一種利用全數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)單元實(shí)現(xiàn)的時(shí)鐘信號生成器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用全數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)單元實(shí)現(xiàn)的時(shí)鐘信號生成器，該時(shí)鐘信號生成器包括依次連接的延時(shí)比估計(jì)器、控制碼映射器和數(shù)字控制振蕩器，其中：延時(shí)比估計(jì)器，用來估計(jì)兩個(gè)環(huán)形振蕩器的振蕩周期比；控制碼映射器，利用輸入的目標(biāo)頻率與估計(jì)的延時(shí)比，生成數(shù)字控制振蕩器需要的控制碼；數(shù)字控制振蕩器，根據(jù)產(chǎn)生的控制碼生成相應(yīng)頻率的時(shí)鐘信號。利用本發(fā)明，可以將時(shí)鐘信號生成器集成在芯片內(nèi)部，無需任何外界參考便可在一定的頻率范圍內(nèi)生成時(shí)鐘信號，從而減小系統(tǒng)的體積和功耗。
【專利說明】一種利用全數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)單元實(shí)現(xiàn)的時(shí)鐘信號生成器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及時(shí)鐘信號生成【技術(shù)領(lǐng)域】，具體是一種利用全數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)單元實(shí)現(xiàn)的時(shí)鐘 信號生成器。

【背景技術(shù)】
[0002] 由于具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理與邏輯控制能力，很強(qiáng)的抗干擾能力，并且可在不同工 藝間便捷可靠地移植，數(shù)字電路已經(jīng)成為任何一款SoC中必不可少的部分。而時(shí)鐘信號是 任何一個(gè)數(shù)字同步時(shí)序邏輯電路可以工作的前提條件。正是在時(shí)鐘信號給定的節(jié)拍下，數(shù) 字電路有條不紊地完成著預(yù)定的數(shù)據(jù)處理和邏輯控制的功能。
[0003] 基于石英晶體的振蕩器由于其卓越的性能，一直被公認(rèn)為最佳的時(shí)鐘信號生成 器。然而，隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的不斷進(jìn)步，單片集成的功能越來越強(qiáng)大，系統(tǒng)的功耗和體 積也日益受到設(shè)計(jì)者的重視。由于其工作機(jī)理的特點(diǎn)，基于石英晶體的振蕩器的體積和功 耗很難進(jìn)一步減小，這勢必限制著系統(tǒng)的體積和功耗的不斷減小。在對體積和功耗要求非 常嚴(yán)格的系統(tǒng)中，使用可集成的時(shí)鐘信號生成器來代替石英晶體振蕩器將會(huì)是一個(gè)重要的 解決方案。
[0004] 目前，可集成的時(shí)鐘信號生成器主要是模擬電路，并且?guī)痘鶞?zhǔn)電壓源是其中必 不可少的一部分。隨著工藝的進(jìn)步，電源電壓逐漸降低，帶隙基準(zhǔn)電壓源的設(shè)計(jì)難度將越來 越大，這反過來將限制電源電壓的進(jìn)一步降低。而降低電源電壓是低功耗設(shè)計(jì)最有效的手 段之一。因此，利用電源電壓可隨工藝同步降低的數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)單元設(shè)計(jì)時(shí)鐘信號生成器是一 種行之有效的解決方法。
[0005] 利用數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)單元產(chǎn)生周期性振蕩信號的最簡單的方法是將奇數(shù)個(gè)反相單元級 聯(lián)。然而，在集成電路中，數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)單元的延遲時(shí)間與工藝、溫度和電壓相關(guān)，工藝、溫度和 電壓中任一量的變化都會(huì)引起數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)單元延遲時(shí)間的變化。因此無法直接利用數(shù)字標(biāo)準(zhǔn) 單元構(gòu)成的環(huán)形振蕩器生成指定頻率的時(shí)鐘信號，必須尋找其他方法來補(bǔ)償或消除工藝、 溫度和電壓帶來的影響。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] (一）要解決的技術(shù)問題
