申请/专利权人：苏州市灵矽微系统有限公司

申请日：2015-12-30

公开（公告）日：2021-01-12

公开（公告）号：CN106452430B

主分类号：H03L1/02(20060101)

分类号：H03L1/02(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2021.01.12#授权;2017.09.05#实质审查的生效;2017.02.22#公开;2016.05.04#文件的公告送达

摘要：本发明公开了一种宽电压域实时时钟电路，其包括振荡器、与振荡器相连并共同产生随温度漂移的频率的限幅跨导放大器、与温度漂移频率输出相并联且输出温度的数字码的温度数字转换器、与温度数字转换器和限幅跨导放大器输出相连的小数分频电路单元、与小数分频电路单元输出相连的数字驱动电路单元、以及为电路提供电源的电源管理模块。本发明确保‑40℃至85℃温度范围内时钟频率输出变化小于±5ppm，而且可以使用深亚微米CMOS工艺实现1.5V至5.5V宽电压工作范围，可降低产品的系统设计和生产成本，提高可靠性。

主权项：1.一种宽电压域实时时钟电路，其特征在于其包括：振荡器、与振荡器相连并共同产生随温度漂移频率的限幅跨导放大器、与温度漂移频率输出相并联且输出温度的数字码的温度数字转换器、与温度数字转换器和限幅跨导放大器的输出均相连的小数分频电路单元、与小数分频电路单元输出相连的数字驱动电路单元、以及提供电源的电源管理模块，其中所述温度数字转换器包括温度传感器单元、与温度传感器单元相连的模数转换器、以及与模数转换器输出相连的温度数字转换电路单元，所述温度传感器单元为动态元件匹配结构的温度模拟前端电路单元，所述温度模拟前端电路单元使用NPN型双极型晶体管作为温度单元，而由两个集电极电流比例为M的NPN管子构成正温度系数的ΔVBE和负温度系数的VBE，模数转换器为SAR-∑-Δ混合结构的模数转换器并在前端具有开关电容电路，温度数字转换电路单元包括SAR逻辑、降采样梳妆滤波器以及温度转换运算逻辑。

