高度準(zhǔn)確的參考振蕩器的單插入修整的制作方法
【專利說(shuō)明】高度準(zhǔn)確的參考振蕩器的單插入修整
【背景技術(shù)】
[0001] 所描述的技術(shù)涉及振蕩器的修整及校準(zhǔn)，且更特定來(lái)說(shuō)涉及可在電子平臺(tái)中用作 時(shí)鐘參考的高度準(zhǔn)確的振蕩器。
[0002] 與例如但不限于供應(yīng)電壓、溫度、應(yīng)力、濕度及老化等不同電及環(huán)境條件的變化相 比，時(shí)鐘參考振蕩器必須提供高度穩(wěn)定的輸出頻率。此振蕩器的修整對(duì)達(dá)成高性能是必要 的。
[0003] 電子系統(tǒng)由于對(duì)支持多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)、增加的功能性、較高數(shù)據(jù)速率以及較小大小及較 低成本的存儲(chǔ)器的要求而不斷增加復(fù)雜性，所述不斷增加的復(fù)雜性促使設(shè)計(jì)者以深亞微米 互補(bǔ)MOS(CMOS)技術(shù)經(jīng)由芯片上系統(tǒng)（SoC)的開發(fā)而增加集成度以受益于增加的門密度。 每一應(yīng)用需要參考時(shí)鐘，其中振蕩器頻率必須不能由于供應(yīng)電壓及溫度改變超過特定量而 變化。
[0004] 石英晶體振蕩器（XO)是用于產(chǎn)生參考時(shí)鐘的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。石英晶體的成熟及穩(wěn)定 技術(shù)準(zhǔn)許對(duì)制造過程的優(yōu)良控制以選擇確切剖切角來(lái)產(chǎn)生優(yōu)越性能。源自石英晶體的極高 品質(zhì)因數(shù)（Q)的晶體振蕩器可達(dá)成高頻率準(zhǔn)確性、隨溫度的低頻率漂移及低相位噪聲。因 此，晶體振蕩器主導(dǎo)商業(yè)市場(chǎng)達(dá)幾十年。然而，晶體既未設(shè)法縮放，也不集成，因此限制了參 考時(shí)鐘的大小及成本減小。
[0005]在使用高Q微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS)諧振器及薄膜腔聲諧振器（FBAR)中所做的最 近努力已圖解說(shuō)明將高Q元件及專用集成電路（ASIC)集成于相同封裝中的可能性。MEMS 諧振器的成本低于石英諧振器，這是因?yàn)閱蝹€(gè)MEMS晶片上的極高數(shù)目個(gè)諧振器。晶體振蕩 器的昂貴陶瓷封裝也減小為低成本塑料封裝。然而，基于MEMS的解決方案的組合件成本需 要晶片級(jí)封裝的MEMS裸片與CMOS裸片相堆疊。另外，需要精心生產(chǎn)測(cè)試以在規(guī)定溫度范 圍內(nèi)將每一部分修整為所需性能。此過程可需要一個(gè)以上溫度插入以估計(jì)溫度補(bǔ)償參數(shù)且 將振蕩器頻率調(diào)整為所需值。此使得MEMS及FBAR振蕩器的測(cè)試成本過高而不能與用于消 費(fèi)型應(yīng)用的XO競(jìng)爭(zhēng)。
[0006]另一方法是使用RC振蕩器來(lái)產(chǎn)生參考時(shí)鐘。由于RC振蕩器的低品質(zhì)因數(shù)，因此 頻率準(zhǔn)確性受限制，但可達(dá)成優(yōu)良電力消耗及完全集成，從而使得此解決方案適合于類似 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN)的應(yīng)用。然而，類似MEMS及FBAR振蕩器的RC振蕩器的測(cè)試成本是 極高的，這是因?yàn)橥ǔＰ枰粋€(gè)以上溫度插入點(diǎn)的廣泛的修整。
[0007] 替代技術(shù)使用基于芯片上LC儲(chǔ)能電路（LC-tank)的全硅CMOS參考時(shí)鐘。此類解 決方案由于其與XO相比的可編程性而通過定義被高度集成且具有短提前期。此外，其可提 供與XO相比的頻率準(zhǔn)確性及相位噪聲性能。然而，LC儲(chǔ)能電路的大溫度相依性已成為在 設(shè)計(jì)基于LC儲(chǔ)能電路的參考中的主要挑戰(zhàn)，此需要復(fù)雜的補(bǔ)償技術(shù)來(lái)抵消頻率變化。為了 成功地達(dá)成所需的補(bǔ)償準(zhǔn)確性，必要的是：不僅具有準(zhǔn)確溫度測(cè)量，而且具有跨越溫度的振 蕩器頻率及其頻率調(diào)諧控制件的精確知識(shí)。