[0007] 有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種利用全數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)單元實(shí)現(xiàn)的時(shí)鐘信號 生成器，以滿足對體積和功耗非常敏感的系統(tǒng)的要求。
[0008] (二）技術(shù)方案
[0009] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種利用全數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)單元實(shí)現(xiàn)的時(shí)鐘信號生成 器，該時(shí)鐘信號生成器包括依次連接的延時(shí)比估計(jì)器、控制碼映射器和數(shù)字控制振蕩器，其 中：延時(shí)比估計(jì)器，用來估計(jì)兩個(gè)環(huán)形振蕩器的振蕩周期比；控制碼映射器，利用輸入的目 標(biāo)頻率與估計(jì)的延時(shí)比，生成數(shù)字控制振蕩器需要的控制碼；數(shù)字控制振蕩器，根據(jù)產(chǎn)生的 控制碼生成相應(yīng)頻率的時(shí)鐘信號。
[0010] 上述方案中，所述延時(shí)比估計(jì)器包括2個(gè)由不同的標(biāo)準(zhǔn)單元構(gòu)成的環(huán)形振蕩器以 及相應(yīng)的數(shù)字輔助邏輯，其中，這2個(gè)環(huán)形振蕩器稱為參照對，構(gòu)成這2個(gè)環(huán)形振蕩器的數(shù) 字標(biāo)準(zhǔn)單元分別稱為基準(zhǔn)延時(shí)單元與參照延時(shí)單元。
[0011] 上述方案中，所述基準(zhǔn)延時(shí)單元由單一標(biāo)準(zhǔn)單元構(gòu)成,所述參照延時(shí)單元由單一 標(biāo)準(zhǔn)單元或不同標(biāo)準(zhǔn)單元的組合構(gòu)成。
[0012] 上述方案中，對于選定的參照對，其延遲時(shí)間比與基準(zhǔn)延時(shí)單元的絕對延遲時(shí)間 之間在給定的溫度和電壓范圍內(nèi)存在良好的擬合關(guān)系。
[0013] 上述方案中，所述控制碼映射器首先根據(jù)估計(jì)的延時(shí)比以及參照對的延時(shí)比與基 準(zhǔn)延時(shí)單元絕對延時(shí)之間的關(guān)系，求出當(dāng)前條件下基準(zhǔn)單元的絕對延時(shí)；之后，根據(jù)求出的 基準(zhǔn)單元的絕對延時(shí)、目標(biāo)頻率以及所述數(shù)字控制振蕩器的控制方式生成相應(yīng)的控制碼。
[0014] 上述方案中，所述數(shù)字控制振蕩器的基本延時(shí)單元與所述延時(shí)比估計(jì)器的基準(zhǔn)延 時(shí)單元是相同的，不同的控制碼能夠選擇將不同個(gè)數(shù)的基準(zhǔn)延時(shí)單元接入振蕩回路中，從 而產(chǎn)生不同的振蕩頻率。
[0015] 上述方案中，所述數(shù)字控制振蕩器的輸出信號的頻率是由輸入的控制碼進(jìn)行控制 的，不同的控制碼對應(yīng)著不同的輸出信號頻率，因此能夠通過調(diào)節(jié)控制碼的大小調(diào)節(jié)輸出 信號的頻率。
[0016](三）有益效果
[0017] 本發(fā)明提供的利用全數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)單元實(shí)現(xiàn)的時(shí)鐘信號生成器，基于用相對的延時(shí)比 與已知的延時(shí)比與絕對延時(shí)之間的關(guān)系來估計(jì)絕對延時(shí)的思想，完全利用數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)單元來 實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘信號生成器，從而將時(shí)鐘生成器件與功能電路集成在一起，使整個(gè)系統(tǒng)在標(biāo)準(zhǔn)集 成電路制造工藝上即可實(shí)現(xiàn)，無需像傳統(tǒng)的電子系統(tǒng)一樣利用集成電路外部的石英晶體產(chǎn) 生時(shí)鐘信號。