述控制位，使用所述控制位有选择地控制所述电流镜的开启组数，使得所述rc模拟电路模块输出所述预设时钟信号。
61.在工作模式下，校准使能位rc_calb置0，rc数字自校准电路模块将不再进行校准。寄存器将存储的eni《14:0》控制位传输给rc模拟电路模块，rc模拟电路模块使用控制位有选择地控制电流镜开启的组数来调节振荡电流的大小，达到调节振荡频率的作用，使得rc模拟电路模块的输出rc_clk_out为一个标准时钟，如13.56m的时钟。
62.本实施例中rc数字自校准电路模块通过对rc模拟电路模块中电流镜的电流大小进行控制，使得rc模拟电路模块产生的振荡时钟信号的频率与预设时钟信号的频率相等，实现对rc模拟电路模块进行校准，在校准后rc模拟电路模块产生更加精确的时钟信号供数字电路进行工作。
63.在上述实施例的基础上，如图2所示，本实施例中所述rc数字自校准电路模块用于：在自校准rc振荡器的校准使能位拉高的情况下，通过分频器按照预设分频数对所述rc模拟电路模块输出的第一振荡时钟信号进行分频，得到分频时钟；
64.当校准使能信号rc_calb被拉高时，rc模拟电路模块的输出rc_clk_out经过分频器进行分频。例如，对rc_clk_out经过136分频，得到clk136的分频时钟。
65.使用所述预设时钟信号对所述分频时钟在一个周期内进行计数；
66.使用外部标准的预设时钟信号clk13.56m_ref对clk136在一个周期内进行计数，产生计数值cnt。
67.若计数值大于所述预设分频数，则将所述控制位中的至少一个高位0修改为1，使得所述计数值等于所述预设分频数；
68.如果cnt》136，则说明rc_clk_out的周期过长，频率过低。为了增加振荡频率，需要增加rc振荡器电容的充电电流，则将eni《14:0》中至少一个的高位0变为1。
69.例如，正常情况下，eni《14:0》通过数字电路控制为《0000000_11111111》。在该配置下，如果没有工艺偏差，rc的振荡频率在27.12m左右。如果由于工艺偏差导致输出振荡时钟的频率偏小，则将eni《14:0》的配置通过数字电路控制更改为《0000001_11111111》，即通过增大电容c0上极板的充电电流增加rc的振荡时钟频率。
70.若所述计数值小于所述预设分频数，则将所述控制位中的至少一个低位1修改为0，使得所述计数值等于所述预设分频数。
71.如果计数值cnt《136，则获知rc_clk_out的周期过小，即频率过高。为了降低振荡频率，需要减少rc振荡器电容的充电电流，则将eni《14:0》至少一个低位1变为0。重复该校准过程，直到cnt等于136为止。
72.如果rc的振荡频率偏高，将eni《14:0》的配置通过数字电路控制更改为《000000_01111111》，减小电容c0上极板的充电电流，从而将振荡时钟的频率降低。
73.在上述实施例的基础上，如图3所示，本实施例中所述rc模拟电路模块包括基准电流产生模块、rc充电比较模块和d触发器分频模块；
74.图3中的ⅰ模块为基准电流产生模块，ⅱ模块为rc充电比较模块，ⅲ为d触发器分频模块。
75.所述基准电流产生模块与所述rc充电比较模块电连接，所述rc充电比较模块与所述d触发器分频模块电连接；
76.所述基准电流产生模块用于产生零温度系数的基准电流供所述rc充电比较模块使用；
77.基准电流产生模块主要用于产生一个零温度系数的基准电流i0给rc充电比较模块使用，该基准电流将直接影响rc时钟的输出频率。
78.所述rc充电比较模块用于根据所述控制位控制所述电流镜中电流的大小；
79.事实上，电阻r0不但会随着温度变化，还会随着工艺角变化。电阻r0随工艺角的变化范围甚至会出现10％左右的偏差，从而影响rc振荡器时钟输出频率的精度。通过eni《14:0》控制位控制电流镜的电流，从而控制为电容c0充电的电流大小。
80.所述d触发器分频模块用于对所述rc充电比较模块的输出进行分频处理。
81.由于rc充电比较模块的输出clk2的占空比并不能满足数字电路的要求，如其频率在27.12m左右，必须进行分频处理才能够达到数字电路的要求。
