使用充电时间测量单元进行的对嵌入式微控制器振荡器的精确板上调谐

摘要

使用充电时间测量单元CTMU进行的对嵌入式时钟振荡器的周期的精确测量在时间、温度及操作条件改变范围内维持所述嵌入式时钟振荡器的所要频率准确度。所述CTMU确定所述嵌入式时钟振荡器的自由运行频率且提供用于确认所要频率(例如，在所述所要频率的0.25％内)正在运行的极准确频率(周期)信息或将所述时钟振荡器的频率调整多少及向哪一方向调整以维持所要频率精确度的指示。可实施所述嵌入式时钟振荡器的自动频率调整以便维持其所要精确频率。可将用于维持所述CTMU的所述准确度的温度及电压补偿简档存储在表中，例如非易失性存储器中，以用于进一步改进所述嵌入式时钟振荡器的绝对频率准确度。

说明书

技术领域

本发明涉及需要精确时钟振荡器的集成电路装置，且更特定来说，涉及具有精确时 钟振荡器的集成电路装置，所述精确时钟振荡器与所述集成电路装置集成在一起。

背景技术

随着集成电路装置并入有更精密及复杂的外围装置，需要对内部时钟振荡器的精确 运行时间控制。举例来说，USB2.0集成式外围装置必须满足0.25％的时钟频率准确度。 典型应用将必须使用外部晶体在所述准确度内控制时钟频率。然而，外部晶体频率确定 装置需要两个集成电路引脚用于连接到所述集成电路装置中的内部振荡器电路。此造成 低引脚计数集成电路装置的问题，因为极少数封装引脚中的两者必须专用于外部晶体。

使用内部频率确定元件的集成电路装置将消除对连接到晶体的外部引脚要求。具有 内部频率确定元件的此振荡器(例如，自含式振荡器)可为(例如，但不限于)电阻器-电容 器(RC)振荡器。但存在问题，因为内部自含式RC振荡器可在频率上漂移，即使在制造 集成电路装置时对振荡器进行了精确校准。此漂移可归因于封装应力、制作焊接应力、 温度及/或电压改变等。

发明内容

因此，需要一种精确运行时间自调谐机构，其将在时间、温度及操作条件改变范围 内维持内部自含式时钟振荡器的所要频率准确度。

根据一实施例，一种包括具有通过使用充电时间测量单元(CTMU)自动维持的精确 频率的频率可调谐内部时钟振荡器的集成电路装置可包括：充电时间测量单元(CTMU)， 其具有已知值电容器及已知值恒定电流源；频率可调谐时钟振荡器，其以一频率将时钟 信号供应到所述CTMU；模/数转换器(ADC)，其耦合到所述CTMU；及数字处理器，其 具有存储器，所述数字处理器耦合到所述CTMU、所述频率可调谐时钟振荡器及所述 ADC，其中在检测到所述时钟信号的指示其周期的开始的第一逻辑转变之后，所述数字 处理器即刻致使所述CTMU开始用所述已知值恒定电流源对所述已知值电容器充电，在 检测到所述时钟信号的指示其所述周期的结束的第二逻辑转变之后，所述CTMU即刻停 止所述电容器对充电，所述ADC对所述电容器上的电压进行取样并将所述电压转换为 数字电压值，所述数字处理器从所述ADC读取所述数字电压值并将此数字电压值转换 成周期时间值，所述数字处理器将所述周期时间值与参考周期时间值进行比较，其中： 如果所述周期时间值大于所述参考周期时间值，那么所述数字处理器致使所述频率可调 谐时钟振荡器增加其所述频率，如果所述周期时间值小于所述参考周期时间值，那么所 述数字处理器致使所述频率可调谐时钟振荡器减小其所述频率，且如果所述周期时间值 与所述参考周期时间值实质上相同，那么不改变所述频率可调谐时钟振荡器的所述频 率。

根据又一实施例，所述周期时间值表示多个时钟信号周期的时间值。根据又一实施 例，所述CTMU可包括：恒定电流源；电流引导开关，其耦合到所述恒定电流源；所述 电容器耦合到所述电流引导开关，其中在所述电流引导开关将所述恒定电流源耦合到所 述电容器时所述电容器上的所述电压在时间上实质上线性增加；及用于控制所述电流引 导开关的电路，其中所述电流引导开关在检测到所述时钟信号的所述第一逻辑转变之后 即刻将所述电容器耦合到所述恒定电流源，且在检测到所述时钟信号的第二逻辑转变之 后即刻将所述电容器与所述恒定电流源解耦。

