用于生成時鐘信號的裝置制造方法
【專利摘要】本申請公開了一種用于生成時鐘信號的裝置。該裝置可以包括：微機電系統(tǒng)(MEMS)振蕩器，該MEMS振蕩器包括MEMS共振器和MEMS振蕩器維持電路，所述MEMS振蕩器提供MEMS振蕩器輸出信號；以及數字鎖定回路，被耦聯(lián)以接收所述MEMS振蕩器輸出信號和期望的頻率比，以及提供數字鎖定回路輸出信號，其中所述數字鎖定回路輸出信號的頻率對應于MEMS振蕩器輸出信號與數字鎖定回路輸出信號之間的期望的頻率比。
【專利說明】 用于生成時鐘信號的裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及時鐘信號的生成，更具體地涉及利用MEMS振蕩器和數字鎖定回路來生成時鐘信號。
【背景技術】
[0002]圖1示出了一種用于生成具有期望的頻率的時鐘信號的方法，其利用N小數分頻合成器(fractional-N synthesizer) 101來生成期望的頻率。頻率設定被提供給sigmadelta調制器103，sigma delta調制器103為分頻器107生成分頻信號105。N小數分頻合成器的使用允許所生成的頻率(out(t))與參考頻率(ref(t))具有非整數的關系。
實用新型內容
[0003]在一個實施例中，提供了一種裝置,包括微機電系統(tǒng)(MEMS)振蕩器以提供MEMS振蕩器輸出信號；以及數字鎖定回路，其被耦聯(lián)以接收MEMS振蕩器輸出信號和期望的頻率t匕，以及提供數字鎖定回路輸出信號，其中所述數字鎖定回路輸出信號的頻率對應于MEMS振蕩器輸出信號與數字鎖定回路輸出信號之間的期望的頻率比。數字鎖定回路可以是全數字鎖相回路或者全數字鎖頻回路。該頻率比可以至少部分地作為溫度的函數來確定。
[0004]在另一實施例中，提供了一種方法，包括:在數字鎖定回路處接收MEMS振蕩器輸出信號；在數字鎖定回路處接收期望的頻率比；以及維持數字鎖定回路的輸出信號與MEMS振蕩器輸出信號之間的期望的頻率比。該方法可以進一步包括根據檢測到的溫度來調節(jié)頻率比。
[0005]在一個實施例中，提供了一種用于生成時鐘信號的裝置，其包括微機電系統(tǒng)(MEMS)振蕩器，該MEMS振蕩器包括MEMS共振器和MEMS振蕩器維持電路，MEMS振蕩器提供MEMS振蕩器輸出信號；以及數字鎖定回路，其被耦聯(lián)以接收MEMS振蕩器輸出信號和期望的頻率比，以及提供數字鎖定回路輸出信號，所述數字鎖定回路輸出信號的頻率對應于MEMS振蕩器輸出信號與數字鎖定回路輸出信號之間的期望的頻率比。
[0006]在一個實施例中，數字鎖定回路為鎖相回路。在一個實施例中，通訊接口被耦聯(lián)以向數字鎖定回路提供頻率比。
[0007]該裝置可以進一步包括集成電路晶片，其中MEMS振蕩器和數字鎖定回路設在該晶片上。
[0008]該裝置可以進一步包括用以提供溫度指示的溫度傳感器以及頻率比確定電路，所述頻率比確定電路被耦聯(lián)以接收溫度指示并且被構造成提供通過溫度指示調節(jié)的頻率比。
[0009]該裝置可以進一步包括非易失性存儲器，其被耦聯(lián)以向頻率比確定電路提供初始的頻率比。
[0010]該裝置可以進一步包括與頻率比確定電路耦聯(lián)的電壓控制輸入終端。
[0011]在一個實施例中，數字鎖定回路包括串聯(lián)回路濾波器和提供數字鎖定回路輸出信號的電壓控制振蕩器。[0012]在一個實施例中，數字鎖定回路進一步包括時間-數字電路，其被耦聯(lián)以接收電壓控制振蕩器的輸出以及接收MEMS振蕩器輸出信號，并且與回路濾波器的輸入耦聯(lián)，時間-數字電路被構造成提供對應于MEMS振蕩器輸出信號與數字鎖定回路輸出信號之間的相位差的數字表示，時間-數字電路包括計數器，其被耦聯(lián)以根據來自電壓控制振蕩器的數字鎖定回路輸出信號進行計數，并且包括鎖存器電路，其被耦聯(lián)以根據MEMS振蕩器輸出信號來鎖存計數器的計數值，該計數值對應于相位差。