全文数据：宽电压域实时时钟电路技术领域[0001] 本发明涉及一种宽电压域实时时钟电路，特别涉及一种基于快速温度数字转换器与小数分频数字补偿的宽电压域实时时钟电路。背景技术[0002] 时钟频率恒定及超低功耗的运行状态一直是低频实时时钟，主要是32.768kHz215Hz为主要应用目的。这个频率绝大部分应用于计时，智能计量，功率计量以及智能传感器等领域。而在移动智能及其他电池供电器件中，也被用来精确使能，延长电池使用时间。而在高精度应用时，由于普通32.768kHz石英晶体振荡器XO或者MEMS振荡器电路，一般在室温下的频率变化范围在土20ppm至土50ppm左右，而在全温范围下，振荡器输出频率与温度的变化关系是一种抛物线曲线，二阶系数大约在0.035ppmC2。所有的智能计量一般要求时钟振荡器输出的频率在全温范围内稳定在土5ppm的变化。[0003]目前大部分基于标准32.768kHz石英晶体振荡器实现的精准实时时钟实现的方式大部分都是采用温度传感器得到片上温度值去调节晶体的负载电容，控制晶体的输出频率，这种补偿方式几乎不可能实现10—6的分辨率，因为电容的匹配以及补偿电容阵列开关电容噪声很难实现100dB。另外一种方法采用分频之后根据温度对应频率的查表方式插补脉冲的方法，虽然避开了补偿负载电容的失配限制以及开关电容噪声的限制，但是由于插补脉冲是一个伪随机数而且插补脉冲的精度受到温度传感器的量化噪声限制，也很难达到10dB以上的线性动态范围，并且有较高的时钟毛刺，增加了相位噪声。[0004] 另外一种振荡器件是采用MEMS振荡器件为时钟源的，通常也采用与石英振荡器相类似的温度传感器补偿办法，先通过插补脉冲分频，再通过锁相环电路分频至所需的频率，这种办法虽然也能够得到较低温漂的时钟输出，但是整个电路的响应时间非常慢，因为温度传感器使用了传统的Σ-ΔADC，这样电路的启动时间非常慢，另外MEMS通常的输出频率大于本征频率是32.768KHz石英晶体，而且MEMS的工作电压非常高，因此MEMS是非直接的32.768Hz产生的时钟源，不利于计时偏差的。[0005] 其他类似技术可参考以下非专利文献:[0006]非专利文献1:“ACMOSSmartTemperaturesensorWitha3σInaccuracyOf0.10CFrom55°Cto125。。，，PertijsM,MakinwaK，HuijsingH,IEEE,J.Solid-StateCircuit,2005,4012:2805-2815.[0007]非专利文献2:“ATime-to-Digital-Converter-BasedCMOSSmartTemperatureSensor”IEEEJ.Solid-StateCircuit，2005，40⑶:1642-1648.[0008]非专利文献3:“ANovelBuilt-1nCMOSTemperatureSensorforVLSICircuits，，ChineseJournalofSemiconductors，2004:253:252-255.[0009]非专利文献4:“A3ppmI.5X0.8mm21.ΟμΑ32.768kHzMEMSbasedoscillator”IEEEJ.Solid-StateCircuit，2015，50⑴:291-302.发明内容[0010] 本发明的目的是设计一种宽电压域实时时钟电路，其基于标准CMOS制造工艺的器件，可降低产品的系统设计和生产成本，提高可靠性。[0011] 为达成上述目的，本发明提供如下技术方案:一种宽电压域实时时钟电路，其包括:振荡器、与振荡器相连并共同产生随温度漂移的频率的限幅跨导放大器、与温度漂移频率输出相并联且输出温度的数字码的温度数字转换器、与温度数字转换器和限幅跨导放大器输出相连的小数分频电路单元、与小数分频电路单元输出相连的数字驱动电路单元、以及为电路提供电源的电源管理模块。[0012] 在上述技术方案的基础上，进一步包括如下附属技术方案:[0013] 在温度数字转换器中产生温度补偿并在数字域实现，且采用二阶Σ-△小数分频方法得到低温漂输出频率。[0014] 所述振荡器中输出频率与温度具有数学函数关系。[0015] 所述温度数字转换器为基于SAR-Σ-△结构模数转换器。[0016] 所述振荡器为32.768kHz的石英晶体振荡器。[0017] 所述温度数字转换器包括温度传感器单元、与温度传感器单元相连的模数转换器、以及与模数转换器输出相连的温度数字转换电路单元。[0018] 所述温度传感器单元为动态元件匹配结构的温度模拟前端电路单元，模数转换器为SAR-Σ-△混合结构的模数转换器并在前端具有开关电容电路，温度数字转换电路单元包括了SAR逻辑、降采样梳妆滤波器以及温度转换运算逻辑。[0019] 所述电源管理模块包括高压稳压电路单元，模拟电源电路单元和数字稳压电路单JLο[0020] 所述高压稳压电路单元包括运放单元、与运放单元输出相连的保护二极管电路单元、以及与运放单元和保护二极管电路单元相连的反馈二极管电路单元。[0021] 本发明的有益效果为:[0022] 基于标准CMOS制造工艺的器件，确保-40°C至85°C温度范围内时钟频率输出变化小于±5ppm，而且可以使用深亚微米CMOS工艺实现1.5V至5.5V宽电压工作范围，可降低产品的系统设计和生产成本，提高可靠性。附图说明[0023]图1是本发明的电路结构图；[0024]图2是本发明中温度数字转换器的电路结构图；[0025]图3是本发明中电源管理电路的电路结构图；[0026]图4是本发明中高压稳压电路的电路结构图；[0027]图5是本发明中低压数字电路稳压电路的电路结构图；[0028]图6是本发明中低温漂频率输出的温度变化曲线图；[0029]图7是本发明中低温漂频率输出的时钟漂移量曲线图。具体实施方式[0030]下面将参照附图对本发明的一个示例性实施方式作详细说明。如图1-7所示，本发明提供一种宽电压域实时时钟电路，其包括振荡器101、与振荡器101相连并共同产生随温度漂移的频率的限幅跨导放大器102、与温度漂移频率输出相并联且输出温度的数字码的温度数字转换器TDC103、与温度数字转换器103和限幅跨导放大器102输出相连的Σ-Λ小数分频电路单元105、与Σ-Δ小数分频电路单元105输出相连的数字驱动电路单元104、以及为电路提供电源的电源管理模块106。