根据又一实施例，用于控制所述电流引导开关的所述电路可包括：第一触发器，其 具有耦合到所述时钟信号的正边缘触发时钟输入及耦合到所述数字处理器的复位输入； 反相器，其具有耦合到所述时钟信号的输入；第二触发器，其具有耦合到所述反相器的 输出的正边缘触发时钟输入及耦合到所述数字处理器的复位输入；及“与”门，其具有 耦合到所述第一触发器的Q输出的第一输入、耦合到所述第二触发器的非Q输出的第 二输入及耦合到所述电流引导开关的控制输入的输出；其中所述数字处理器对所述第一 触发器及所述第二触发器进行复位。

根据又一实施例，用于控制所述电流引导开关的所述电路可包括：除N分频器，其 具有耦合到所述时钟信号的输入；第一触发器，其具有耦合到所述除N分频器的输出的 正边缘触发时钟输入及耦合到所述数字处理器的复位输入；反相器，其具有耦合到所述 除N分频器的所述输出的输入；第二触发器，其具有耦合到所述反相器的输出的正边缘 触发时钟输入及耦合到所述数字处理器的复位输入；及“与”门，其具有耦合到所述第 一触发器的Q输出的第一输入、耦合到所述第二触发器的非Q输出的第二输入及耦合 到所述电流引导开关的控制输入的输出；其中所述数字处理器对所述第一触发器及所述 第二触发器以及所述除N分频器进行复位。

根据又一实施例，所述ADC为逐次逼近ADC。根据又一实施例，所述ADC为∑/Δ ADC。根据又一实施例，电压取样电路对所述电容器上的电压进行取样并将所述经取样 电压耦合到所述∑/ΔADC。

根据又一实施例，所述数字处理器从电容的已知值及电压的数字表示来计算所述时 钟信号周期时间值。根据又一实施例，所述数字处理器为微控制器。根据又一实施例， 所述数字处理器为微控制器。根据又一实施例，所述数字处理器选自由以下各项组成的 群组：微处理器、数字信号处理器(DSP)、可编程逻辑阵列(PLA)及专用集成电路(ASIC)。 根据又一实施例，所述CTMU、所述频率可调谐时钟振荡器、所述ADC及所述数字处 理器制作于集成电路裸片上。根据又一实施例，所述集成电路裸片包封于集成电路封装 中。

根据又一实施例，所述频率可调谐时钟振荡器包括增加/减小计数器及多个二进制加 权频率确定元件。根据又一实施例，所述频率确定元件选自由以下各项组成的群组中的 任何一或多者：电容器、电阻器、电感器及恒定电流源。根据又一实施例，所述可调谐 时钟振荡器的所述频率维持在所要频率的至少0.25％内。根据又一实施例，温度传感器 耦合到所述数字处理器，且温度补偿查找表存储在所述存储器中且用以在操作温度范围 内补偿所述CTMU。根据又一实施例，电压传感器耦合到所述数字处理器，且电压补偿 查找表存储在所述存储器中且用以在操作电压范围内补偿所述CTMU。

根据另一实施例，一种用于使集成电路装置中的时钟振荡器维持处于精确频率的方 法可包括以下步骤：提供充电时间测量单元(CTMU)，其具有已知值电容器及已知值恒 定电流源；提供频率可调谐时钟振荡器，其以一频率将时钟信号供应到所述CTMU；提 供模/数转换器(ADC)，其耦合到所述CTMU；及提供数字处理器，其具有存储器，所述 数字处理器耦合到所述CTMU、所述频率可调谐时钟振荡器及所述ADC，其中在检测 到所述时钟信号的指示其周期的开始的第一逻辑转变之后，所述数字处理器即刻致使所 述CTMU开始用所述已知值恒定电流源对所述已知值电容器充电，在检测到所述时钟信 号的指示其所述周期的结束的第二逻辑转变之后，所述CTMU即刻停止对所述电容器充 电，借助所述ADC对所述电容器上的电压进行取样并将所述电压转换为数字电压值， 借助所述数字处理器从所述ADC读取所述数字电压值，借助所述数字处理器将所述数 字电压值转换成周期时间值，借助所述数字处理器将所述周期时间值与参考周期时间值 进行比较，其中：如果所述周期时间值大于所述参考周期时间值，那么增加所述可调谐 时钟振荡器的所述频率，如果所述周期时间值小于所述参考周期时间值，那么减小所述 可调谐时钟振荡器的所述频率，且如果所述周期时间值与所述参考周期时间值实质上相 同，那么不改变所述频率可调谐时钟振荡器的所述频率。根据所述方法的又一实施例， 所述周期时间值表示多个时钟信号周期的时间值。

