[發明專利]一種免片外晶振的高精度低溫漂馳張振蕩器及校準方法

在審

• 申請號: 202111148225.8
• 申請日: 2021-09-29
• 公開（公告）號: CN113867467A
• 公開（公告）日: 2021-12-31
• 發明（設計）人: 張子三;丁曉兵;豐思遠;馮旭;王劍
• 申請（專利權）人: 上海芯旺微電子技術有限公司
• 主分類號: G05F1/567
• 分類號: G05F1/567
• 代理公司: 上海唯智贏專利代理事務所(普通合伙) 31293
• 代理人: 王圣;劉朵朵

本發明涉及一種免片外晶振的高精度低溫漂馳張振蕩器及校準方法，屬于振蕩器技術領域。其特征在于：包括開關電流源、可調參考電壓、比較器、鎖存器、PVT檢測電路、溫漂校準電路；其中開關電流源由帶隙基準電壓與零溫漂電阻產生的電流再經過至少一個的電流鏡進行工藝角調整后產生，將開關電流源生成的電壓和可調參考電壓依次經過PVT檢測電路和溫漂校準電路后一同接比較器進行比較，再輸出到鎖存器以產生高精度低溫漂時鐘頻率。本發明通過對振蕩器粗調和精調脫耦的方法，避免了因為小電流鏡引起的適配和片間不一致性，并通過片內溫度傳感器在線進一步校正馳張振蕩器的輸出頻率，提供了可替代片外石英晶振的高精度低溫漂時鐘。

技術領域

本發明涉及一種馳張振蕩器，特別涉及一種免片外晶振的高精度低溫漂馳張振蕩器及漂馳張振蕩器的校準方法。

背景技術

振蕩器是給通訊芯片、CPU/MCU芯片和存儲芯片提供同步參考時鐘的主要部件。傳統上，振蕩器可分為片外高精度石英晶振和片內集成的低成本振蕩器。石英晶振雖然具有穩定的絕對振蕩頻率和極低的溫漂，但是無法用于超大規模集成電路（VLSI）的CMOS工藝集成，只能作為片外的分離器件使用，不但增加了系統成本，而且在像汽車和工業控制等復雜的環境下，增加了額外的電磁干擾途徑。

馳張振蕩器是在像MCU等超大規模集成的片上系統（SoC）中大量使用的參考時鐘，它的工作頻率從幾兆到幾十兆赫茲。馳張振蕩器的振蕩頻率隨著工藝角（P-process）、電源電壓（V-Voltage）和溫度（T-Temperature）的變化很大（比如在55nm CMOS工藝下有20%--30%）。傳統的馳張振蕩器采用帶有正溫度系數的電流（PTAT）和帶有負溫度系數（CTAT）的電流疊加產生“零”溫度系數的電流，再通過MOS開關控制電流對電容充放電的時間常數，從而產生需要的時鐘振蕩頻率。然而在具體實現中，由于PTAT和CTAT不能完美互補，用于PTAT和CTAT相加的微調電流鏡存在較大的失配，使得疊加的電流仍然具有一定的溫度系數，用于微調頻率的小電流鏡也存在較大的失配，多參量交織在一起，導致馳張振蕩器的頻率溫漂較大，而且片間一致性較差，限制了馳張振蕩器的應用場景。

發明內容

本發明的目的在于提供一種免片外晶振的高精度低溫漂馳張振蕩器及校準方法，系統性地校正了PVT變化對馳張振蕩器輸出頻率的影響，為MCU提供了可替代片外石英晶振的片上高精度低溫漂時鐘。

技術方案：

一種免片外晶振的高精度低溫漂馳張振蕩器，包括開關電流源、可調參考電壓、比較器、鎖存器、PVT檢測電路、溫漂校準電路；其中開關電流源由帶隙基準電壓與零溫漂電阻產生的電流再經過至少一個的電流鏡進行工藝角調整后產生，將開關電流源生成的電壓和可調參考電壓依次經過PVT檢測電路和溫漂校準電路后一同接比較器進行比較，再輸出到鎖存器以產生高精度低溫漂時鐘頻率。

進一步地，零溫漂電阻由至少一組正溫度系數電阻和至少一組負溫度系數電阻組合而成。

進一步地，PVT檢測電路包括工藝角檢測電路、電壓檢測電路和溫度檢測電路。

進一步地，溫漂校準電路包括初始化寄存器和校準寄存器，初始化寄存器中儲存有馳張振蕩器出廠前標定的初始化開關電流源控制字和初始化參考電壓控制字，校準寄存器中儲存有根據不同溫度調整的校準參考電壓控制字。

一種免片外晶振的高精度低溫漂馳張振蕩器校準方法，采用上述的免片外晶振的高精度低溫漂馳張振蕩器，在出廠前進行粗調和精調校準，將標定的初始化開關電流源控制字、初始化可調參考電壓控制字和各溫度下的控制字寫入溫漂校準電路，在運行前先導入初始化開關電流源控制字和初始化可調參考電壓控制字，并在運行中根據PVT檢測電路檢測的溫度情況導入校準可調參考電壓，以實現對馳張振蕩器輸出的頻率進行運行中的實時高精度校準。

出廠前校準的步驟為：

步驟S101：檢測出廠馳張振蕩器的各器件工藝角、電源電壓和晶體管結溫度；