[0013]在一個實施例中，數字鎖定回路進一步包括時間-數字電路，其被耦聯(lián)以接收電壓控制振蕩器的輸出，以及接收MEMS振蕩器輸出信號以提供對應于MEMS振蕩器輸出信號與數字鎖定回路輸出信號之間的相位差的數字表示，該時間-數字電路包括延遲線以提供數字鎖定回路輸出信號的多個相位，并且包括與延遲線電路耦聯(lián)的第二鎖存器電路。
[0014]在一個實施例中，數字鎖定回路進一步包括時間-數字電路，其被耦聯(lián)以接收電壓控制振蕩器的輸出以及接收MEMS振蕩器輸出信號，并且其被構造成提供對應于MEMS振蕩器輸出信號與數字鎖定回路輸出信號之間的相位差的數字表示，該時間-數字電路包括:被耦聯(lián)以根據來自數字鎖定回路的振蕩器電路的數字鎖定回路輸出信號進行計數的計數器；被耦聯(lián)以根據MEMS振蕩器輸出信號來鎖存計數器的計數值的鎖存器電路；脈沖生成電路，其用于生成分別對應于數字鎖定回路輸出信號的一個和兩個周期的第一和第二脈沖，以及生成具有介于數字鎖定回路輸出信號的一個和兩個周期之間的脈沖寬度的第三脈沖，所述脈沖寬度取決于數字鎖定回路輸出信號與MEMS振蕩器輸出信號之間的相位差；脈沖寬度-電壓轉換器電路，其被耦聯(lián)以接收第三脈沖，并且被構造成將第三脈沖轉換成電壓值；以及模數轉換器，其與脈沖寬度-電壓轉換器耦聯(lián)以將電壓值轉換成數字值，所述數字值與計數值結合以提供與數字鎖定回路輸出信號和MEMS振蕩器輸出信號之間的相位差對應的數值。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]通過參考附圖，除了可以更好地理解本實用新型之外，對于本領域技術人員而言，本實用新型的很多目的、特征及優(yōu)點將會變得顯而易見。
[0016]圖1示出了現有技術的N小數分頻合成器(fractional-N synthesizer)；
[0017]圖2示出了利用微機電系統(tǒng)(MEMS)振蕩器和數字鎖定回路的實施例；
[0018]圖3示出了其中頻率比確定電路具有各種可被用于確定期望的頻率比的輸入端的實施例；
[0019]圖4示出了其中數字鎖定回路以全數字鎖相回路(ADPLL)構造實現的實施例；
[0020]圖5示出了其中數字鎖定回路以全數字鎖頻回路(ADFLL)構造實現的實施例；
[0021]圖6示出了 ADPLL構造的實施例的一些附加細節(jié)；
[0022]圖7示出了 ADFLL構造的實施例的一些附加細節(jié)；
[0023]圖8示出了時間-數字轉換器電路的實施方式；
[0024]圖9示出了時間-數字轉換器電路的另一實施方式；
[0025]圖10示出了時間-數字轉換器電路的又一實施方式。
[0026]在不同附圖中使用相同的參考符號來指示類似或相同的部件。【具體實施方式】
[0027]參見圖2，圖2示出了一個利用微機電系統(tǒng)(MEMS)振蕩器201和數字鎖定回路203的實施例。MEMS—般指的是具有能夠運動的機械結構的裝置。MEMS通常在定時應用中被用作共振器。MEMS振蕩器201將MEMS共振器205與振蕩器電路及偏壓電路207結合以維持MEMS共振器的振蕩，以及在節(jié)點209處生成MEMS時鐘信號。MEMS振蕩器201和數字鎖定回路203可設置在單個集成電路上。
[0028]使用基于MEMS的振蕩器可允許MEMS振蕩器的特性在某些實施例中被利用。首先，MEMS振蕩器的制造可與CMOS制造工藝相兼容，并且其能夠與其它電路集成在同一基底上，從而實現低的制造成本和小的占用面積(footprint)。此外，MEMS振蕩器具有良好的長期穩(wěn)定性。MEMS振蕩器的一個缺點是它們容易出現短期穩(wěn)定性問題，這些問題反映在相位噪聲或抖動上。此外，某些MEMS振蕩器會受到溫度變化影響。
[0029]數字鎖定回路203可以是例如全數字鎖相回路(ADPLL)或全數字鎖頻回路(ADFLL)。數字鎖定回路在節(jié)點215處接收期望的頻率比。期望的頻率比代表了節(jié)點217上數字鎖定回路的輸出時鐘與節(jié)點209上MEMS振蕩器的輸出時鐘之間的期望比值。數字鎖定回路提供頻率為RXFmems的輸出時鐘，其中R為期望比值，Fmems Smems振蕩器時鐘信號的頻率。在很多應用中均要求R具有較大位數以便獲得足夠的分辨率，例如大于或等于28。