附图说明

结合附图参考下文说明可获得对本发明的更全面理解，附图中：

图1图解说明正从恒定电流源充电的电容器的时间-电压图表；

图2图解说明根据本发明的教示的高分辨率时间周期测量电路的示意图；

图3图解说明图2的高分辨率时间周期测量电路的示意性时序图；

图4图解说明根据本发明的特定实例性实施例的具有用于其精确频率确定及调谐的 内部时钟振荡器的集成电路装置的示意性框图，所述集成电路装置具有使用CTMU对所 述振荡器的板上调谐；

图5图解说明图5中所展示的内部时钟振荡器及其调谐电路的更详细的示意性框 图；且

图6图解说明根据本发明的特定实例性实施例的图5中所展示的频率确定电路的示 意图。

尽管易于对本发明作出各种修改及替代形式，但在已图式中展示并在本文中详细描 述其特定实例性实施例。然而，应了解，本文对特定实例性实施例的描述不意欲将本发 明限定于本文中揭示的特定形式，而是相反，本发明欲涵盖所附权利要求书所界定的所 有修改及等效形式。

具体实施方式

根据本发明的教示，充电时间测量单元(CTMU)用于确定内部自含式时钟振荡器的 自由运行频率且提供用于确认所要精确时钟频率(例如，在所述所要频率的0.25％内)正 在运行的极准确频率(周期)信息或将时钟振荡器的频率调整多少及向哪一方向调整以维 持所要频率精确度的指示。可实施内部自含式时钟振荡器的自动频率调整以便维持其所 要精确频率。可将用于维持CTMU的准确度的温度及电压补偿简档存储在表(例如，非 易失性存储器)中，用于进一步改进内部自含式时钟振荡器的绝对频率准确度。

所述CTMU更全面地描述于微芯片应用注解(Microchip applications notes)AN1250、 AN1375等(可在www.microchip.com处获得)以及第7,460,441>

可通过接入或断开包括频率确定电路的电容器及/或电阻器经由模拟及/或数字手段 来调整振荡器频率，可调整到电压可变振荡器的电压以使振荡器频率变大或变小，可调 整到电流可变振荡器的电流以使振荡器频率变大或变小，等等。可使用数字处理器(例如， 微控制器)来控制CTMU、对CTMU电容器上的电压电荷进行取样、确定振荡器频率(周 期)及在必要时造成对振荡器频率的校正以维持所要振荡器频率精确度。此可全部以对于 集成电路装置的用户透明的自动闭环方式发生。

现在参考图式，示意性地图解说明特定实例性实施例的细节。在图式中，相同的元 件将由相同的编号表示，且相似的元件将由带有不同小写字母后缀的相同编号表示。

参考图1，其描绘正从恒定电流源充电的电容器的时间-电压图表。当通过恒定电流 源104对电容器118充电时，跨越电容器118的电压V根据方程式(1)随时间线性增加：

I＝C*dV/dT (1)

其中C为电容器118的电容值，I为来自恒定电流源104的电流且V为时间T处电 容器118上的电压。当已知电流I、时间T及电压V中的任何两个值时，可从两个已知 值计算另一未知值。举例来说，如果已知电容器118的电容及来自恒定电流源104的充 电电流，那么可确定电压V₁处的时间T₁及电压V₂处的时间T₂。以类似方式，如果已 知电压V₁及V₂(例如，V₁与V₂之间的电压差)及时间T₁与时间T₂之间的逝去时间，那 么可确定电容C。

现在参考图2，其描绘根据本发明的教示的高分辨率时间周期测量电路的示意图。 高分辨率时间测量电路(通常由编号200表示)可包括恒定电流源104、电流引导开关112 及114、电容器118、电压取样开关116及电荷排放开关120。可通过闭合电荷排放开关 120以使得移除电容器118上的任何电荷(电压)(短接到接地或共用点V_SS)来将电容器 118初始化到实质上零电荷。也可通过闭合电压取样开关116借助模/数转换器(ADC)108 (例如，∑/Δ)来对电容器118上的初始电荷(电压)进行取样而确定所述电压。电容器118 可为开关式电容器逐次逼近模/数转换器的部分，其中电压取样开关116是不必要的。