82.pm19、nm19、pm20和pm20构成的两个反相器为一个buffer驱动一个上升沿触发的d触发器。该d触发器由标准单元提供，将d触发器的输入端d端与触发器输出端q的反向器相
连，实际上等效成与d触发器的qn端相连，从而构成一个经典简单的二分频电路，获得一个占空比为50％的13.56m的时钟。pm21、nm21、pm22和nm22作为buffer驱动下一级负载。
83.本实施例通过基准电流产生模块补偿电阻的负温度系数，产生零温度系数的基准电流供rc充电比较模块使用，通过电流镜结构电路的方式补偿工艺角带来的误差，获得不随温度和工艺角变化的基准电流，提高rc模拟电路模块产生的振荡时钟信号的精确度。
84.在上述实施例的基础上，如图3所示，本实施例中所述基准电流产生模块包括运算放大器op0、第一mos管pm0、第二mos管nm0和负温度系数的电阻r0；
85.所述运算放大器op0与所述电阻r0电连接，与所述第一mos管pm0电连接，所述电阻与所述第二mos管nm0电连接；
86.其中，所述运算放大器op0工作在闭环，用于将第一基准电压加到所述电阻上，得到基准电流；
87.第一基准电压vref_900mv是由bandgap产生的900mv的电压基准。op0是个工作在闭环的运算放大器，用于将第一基准电压通过运算放大器的形式加到电阻r0上得到一个基准电流i0。
88.所述第一mos管以二极管连接方式接入，用于通过所述电流镜将所述基准电流拷贝给所述rc充电比较模块；
89.第一mos管pm0是一个以二极管接法的mos管，通过电流镜结构将该基准电流拷贝给rc充电比较模块工作。
90.所述第二mos管工作在线性区，所述第二mos管的线性区电阻为正温度系数的电阻；
91.由于r0电阻是一个负温度系数的电阻，如poly电阻，其电阻会随着温度的变化而减小。第二mos管nm0的作用是补偿r0电阻的负温度系数。
92.nm0是一个工作在线性区的mos管，其线性区电阻是一个正温度系数的电阻。
93.所述rc数字自校准电路模块用于调节所述第二mos管的宽长比以补偿所述电阻的负温度系数，产生零温度系数的所述基准电流。
94.通过对第二mos管的宽长比进行多次调解，就能够补偿r0电阻的负温度系数，得到一个零温的电流基准i0。
95.本实施例利用工作在线性区的mos管补偿了电阻的负温度系数得到一个零温的基准电流，提高rc模拟电路模块产生的振荡时钟信号的精确度。
96.在上述实施例的基础上，如图3所示，本实施例中所述rc充电比较模块包括电流镜、第一开关管nm2、电容c0、比较器camp0和反相器；
97.其中，所述第一开关管与所述电容并联后，与所述电流镜电连接，所述电流镜与所述比较器电连接，所述比较器与所述反相器电连接；
98.所述第一开关管nm2用于为所述电容c0放电，所述比较器camp0工作在开环，正输入端输入第二基准电压vref_640mv；
99.当rc振荡器开始振荡时，所述电容c0的上极板开始充电；充电至所述第二基准电压，如640mv附近时，所述比较器的输出电压开始翻转，经过所述反相器整形后作用于所述第一开关管nm2的栅极，导致所述第一开关管nm2导通，使得所述电容c0的上级板开始经所述第一开关管nm2对地放电，如此反复地完成充电放电过程。rc充电时间与c0上级板充电电
流有关，通过对电流镜进行控制来控制该电流的大小。比较器的输入vref_640mv和vin、比较器的输出out，以及反相器的输出clk2的仿真波形如图4所示。
100.本实施例通过电流镜结构电路的方式补偿工艺角带来的误差，提高rc模拟电路模块产生的振荡时钟信号的精确度。
101.在上述实施例的基础上，如图3所示，所述电流镜包括多条支路，多条支路之间并联；其中，一条支路包括第三mos管pm1，其他支路包括第四mos管pm2至pm16中的一个，以及第二开关管nm3至nm17中的一个，每条其他支路中的第四mos管和第二开关管串联；