[0030]該比值可以作為溫度的函數進行調節(jié)。因此，如圖3中所示，溫度傳感器301可以提供檢測到的溫度，其被用于調節(jié)頻率比確定電路303中的頻率比。確定電路303可以提供例如查詢表功能以調節(jié)該比值。因此，溫度可以用作查詢表的索引來為已有的頻率比確定正確的溫度調節(jié)。溫度補償可以以代表溫度曲線的方程實施，并且一個或多個與特定溫度相關聯(lián)的變量可以存儲在存儲器中，并用于溫度補償。因此，在相對于溫度進行頻率補償時可以利用方程(例如五階補償曲線)來基于溫度調節(jié)頻率比。可替代地，也可以利用另一項溫度補償技術。計算或查詢邏輯可以通過訪問存儲器(未示出)來確定合適的比例因子。期望的頻率比確定電路303可以在例如已編程的微控制器、硬件或其組合中實現。
[0031]初始的期望頻率比可以從例如非易失性存儲器305或通訊接口 307提供。通訊接口可以為串行接口，其被用于提供比值以及將比值寫入寄存器(未示出)或NVM305。在一些實施例中，可以利用外部控制信號來進一步調節(jié)該比值。例如，在一個實施例中，在集成電路的外部引腳(電壓控制輸入終端)上提供了電壓控制信號VC309。該電壓可以被轉換成數字信號，其使得頻率比通過頻率比確定電路303按照與所提供電壓對應的正確增益因子來進行調節(jié)。或者，電壓控制信號VC309可以用來根據VC信號的電壓值設定和調節(jié)頻率t匕。溫度補償的使用允許數字鎖定回路輸出信號的溫度系數小于MEMS振蕩器輸出信號的溫度系數。因此，數字鎖定回路的輸出信號較不容易受到溫度變化影響。
[0032]參見圖4，數字鎖定回路203以全數字PLL結構示出。參見圖5，數字鎖定回路203以全數字FLL結構示出。圖6和7示出了 ADPLL和ADFLL結構的一些附加細節(jié)及它們之間的差異。ADPLL和ADFLL的回路增益可以是相同的。在一個實施例中，ADFLL具有額外的差分化電路。在任一結構中，回路濾波器增益(a，b)均可以動態(tài)地變化以加速啟動。在ADFLL中，由變化引起的瞬態(tài)較小。在一個實施例中，為了將ADPLL變換為ADFLL，在加法器705之前的兩路中插入差分元件701和703，并且在加法器之后插入積分器707。
[0033]在初始穩(wěn)定之后，ADPLL生成正確的頻率，所述頻率為通過積分器中的當前相位誤差和數值的增益“a”倍的貢獻之和。最后，積分器中填入正確的最終數值，并且不需要相位誤差來支持該正確的輸出頻率。但是在非常穩(wěn)定的系統(tǒng)中，該過程需要一段時間，因此如果目標是盡快穩(wěn)定下來并且“a”起初很高但在初始穩(wěn)定之后降低，則要利用不同的相位誤差來生成正確的輸出頻率。切換“a”會引起相位的瞬態(tài)，其引發(fā)頻率的瞬態(tài)，且需要一定時間才可以穩(wěn)定下來。
[0034]對于ADFLL，輸出頻率取決于最后的積分器的內容?！癰”的數值控制進入第一積分器中的增益，所述積分器保持代表需要的dFreq / dt加上噪聲的數值。就快速啟動而言，最初可以將“b”保持為零，其中第一積分器零輸出。因此當首次獲得正確的頻率時，回路濾波器的輸出為零，并且“a”可以自由切換而不會引發(fā)瞬態(tài)。應該注意，在各種實施例中，這兩個系統(tǒng)(ADFLL或ADPLL)中的任何一個均可以與MEMS振蕩器結合使用。
[0035]圖4-7中描述的每一個數字鎖定回路實施例中均包括時間-數字轉換器電路，其將兩個輸入時鐘之間的關系轉換為數字值。圖8示出了這種電路的一個實施方式，其包括由VCO時鐘(數字鎖定回路的VC0)操作的計數器801，以及用于獲取鎖存器803中的計數器內容的快照的參考時鐘邊沿(MEMS振蕩器時鐘)。