由此振荡器101和限幅跨导放大器102产生了随温度漂移的频率，并与温度数字转换器103得到了温度的数字码一起输入Σ-△小数分频电路单元105，然后分频得到不随温度变化的IHz频率并由数字驱动电路单元104输出，电源管理模块106是对整个电路提供低功耗电源，满足从1.5V至5V的宽电压范围的使用。[0031]如图1所示，振荡器101优选为3215型贴片石英晶体，由于振荡器101的频率输出受到温度的影响，在_40°C至85°C范围是抛物线型频率变化，在高温和低温区间的频率变化会达至Ij5ppm°C，因此为了控制全温范围内输出频率变化小于5ppm，温度补偿分辨率要实现至少要有0.5°C，再加上电路其他的误差才有可能控制在5ppm的误差。另外从低功耗电路的设计考虑，限幅跨导放大器102的输出幅度与功耗是成正比的，因此设计幅度控制跨导放大器可以有效地减少这一部分电路的电流。温度数字转换器103的数字结果与小数分频电路单元运算，可以得到一个与温度有关的分频比，从而在整个工作温度范围内得到与石英晶体温度曲线相反的温度频率补偿曲线，从而抵消频率的温度漂移特性。[0032] 如图2所示，温度数字转换器103包括温度传感器单元201、与温度传感器单元201相连的模数转换器202、以及与模数转换器202输出相连的温度数字转换电路单元203，其中温度传感器单元201优选为动态元件匹配DEM结构的温度模拟前端AFE电路单元，模数转换器202优选为SAR-Σ-△混合结构的模数转换器并在前端具有开关电容电路，温度数字转换电路单元203包括了SAR逻辑、降采样梳妆滤波器以及温度转换运算逻辑。温度传感器单元201的输出通过模数转换器202前端开关电容电路得到了与温度有关的电压，并由温度数字转换电路单元203转换成与温度有关的数字码，这样通过逻辑运算就可以得到Σ-Δ小数分频电路单元105所需的分频信息。温度传感器单元201的温度模拟前端使用了CMOS工艺中最常见的NPN型双极型晶体管作为温度单元。由两个集电极电流比例为M的NPN管子构成了正温度系数的ΔVbe和负温度系数的Vbe，而ΔVbe=Vbe2_Vbei。而为了保证两个独立的双极型器件匹配，使用了动态元件匹配DEM技术消除双极型器件失配。模数转换器202和温度数字转换电路单元203组成温度数字转换器，是把α*ΔVbeVbg，的比值转换成数字码，其中α约为14，Vbg=VBE1+a*ΔVbe。模数转换器202是本发明采用了基于SAR-Σ_△混合结构的模数转换器，目的是为了加快ADC的转换速率，同时又不降低ADC的整体分辨率和信噪比，这样可以适应温度快速变化的应用场合。[0033]如图3所示，电源管理模块106采用低功耗高电源抑制比的电源管理电路，其包括高压稳压电路单元301，模拟电源电路单元302和数字稳压电路单元303，既可以保证宽电源电压的范围不影响实时时钟电路的频率稳定，又可以保证模拟电路和数字电路不互相干扰。由于芯片需要在工作状态下电流消耗非常小，而且不能面积太大，并且电路需要工作在非常宽的电压范围以及高的电源抑制比，高压稳压电路单元301是使用低电压器件的高压稳压电路，模拟电路单元302是低功耗带隙基准源结构的开环模拟电源电路，以便给模拟电路供电，数字稳压电路单元303是给数字电源供电。高压稳压电路单元301使用的是CMOS工艺中的厚氧器件，通常先进工艺中的厚氧器件最大工作电压不超过3.63V的器件，因此必须要考虑过压保护才能保证电路运行在5V电压。[0034]图4是高压稳压电路单元301的详细点路拓扑图，采用了二极管保护结构，可以让数字电路使用0.1Sum及以下深亚微米工艺中的厚氧器件而不会受到3.6V以上高压的损伤。高压稳压电路单元301包括运放单元401、与运放单元401输出相连的保护二极管电路单元402、以及与运放单元401和保护二极管电路单元402相连的反馈二极管电路单元403。电压工作范围分为三部分。首先当电压很高时，比如3.6V以上，VDDint=Vdd-2*Vd1de，然后通过模拟电源电路单元302和数字稳压电路单元303分别给模拟电路和数字电路供电，其次，当电源电压降低到中间电压，约是1.8〜3.6V时，VDDint=Vref+Vfb，Vref是模拟电路单元302是的带隙基准源电路提供的1.2V电压，当电源电压降低到1.8V以下或者更低，Vddint=Vdd,同时模拟电源电路单元302和数字稳压电路单元303也直接等于Vdd。数字稳压电路单元303是本发明提出的一种用于数字模块的低功耗稳压电路，可以把数字电路的功耗降到最少。[0035] 如图5所示，数字稳压电路单元303由一个匪OS管的VGS电压加上可编程的电压余量，可以让数字模块的信号在窄输出摆幅，从而实现数字电路的低功耗。数字稳压电路单元303是低压数字电路稳压电源，电路501是从与工艺厂提供的标准单元库的反相器单元结构一致，使得整个数字电路的工作电压等于NMOS管的VCS，这样可以确保数字电路实现最低的驱动电流能力，实现低功耗。一个可变的电阻用来控制标准单元库的驱动能力。而最终电源电压与模拟稳压源相同，也采用了主从结构。[0036]图6-7是低温漂频率输出的系统仿真结果，根据图1所示的系统，带入石英晶体的频率对温度的抛物线曲线，并且温度以1.5°C秒速度变化进行全温扫描，得到了整个时钟频率只有±4ppm的变化，说明发明的设计方法以及实现的电路系统对低温漂实时时钟的应用是有效的。[0037] 本发明提出了基于标准的32.768kHz3.2*1.5mm2尺寸的贴片封装晶体与CMOS电路共同构成的低温漂实时时钟结构。CMOS电路由增益放大电路，片上晶体电容负载，一个基于SAR-E-Δ混合结构的ADC构成的温度补偿电路，二阶E-△小数分频电路用于补偿石英晶体振荡器频率的温度漂移，低功耗电源管理模块。整个电路的供电电流小于700nA，电路适应电压从1.5V至5.5V的变化范围。[0038]当然上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