102.所述第二开关管在所述控制位的控制下开启或关闭。
103.nm3至nm17为第二开关管，通过控制位控制第二开关管的开启或闭合，从而有选择地控制为c0充电的电流大小。rc充电时间与c0上级板充电电流有关，通过pm1的电流保持常开的状态，而通过pm2至pm16的电流通过nm3至nm17这15个mos开关管控制。
104.在上述实施例的基础上，本实施例中所述rc数字自校准电路模块用于调整所述第三mos管和所述第四mos管的宽长比，使得流过所述第三mos管的电流是所述基准电流的第一预设倍数，流过所述第四mos管的电流是所述基准电流的第二预设倍数。
105.pm0与pm1至pm16组成了电流镜结构。例如，调整第三mos管pm1的电流为i0的10倍，调整第四mos管pm2至pm16的电流为i0的2倍。
106.在上述实施例的基础上，本实施例中所述反相器包括第五mos管和第三开关管，所述第五mos管和第三开关管并联。
107.第五mos管pm18和第三开关管nm18两个mos构成反相器。
108.下面对本发明提供的基于上述自校准rc振荡器的自校准方法进行描述，下文描述的自校准方法与上文描述的自校准rc振荡器可相互对应参照。
109.如图5所示，本发明提供自校准rc振荡器的自校准方法，包括：步骤501，通过rc数字自校准电路模块将rc模拟电路模块输出的振荡时钟信号的频率与预设时钟信号的频率进行比较；
110.在校准阶段，通过外部的预设时钟信号，如标准13.56m时钟的频率与rc模拟电路模块实际产生的振荡时钟信号的频率进行比较。
111.步骤502，根据比较结果确定控制所述rc模拟电路模块中电流镜的控制位，使得所述振荡时钟信号的频率和所述预设时钟信号的频率相等，并将所述控制位存入寄存器；
112.根据比较结果确定对rc模拟电路模块中的电流镜进行控制的控制位，从而改变振荡时钟信号的频率，使rc振荡器产生预设时钟信号，能够自动校准rc振荡器。校准完成后，将电流镜的控制位存入寄存器。
113.步骤503，通过所述rc模拟电路模块在所述rc模拟电路模块工作时，从所述寄存器中获取所述控制位，使用所述控制位有选择地控制所述电流镜的开启组数，使得所述rc模拟电路模块输出所述预设时钟信号。
114.在工作阶段，rc振荡器自动将控制位直接输入电流镜结构中，有选择地控制电流镜开启的组数来调节振荡电流的大小，达到调节振荡频率的作用，使rc振荡器产生精准的预设时钟信号。
115.本实施例通过rc数字自校准电路模块对rc模拟电路模块中电流镜的电流大小进行控制，使得rc模拟电路模块产生的振荡时钟信号的频率与预设时钟信号的频率相等，实
现对rc模拟电路模块进行校准，在校准后rc模拟电路模块产生更加精确的时钟信号供数字电路进行工作。
116.在上述实施例的基础上，本实施例中所述将所述控制位输入所述电流镜，使得所述rc模拟电路模块输出所述预设时钟信号，包括：通过所述rc模拟电路模块中的基准电流产生模块产生零温度系数的基准电流；
117.可选地，本实施例利用bandgap产生的900mv基准电压通过运放负反馈的方式接入电阻，产生不随电压变化的基准电流供rc电路充电使用，基准电流的大小将会直接影响rc电路的充电时间进而影响整个rc振荡器时钟的输出频率。利用一个工作在线性区的mos管补偿了电阻的负温度系数得到一个零温的基准电流。
118.通过所述rc模拟电路模块中的rc充电比较模块根据所述控制位控制所述电流镜中电流的大小；
119.利用电流镜结构电路的方式补偿工艺角带来的误差。
120.通过所述rc模拟电路模块中的d触发器分频模块对所述rc充电比较模块的输出进行分频处理，输出所述预设时钟信号。
121.本实施例通过基准电流产生模块补偿电阻的负温度系数，产生零温度系数的基准电流供rc充电比较模块使用，通过电流镜结构电路的方式补偿工艺角带来的误差，获得不随温度和工艺角变化的基准电流，提高rc模拟电路模块产生的振荡时钟信号的精确度。
122.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。