由于集成電路與外部分離器件相比具有巨大的面積優(yōu)勢，因此本發(fā)明可以使 得整個(gè)系統(tǒng)的面積有顯著地減小。此外，本發(fā)明還可以省去時(shí)鐘信號從外部輸入到集成電 路內(nèi)部時(shí)在PAD上引入的額外功耗，這對功耗要求非常嚴(yán)格的系統(tǒng)具有重大的意義。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 圖1為本發(fā)明提供的利用全數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)單元實(shí)現(xiàn)的時(shí)鐘信號生成器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019] 圖2為在SMIC 0. 13μπι工藝下，I. 1?1.3V電壓范圍內(nèi)，0?80°C溫度范圍內(nèi)，所 選擇的一組參照對的延時(shí)比與基準(zhǔn)延時(shí)單元絕對延時(shí)之間的關(guān)系曲線；
[0020] 圖3為本發(fā)明提供的利用全數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)單元實(shí)現(xiàn)的時(shí)鐘信號生成器中延時(shí)比估計(jì) 器的實(shí)現(xiàn)方案示意圖；
[0021] 圖4為本發(fā)明提供的利用全數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)單元實(shí)現(xiàn)的時(shí)鐘信號生成器中數(shù)字控制振 蕩器的實(shí)現(xiàn)方案示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0022] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0023] 在集成電路中，數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)單元的延遲時(shí)間與工藝、溫度和電壓相關(guān)，工藝、溫度和 電壓中任一量的變化都會(huì)引起數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)單元延遲時(shí)間的變化。在確定的工藝下，不同標(biāo)準(zhǔn) 單元的延遲時(shí)間隨溫度和電壓的變化特性是不同的，即當(dāng)溫度或電壓變化相同的值時(shí)，不 同標(biāo)準(zhǔn)單元的延時(shí)變化是不同的。因此，有可能存在這樣兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元：在不同的溫度和 電壓下它們的延時(shí)比是不同的。由于不同的溫度和電壓下標(biāo)準(zhǔn)單元的絕對延時(shí)是不同的， 因此這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元的延時(shí)比和絕對延時(shí)之間存在一定的對應(yīng)關(guān)系。如果已知延時(shí)比和絕 對延時(shí)之間的對應(yīng)關(guān)系，那么只要得到延時(shí)比便可以求得標(biāo)準(zhǔn)單元在當(dāng)前條件下的絕對延 時(shí)。得到了單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元的絕對延時(shí)，便可以利用數(shù)字控制振蕩器生成目標(biāo)頻率的時(shí)鐘信 號。
[0024] 由于延時(shí)比是一個(gè)相對值，其量綱為1，因此無需任何外界輔助條件便可求得。而 延時(shí)比與絕對延時(shí)之間的對應(yīng)關(guān)系，在指定工藝和標(biāo)準(zhǔn)單元之后，也是確定的，并且可以通 過實(shí)驗(yàn)的方式測得?？紤]到可實(shí)現(xiàn)性，延時(shí)比與絕對延時(shí)之間應(yīng)該存在良好的擬合關(guān)系。
[0025] 利用相對的延遲時(shí)間比以及已知的延遲時(shí)間比和絕對延遲時(shí)間之間的關(guān)系來估 計(jì)絕對的延遲時(shí)間。其中，延遲時(shí)間比的量綱為1，無需任何外界參考即可測得；延遲時(shí)間 比和絕對延遲時(shí)間之間的關(guān)系是固有的，可以通過實(shí)驗(yàn)的方法測量得到。