[0008]-個(gè)修整例程通過在第一溫度下使用電容器組來(lái)選擇中心頻率（fj而開始。然 后，在第二溫度下算法將一或多個(gè)電阻耦合到諧振器作為溫度補(bǔ)償?shù)姆椒?。在此之后，在?一溫度下，算法確定所需校準(zhǔn)是否已在預(yù)定的溫度范圍內(nèi)發(fā)生。在未達(dá)成所需性能的情況 下，必須迭代地重新進(jìn)行先前步驟，直到振蕩器的總溫度相依性在預(yù)定的溫度范圍內(nèi)最小 化同時(shí)獲得所需輸出頻率為止。因此，需要一個(gè)以上溫度插入點(diǎn)來(lái)達(dá)成可接受的性能，因此 增加了產(chǎn)品測(cè)試的復(fù)雜性且因此增加了產(chǎn)品的總體成本。
[0009] 美國(guó)專利8, 072, 281中描述了全硅CMOS參考時(shí)鐘。所述參考時(shí)鐘使用經(jīng)設(shè)計(jì)以 在極特定的低溫度敏感性相位操作點(diǎn)處操作的芯片上LC儲(chǔ)能電路。因此，架構(gòu)適用于跨越 溫度自補(bǔ)償?shù)淖匝a(bǔ)償振蕩器（SCO)。
【附圖說(shuō)明】
[0010] 結(jié)合附圖，根據(jù)以下詳細(xì)說(shuō)明，可理解本發(fā)明。在圖式中：
[0011] 圖1⑷是圖解說(shuō)明溫度空值（temperaturenull)及對(duì)應(yīng)相位的概念的曲線圖。
[0012] 圖I(B)是針對(duì)不同溫度范圍在溫度空值下操作時(shí)溫度內(nèi)的頻率變化的曲線圖。
[0013] 圖2是溫度補(bǔ)償LC振蕩器的圖式。
[0014] 圖3是圖解說(shuō)明出于確定振蕩頻率的溫度敏感性的目的的溫度調(diào)制的圖式。
[0015] 圖4是用于確定溫度敏感性的校準(zhǔn)系統(tǒng)的圖式。
[0016] 圖5是用于確定溫度敏感性的另一校準(zhǔn)系統(tǒng)的圖式。
[0017] 圖6(A)是以電路形式圖解說(shuō)明可如何確定相移校準(zhǔn)值的圖式。
[0018] 圖6(B)是圖解說(shuō)明圖6(A)的電路的運(yùn)算的圖式。
[0019] 圖7(A)是以電路形式圖解說(shuō)明確定相移校準(zhǔn)值的不同方式的圖式。
[0020] 圖7(B)是圖解說(shuō)明圖7(A)的電路的運(yùn)算的圖式。
[0021] 圖8是以電路形式圖解說(shuō)明可如何確定頻率設(shè)定校準(zhǔn)值的圖式。
[0022] 圖9是校準(zhǔn)過程的流程圖。
[0023] 圖10是以電路形式圖解說(shuō)明確定頻率設(shè)定校準(zhǔn)的不同方式的圖式。
[0024] 圖11是用于確定相移及頻率設(shè)定校準(zhǔn)值兩者的校準(zhǔn)系統(tǒng)的圖式。
[0025] 圖12是用于確定相移及頻率設(shè)定校準(zhǔn)值兩者的另一校準(zhǔn)系統(tǒng)的圖式。
[0026] 圖13⑷是加熱器元件的圖式。
[0027] 圖13(B)是另一加熱器元件的圖式。
[0028] 圖14是振蕩補(bǔ)償與感測(cè)電路的圖式。
[0029] 圖15是溫度調(diào)制電路的圖式。
[0030] 圖16是另一溫度調(diào)制電路的圖式。
[0031] 圖17是又一溫度調(diào)制電路的圖式。
[0032] 圖18是頻/數(shù)轉(zhuǎn)換器的圖式。
[0033] 圖19是另一頻/數(shù)轉(zhuǎn)換器的圖式。
[0034] 圖20是一般性溫度補(bǔ)償系統(tǒng)的圖式。
[0035]圖21是用于溫度補(bǔ)償系統(tǒng)的一般性校準(zhǔn)系統(tǒng)的圖式。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0036]自補(bǔ)償振蕩器架構(gòu)利用相移電路來(lái)達(dá)成跨越溫度的最小頻率偏差。其經(jīng)由數(shù)字相 位設(shè)定（PS)字提供準(zhǔn)確、溫度獨(dú)立及可編程的電相移。SCO需要修整以在預(yù)定溫度范圍內(nèi) 獲得最優(yōu)操作相位設(shè)定（PScipt)且通過設(shè)定振蕩器的頻率設(shè)定（FS)將振蕩器輸出頻率調(diào)整 為目標(biāo)頻率。