电流引导开关112及114可为集成到也可含有本文中更全面论述的其它数字逻辑及 模拟电路的集成电路衬底(未展示)上的场效应晶体管等。电流引导开关112及114经配 置以使得恒定电流源104始终感受到负载，即，当开关114闭合且开关112断开时，恒 定电流源104耦合到共用点V_SS，且当开关112闭合且开关114断开时，恒定电流源104 耦合到电容器118。可从开始/停止控制信号133控制电流引导开关112及114。举例来 说，当开始/停止控制信号133处于逻辑“0”(低)时，开关114闭合且开关112断开， 或当开始/停止控制信号133处于逻辑“1”(高)时，开关114断开且开关112闭合。恒 定电流源104将电容器118充电到直接取决于电流引导开关112闭合的时间长度的电压 值，如由上文方程式1所确定。

开始/停止控制信号133在将针对其确定时间周期的事件的开始(开头)处发生正(例 如，逻辑0到逻辑1)转变(例如，↑时钟边缘1)之后即刻变为逻辑1。电容器118将由恒 定电流源104充电，直到通过开始/停止控制信号133在将针对其确定时间周期的事件的 结束处发生负(例如，逻辑1到逻辑0)转变(例如，↓时钟边缘2)之后即刻变回到逻辑0 而断开电流引导开关112为止。

可借助逻辑电路产生开始/停止控制信号133，所述逻辑电路包括第一触发器126、 第二触发器128、“与”门124及反相器136。在事件发生之前，已通过来自数字处理 器106的CTMU复位信号130对第一触发器126及第二触发器128(以及除N计数器138， 如果使用的话)进行复位以使得第一触发器126及第二触发器128的Q输出处于逻辑0。 处于逻辑0的这些Q输出致使“与”门124输出处于逻辑0。“与”门124的输出产生 开始/停止控制信号133。当在第一触发器126的时钟输入处发生↑事件边缘1时，第一 触发器126的Q输出变为逻辑1。由于第二触发器128的非Q输出也处于逻辑1，因此 “与”门124的输出将变为逻辑1，由此针对开始/停止控制信号133产生逻辑1。第一 触发器126及第二触发器128是正边缘触发的(当到触发器的时钟输入的信号从逻辑0 (低)变为逻辑1(高)时)。

当开始/停止控制信号133处于逻辑1时，电流引导开关112闭合(接通)且恒定电流 源104开始对电容器118充电。恒定电流源104继续对电容器118充电直到开始/停止控 制信号133变回到逻辑0为止，借此断开(关断)电流引导开关112。在此特定实施例中， 当“与”门124的输入中的一或多者处于逻辑0时，“与”门124的输出(即，开始/停 止控制信号133)将变为逻辑0。“与”门124的输入处的逻辑0发生于在第二触发器128 的时钟输入处发生↓时钟边缘2时。因此，电容器118仅在↑时钟边缘1与↓时钟边缘 2的发生之间充电。双态切换触发器126及触发器128的此序列仅可发生一次，且必须 在再次取时钟频率的另一时间周期样本之前从数字处理器106发送CTMU复位信号 130。因此，数字处理器106可以经编程间隔来对时钟频率进行取样，其中可通过集成 电路装置(集成电路裸片202)的时钟频率漂移特性及其必要的任何频率调整来确定所述 间隔。

通过在↓时钟边缘2之后借助模/数转换器(ADC)108测量电容器118上的电压，可 结合电容器118的已知电容值使用表示↑时钟边缘1与↓时钟边缘2之间的时间间隔(周 期)的电压来以极精确分辨率计算时间间隔(时钟信号的周期)。举例来说，可通过使用电 容器118上的所测量电压及其已知电容值借助执行上文方程式(1)的计算的数字处理器 106来确定事件时间周期的计算。因此，时间周期测量精确度随ADC108分辨率(例如， 10或12个位)及电容器118的所测量电容的准确度而变。可借助在确定时间间隔(时钟 信号的周期)中允许ADC分辨率的更精细粒度的除N计数器138来实现时钟信号的时间 周期的分辨率的进一步改进。也可通过使用外部高度准确频率测量装置(例如，频率计数 器)以使在电容器118上测量的相应电荷电压与存储在存储器140的非易失性部分中的相 关结果相关而在制作集成电路装置期间或在现场对ADC输出及周期时间进行精细调谐。

电荷排放开关120及电压取样开关116仅用于标准取样与保持操作，其中电容器118 可为将经取样模拟电压馈送到ADC108的模拟输入的取样与保持电路的部分或可为逐 次逼近ADC的部分。高分辨率时间周期测量电路200可制作于集成电路裸片202上， 且集成电路裸片202可包封于集成电路封装(未展示)中。可以充电时间测量单元(CTMU) 外围装置来实施前述高分辨率时间周期测量电路200，如更全面地描述于微芯片应用注 解AN1250、AN1375等(可在www.microchip.com处获得)以及第7,460,441>