[0026] 基于上述實(shí)現(xiàn)原理，圖1為本發(fā)明提供的利用全數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)單元實(shí)現(xiàn)的時(shí)鐘信號生 成器的結(jié)構(gòu)示意圖，該時(shí)鐘信號生成器包括依次連接的延時(shí)比估計(jì)器、控制碼映射器和數(shù) 字控制振蕩器，其中，延時(shí)比估計(jì)器，用來估計(jì)兩個(gè)環(huán)形振蕩器的振蕩周期比；控制碼映射 器，利用輸入的目標(biāo)頻率與估計(jì)的延時(shí)比，生成數(shù)字控制振蕩器需要的控制碼；數(shù)字控制振 蕩器，根據(jù)產(chǎn)生的控制碼生成相應(yīng)頻率的時(shí)鐘信號。
[0027] 延時(shí)比估計(jì)器包括2個(gè)由不同的標(biāo)準(zhǔn)單元構(gòu)成的環(huán)形振蕩器以及相應(yīng)的數(shù)字輔 助邏輯。其中，這2個(gè)環(huán)形振蕩器稱為參照對，構(gòu)成這2個(gè)環(huán)形振蕩器的數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)單元分別 稱為基準(zhǔn)延時(shí)單元與參照延時(shí)單元。一般地，基準(zhǔn)延時(shí)單元由單一標(biāo)準(zhǔn)單元構(gòu)成，而參照延 時(shí)單元可以由單一標(biāo)準(zhǔn)單元或不同標(biāo)準(zhǔn)單元的組合構(gòu)成。對于選定的參照對，其延遲時(shí)間 比與基準(zhǔn)延時(shí)單元的絕對延遲時(shí)間之間在給定的溫度和電壓范圍內(nèi)存在良好的擬合關(guān)系。
[0028] 圖2為在SMIC 0· 13 μ m工藝下，L 1?I. 3V電壓范圍內(nèi)，0?80°C溫度范圍內(nèi)，所 選擇的一組參照對的延時(shí)比與基準(zhǔn)延時(shí)單元絕對延時(shí)之間的關(guān)系曲線。此外，數(shù)字輔助邏 輯的作用是利用參照對振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號對基準(zhǔn)延時(shí)單元和參照延時(shí)單元的延時(shí)比 進(jìn)行估計(jì)。
[0029] 控制碼映射器首先根據(jù)估計(jì)的延時(shí)比以及參照對的延時(shí)比與基準(zhǔn)延時(shí)單元絕對 延時(shí)之間的關(guān)系，求出當(dāng)前條件下基準(zhǔn)單元的絕對延時(shí)。之后，根據(jù)求出的基準(zhǔn)單元的絕對 延時(shí)、目標(biāo)頻率以及所述數(shù)字控制振蕩器的控制方式生成相應(yīng)的控制碼。
[0030] 數(shù)字控制振蕩器的基本延時(shí)單元與所述延時(shí)比估計(jì)器的基準(zhǔn)延時(shí)單元是相同的， 不同的控制碼可以選擇將不同個(gè)數(shù)的基準(zhǔn)延時(shí)單元接入振蕩回路中，從而產(chǎn)生不同的振蕩 頻率。數(shù)字控制振蕩器的輸出信號的頻率是由輸入的控制碼進(jìn)行控制的，不同的控制碼對 應(yīng)著不同的輸出信號頻率，可以通過調(diào)節(jié)控制碼的大小調(diào)節(jié)輸出信號的頻率。
[0031] 為了敘述方便，本發(fā)明實(shí)施例將延時(shí)比估計(jì)器中的2個(gè)參照對振蕩器分別記為基 準(zhǔn)振蕩器（簡寫為RD0)和參照振蕩器（簡寫為CD0)。其中，RDO的基本單元為基準(zhǔn)延時(shí) 單元（簡寫為RDC)，CDO的基本單元為參照延時(shí)單元（簡寫為CDC)。記RDO的振蕩周期為 Tedq，⑶0的振蕩周期為TmQ，RDC的傳播延時(shí)為^。，⑶C的傳播延時(shí)為tm。，若RDO與⑶0的 級數(shù)均為N，則有以下關(guān)系 ：
[0032] T· = 2N X W (I)
[0033] Tcdo = 2NXtCDC (2)
[0034] Tsi^ TGDQ、及與工藝、電壓和溫度均有關(guān)系。
[0035] 記選定的RDC與⑶C的延時(shí)比為

【權(quán)利要求】