[0037] 在一個(gè)實(shí)施例中，針對(duì)SCO提供SPT算法，從而減小測(cè)試成本，同時(shí)達(dá)成高頻率穩(wěn) 定性。本發(fā)明設(shè)備能夠找到最優(yōu)相位操作點(diǎn)且同時(shí)能夠?qū)⒄袷幤黝l率調(diào)整為所需值。因 此，其針對(duì)SCO提供穩(wěn)健、快速及低成本的修整解決方案，從而降低產(chǎn)品測(cè)試的復(fù)雜性且因 此降低產(chǎn)品的總體成本。
【具體實(shí)施方式】
[0038] LC振蕩器由LC儲(chǔ)能電路及負(fù)責(zé)克服儲(chǔ)能電路損耗的放大器構(gòu)成。為使振蕩器具 有持續(xù)的振蕩，巴克好森準(zhǔn)則（Barkhausencriterion)需要大于整體的開環(huán)增益及等于零 的相位。假設(shè)所使用的放大器貢獻(xiàn)零相位，那么在振蕩條件下LC儲(chǔ)能電路阻抗ZTank將具有 零相位。圖I(B)展示在不同溫度下ZTank相位對(duì)頻率；在溫度（(TC到70°C)下與儲(chǔ)能電路 相位曲線的零相位交叉產(chǎn)生大的頻率變化Af1。如圖I(A)中所見，跨越溫度的儲(chǔ)能電路相 位曲線在其中跨越溫度的頻率變化最小化（頻率變化AfNua)的負(fù)相位處交叉。
[0039] 其中頻率的最小溫度敏感性發(fā)生的條件稱為L(zhǎng)C儲(chǔ)能電路溫度空值（TNua)且跨越 儲(chǔ)能電路的相位稱作1如圖2中所展示，振蕩器可由跨導(dǎo)體級(jí)201及相移級(jí)203形 成。相位量值是經(jīng)由具有極精細(xì)步長(zhǎng)的數(shù)字相位設(shè)定（PS)字來(lái)控制的，而振蕩器頻率是通 過使用具有極精細(xì)步長(zhǎng)的頻率設(shè)定（FS)字來(lái)改變儲(chǔ)能電路阻抗（ZTank) 205的有效電容值來(lái) 調(diào)諧。在平穩(wěn)狀態(tài)下，跨導(dǎo)體及相移器提供為所需TNULL相位的負(fù)的相位。因此，LC儲(chǔ)能 電路被迫使在所需非零下振蕩。相移電路的最重要設(shè)計(jì)方面中的一者是提供準(zhǔn)確 及溫度獨(dú)立的相位，否則頻率偏差將增加。
[0040] SCO依賴于在q?WLL下操作以跨越特定溫度范圍達(dá)成高頻率穩(wěn)定性。然而， CpNULL的值將隨著過程、振蕩頻率及所需操作溫度范圍而變化。因此，需要修整來(lái)補(bǔ)償這 些變化。修整是在具有高度準(zhǔn)確及完全集成的基于LC的參考振蕩器中的主要挑戰(zhàn)中的一 者，這是因?yàn)樾拚上拗普袷幤鞯目傮w成本及準(zhǔn)確性。修整SCO的主要目標(biāo)是將振蕩器的 相位設(shè)定為VNULL且同時(shí)將振蕩器的頻率調(diào)整為所需輸出頻率。
[0041] 存在開發(fā)用于SCO的準(zhǔn)確、穩(wěn)健及有成本效益的修整解決方案的許多挑戰(zhàn)。第一 個(gè)挑戰(zhàn)是不存在用于測(cè)量跨越溫度的儲(chǔ)能電路相位以直接確定PWLM直的直接方法。因 此，找到9NULL的蠻力解決方案是測(cè)量振蕩器的頻率，同時(shí)在所需操作范圍的兩個(gè)極端溫 度點(diǎn)處使PS變化。將兩個(gè)極端溫度點(diǎn)之間的絕對(duì)頻率差最小化的儲(chǔ)能電路PS視為全局 cpNULL。然而，此兩個(gè)溫度點(diǎn)修整解決方案由于兩個(gè)所需溫度插入的高成本而不具有成本 效益。另外，大數(shù)目個(gè)準(zhǔn)確頻率測(cè)量通常需要極長(zhǎng)的測(cè)試時(shí)間。第二個(gè)挑戰(zhàn)是CjJNUtt隨著 振蕩器的頻率改變而稍微改變。此外，振蕩器的頻率取決于儲(chǔ)能電路PS字。因此，振蕩器 的頻率與振蕩器的溫度相依性之間的此耦合關(guān)系迫使多次修整迭代以找到fNULL且同時(shí) 將振蕩器的頻率調(diào)整為所需值。
[0042] 以下穩(wěn)健的芯片上SPT算法克服這兩個(gè)挑戰(zhàn)且使得能夠達(dá)成高度準(zhǔn)確且有成本 效益的SCO參考振蕩器。需要修整來(lái)設(shè)定PScipt，使得振蕩器在具有跨越溫度的最小頻率偏 差的(PULL處操作，且同時(shí)通過設(shè)定振蕩器的FS將振蕩器頻率調(diào)整為所需頻率。在修整 之后，將PS及FS的經(jīng)修整值以數(shù)字方式存儲(chǔ)于非易失性存儲(chǔ)器中以供未來(lái)檢索，例如一次 性可編程（OTP)的芯片上只讀存儲(chǔ)器（ROM)。