存储器140可为易失性及/或非易失性存储器。可将软件及/或固件操作程序及温度 及/或电压补偿表存储在耦合到数字处理器106的存储器140中。可通过测量频率(如上 文所提及)并使所述频率随温度及/或电压的任何改变相关而在测试集成电路装置期间界 定温度及/或电压补偿表。

参考图3，其描绘图2的高分辨率时间周期测量电路的示意性时序图。在顶部时序 图中，在时钟边缘1与时钟边缘2之间取时钟信号的时间周期。在底部时序图中，取四 倍于时钟信号周期的时间周期。此通过使用除N计数器138获得且产生时间分辨率的更 精细粒度。由于与时钟信号的周期相比，时钟振荡器的任何频率漂移通常将在长时间周 期上，因此当时钟频率在所要频率容限内时，时钟振荡器周期的取样仅需以不频繁间隔 发生。仅在必须改变时钟频率以使其返回到所要频率容限内时将需要时钟频率周期的更 频繁取样，例如，在每一频率改变之后，进行新时间周期测量直到时钟频率在所要频率 容限内为止。

参考图4，其描绘根据本发明的特定实例性实施例的具有用于其精确频率确定及调 谐的内部时钟振荡器的集成电路装置的示意性框图，所述集成电路装置具有使用CTMU 对所述振荡器的板上调谐。集成电路装置202包括时钟振荡器240、振荡器调谐电路242、 CTMU200、ADC108及数字处理器106。数字处理器106可为(例如，但不限于)微控制 器、微处理器、数字信号处理器(DSP)、可编程逻辑阵列(PLA)、专用集成电路(ASIC)等。

时钟振荡器240的输出耦合到CTMU200的时钟输入。CTMU200及ADC108用于 精确地确定时钟振荡器240的周期，如图2及3中所展示以及上文所描述。当时钟周期 (频率)大于(小于)所要时钟周期(频率)时，数字处理器106将递增信号132发送到振荡器 调谐电路242，然后振荡器调谐电路242增加时钟振荡器240的频率。当时钟周期(频率) 小于(大于)所要时钟周期(频率)时，数字处理器106将递减信号134发送到振荡器调谐电 路242，然后振荡器调谐电路242减小时钟振荡器240的频率。当时钟周期与所要时钟 周期(频率)实质上相同时，数字处理器106将不进行任何操作来致使振荡器调谐电路242 改变时钟振荡器240的频率。

可通过模拟或数字接口(此取决于传感器的输出)将温度传感器142及/或电压传感器 144耦合到数字处理器106。温度传感器142可用于从存储在存储器140中的温度补偿 表来确定对CTMU的温度补偿。电压传感器144可用于从存储在存储器140中的电压补 偿表来确定对CTMU的电压补偿。

参考图5，其描绘图4中所展示的内部时钟振荡器及其调谐电路的更详细的示意性 框图。振荡器调谐电路242可包括增加/减小计数器210及频率确定电路220。可从数字 处理器106给增加/减小计数器210预加载特定计数。可在制造集成电路装置时或在集成 电路装置的校准期间由用户在现场确定此特定计数。当时钟频率大于所要时钟频率时， 到增加/减小计数器210的递减信号134经断言以使得频率确定电路增加时钟振荡器频 率，且当时钟频率小于所要时钟频率时，到增加/减小计数器210的递增信号132经断言 以使得频率确定电路提升时钟振荡器频率。

频率确定电路220可由例如电容器(图6)、电阻器(未展示)、电感器(未展示)、恒定 电流源(未展示)等或其组合的组件组成。可根据增加/减小计数器210的二进制(或BCD) 输出Q₃到Q₀增加及减小频率确定电路220的调谐组件值。因此，时钟振荡器240的频 率将改变。可通过增加/减小计数器210的位数目来确定频率改变分辨率。

参考图6，其描绘根据本发明的特定实例性实施例的图5中所展示的频率确定电路 的示意图。频率确定电路220(图5)可由多个二进制加权电容器250组成，多个二进制 加权电容器250耦合到时钟振荡器240且确定其频率。也可以类似方式利用电阻器及/ 或电流源，数字电路设计领域的且受益于本发明的技术者将知晓此实施方案。

虽然已参考本发明的实例性实施例来描绘、描述及界定本发明的实施例，但此种参 考并不暗示对本发明的限定，且不应推断出存在此种限定。所揭示的标的物能够在形式 及功能上具有大量修改、改动及等效形式，相关技术的且受益于本发明的技术人员根据 本发明将会联想到那些修改、改动及等效形式。所描绘及所描述的本发明实施例仅为实 例，而并非对本发明范围的穷尽性说明。