1. 一種利用全數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)單元實(shí)現(xiàn)的時(shí)鐘信號生成器，其特征在于，該時(shí)鐘信號生成器 包括依次連接的延時(shí)比估計(jì)器、控制碼映射器和數(shù)字控制振蕩器，其中： 延時(shí)比估計(jì)器，用來估計(jì)兩個(gè)環(huán)形振蕩器的振蕩周期比； 控制碼映射器，利用輸入的目標(biāo)頻率與估計(jì)的延時(shí)比，生成數(shù)字控制振蕩器需要的控 制碼； 數(shù)字控制振蕩器，根據(jù)產(chǎn)生的控制碼生成相應(yīng)頻率的時(shí)鐘信號。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用全數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)單元實(shí)現(xiàn)的時(shí)鐘信號生成器，其特征在于， 所述延時(shí)比估計(jì)器包括2個(gè)由不同的標(biāo)準(zhǔn)單元構(gòu)成的環(huán)形振蕩器以及相應(yīng)的數(shù)字輔助邏 輯，其中，這2個(gè)環(huán)形振蕩器稱為參照對，構(gòu)成這2個(gè)環(huán)形振蕩器的數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)單元分別稱為 基準(zhǔn)延時(shí)單元與參照延時(shí)單元。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的利用全數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)單元實(shí)現(xiàn)的時(shí)鐘信號生成器，其特征在于， 所述基準(zhǔn)延時(shí)單元由單一標(biāo)準(zhǔn)單元構(gòu)成，所述參照延時(shí)單元由單一標(biāo)準(zhǔn)單元或不同標(biāo)準(zhǔn)單 元的組合構(gòu)成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的利用全數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)單元實(shí)現(xiàn)的時(shí)鐘信號生成器，其特征在于， 對于選定的參照對，其延遲時(shí)間比與基準(zhǔn)延時(shí)單元的絕對延遲時(shí)間之間在給定的溫度和電 壓范圍內(nèi)存在良好的擬合關(guān)系。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用全數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)單元實(shí)現(xiàn)的時(shí)鐘信號生成器，其特征在于， 所述控制碼映射器首先根據(jù)估計(jì)的延時(shí)比以及參照對的延時(shí)比與基準(zhǔn)延時(shí)單元絕對延時(shí) 之間的關(guān)系，求出當(dāng)前條件下基準(zhǔn)單元的絕對延時(shí)；之后，根據(jù)求出的基準(zhǔn)單元的絕對延 時(shí)、目標(biāo)頻率以及所述數(shù)字控制振蕩器的控制方式生成相應(yīng)的控制碼。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用全數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)單元實(shí)現(xiàn)的時(shí)鐘信號生成器，其特征在于， 所述數(shù)字控制振蕩器的基本延時(shí)單元與所述延時(shí)比估計(jì)器的基準(zhǔn)延時(shí)單元是相同的，不同 的控制碼能夠選擇將不同個(gè)數(shù)的基準(zhǔn)延時(shí)單元接入振蕩回路中，從而產(chǎn)生不同的振蕩頻 率。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用全數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)單元實(shí)現(xiàn)的時(shí)鐘信號生成器，其特征在于， 所述數(shù)字控制振蕩器的輸出信號的頻率是由輸入的控制碼進(jìn)行控制的，不同的控制碼對應(yīng) 著不同的輸出信號頻率，因此能夠通過調(diào)節(jié)控制碼的大小調(diào)節(jié)輸出信號的頻率。
【文檔編號】H03K5/135GK104320136SQ201410612075
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年11月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月4日
【發(fā)明者】黑勇, 王晨光, 喬樹山, 趙慧冬 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所