权利要求：1.一种宽电压域实时时钟电路，其特征在于其包括:振荡器、与振荡器相连并共同产生随温度漂移的频率的限幅跨导放大器、与温度漂移频率输出相并联且输出温度的数字码的温度数字转换器、与温度数字转换器和限幅跨导放大器输出相连的小数分频电路单元、与小数分频电路单元输出相连的数字驱动电路单元、以及为电路提供电源的电源管理模块。2.根据权利要求1所述的宽电压域实时时钟电路，其特征在于，在温度数字转换器中产生温度补偿并在数字域实现，且采用二阶Σ-△小数分频方法得到低温漂输出频率。3.根据权利要求1所述的宽电压域实时时钟电路，其特征在于，所述振荡器中输出频率与温度具有数学函数关系。4.根据权利要求1所述的宽电压域实时时钟电路，其特征在于，所述温度数字转换器为基于SAR-Σ-Δ结构模数转换器。5.根据权利要求3所述的宽电压域实时时钟电路，其特征在于，所述振荡器为32.768kHz的石英晶体振荡器。6.根据权利要求1所述的宽电压域实时时钟电路，其特征在于，所述温度数字转换器包括温度传感器单元、与温度传感器单元相连的模数转换器、以及与模数转换器输出相连的温度数字转换电路单元。7.根据权利要求6所述的宽电压域实时时钟电路，其特征在于，所述温度传感器单元为动态元件匹配结构的温度模拟前端电路单元，模数转换器为SAR-Σ-△混合结构的模数转换器并在前端具有开关电容电路，温度数字转换电路单元包括了SAR逻辑、降采样梳妆滤波器以及温度转换运算逻辑。8.根据权利要求1所述的宽电压域实时时钟电路，其特征在于，所述电源管理模块包括高压稳压电路单元，模拟电源电路单元和数字稳压电路单元。9.根据权利要求8所述的宽电压域实时时钟电路，其特征在于，所述高压稳压电路单元包括运放单元、与运放单元输出相连的保护二极管电路单元、以及与运放单元和保护二极管电路单元相连的反馈二极管电路单元。

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