[0036]在某些情況下，可能期望獲得比從圖8的計數器實施例中可得到的更高的分辨率。圖9示出了一種方法，其能提供比通過圖8中那樣獲取快照所能得到的更高的分辨率。圖9的方法利用延遲鎖定回路(DLL)901。DLL901有效地建立大量VCO時鐘的等間隔相位(DLL輸出)，它們也被采樣。借助生成N個等間隔相位的DLL，分辨率有效地改善了 N倍，從而減少了因時間-數字轉換過程而產生的量化噪聲。這額外的分辨率與鎖存到鎖存器903中的計數器值結合以提供MEMS振蕩器(MEMS時鐘)的輸出與數字鎖定回路(VC0時鐘)的輸出之間的相位關系的數字表示905。獲取一串數值905的第一差值以提供MEMS時鐘與VCO時鐘之間的頻率比。然而，圖9的方法只提供有限的額外分辨率，這是因為最小的延遲可能還不夠小。圖9的方法的缺陷還包括運行通過DLL的高速VCO時鐘所需要的功率，以及由DLL中的小型設備的Monte Carlo失配造成的誤差。
[0037]圖10中不出的替換實施方式解決了與功率、失配和有限的額外分辨率相關的問題。數字電路1001將MEMS時鐘去亞穩(wěn)態(tài)(demetastabilize)到VCO時鐘域，其用于將計數器值從計數器1003鎖存到鎖存器1005。數字電路1001還生成三個不同的脈沖。頭兩個脈沖為VCO時鐘的單周期和雙周期寬脈沖。此外，數字電路1001生成第三個脈沖，該脈沖具有介于VCO時鐘的一個周期和兩個周期之間的寬度，其寬度取決于與MEMS時鐘相比VCO時鐘的相位。這些脈沖被提供給脈沖寬度-電壓轉換器電路1007，其將這三個脈沖轉換成三個相應的電壓值。模數轉換器(ADC) 1009利用以單周期和雙周期脈沖的積分作為低/高的參考，并且將根據VCO與MEMS時鐘之間的相位關系在一個周期和兩個周期之間變化的脈沖轉換成對應于額外的分辨率的數字值。在最小功率的實施方式中，模擬脈沖寬度-電壓轉換器(積分器)1007和ADC1009可以只在每次測量時進行加電，而在其它時候斷電。
[0038]因此，已經描述了各種利用MEMS振蕩器與數字鎖定回路組合的方法。在此對本實用新型的描述是說明性的，而不是為了限制本實用新型的范圍，本實用新型的范圍由下列的權利要求提出?；谠诖私o出的描述，可以對在此說明書中公開的實施例作出其它變型和修改，而不脫離在下列的權利要求中提出的本實用新型的范圍。
【權利要求】
1.一種用于生成時鐘信號的裝置，其包括: 微機電系統(tǒng)MEMS振蕩器，該MEMS振蕩器包括MEMS共振器和MEMS振蕩器維持電路，所述MEMS振蕩器提供MEMS振蕩器輸出信號；以及 數字鎖定回路，被耦聯(lián)以接收所述MEMS振蕩器輸出信號和期望的頻率比，以及提供數字鎖定回路輸出信號，其特征在于，所述數字鎖定回路輸出信號的頻率對應于MEMS振蕩器輸出信號與數字鎖定回路輸出信號之間的期望的頻率比。
2.如權利要求1所述的用于生成時鐘信號的裝置，其中所述數字鎖定回路為鎖相回路。
3.如權利要求1所述的用于生成時鐘信號的裝置，其進一步包括被耦聯(lián)以向數字鎖定回路提供所述頻率比的通訊接口。
4.如權利要求1所述的用于生成時鐘信號的裝置，其進一步包括集成電路晶片，其中所述MEMS振蕩器和所述數字鎖定回路設在該晶片上。
5.如權利要求1所述的用于生成時鐘信號的裝置，其進一步包括: 用以提供溫度指示的溫度傳感器；以及 頻率比確定電路，所述頻率比確定電路被耦聯(lián)以接收所述溫度指示并且被構造成提供通過所述溫度指示調節(jié)的所述頻率比。
6.如權利要求5所述的用于生成時鐘信號的裝置，其進一步包括非易失性存儲器，其被耦聯(lián)以向所述頻率比確定電路提供初始的頻率比。
7.如權利要求5所述的用于生成時鐘信號的裝置，其進一步包括與所述頻率比確定電路耦聯(lián)的電壓控制輸入終端。
8.如權利要求1所述的用于生成時鐘信號的裝置，其中所述數字鎖定回路進一步包括串聯(lián)回路濾波器和提供所述數字鎖定回路輸出信號的電壓控制振蕩器。
9.如權利要求8所述的用于生成時鐘信號的裝置，其中所述數字鎖定回路進一步包括: 時間-數字電路，其被耦聯(lián)以接收所述電壓控制振蕩器的輸出以及接收所述MEMS振蕩器輸出信號，并且與所述回路濾波器的輸入耦聯(lián)，該時間-數字電路被構造成提供對應于所述MEMS振蕩器輸出信號與所述數字鎖定回路輸出信號之間的相位差的數字表示，該時間-數字電路包括: 計數器，其被耦聯(lián)以根據來自所述電壓控制振蕩器的數字鎖定回路輸出信號進行計數；以及 鎖存器電路，其被耦聯(lián)以根據所述MEMS振蕩器輸出信號來鎖存所述計數器的計數值，該計數值對應于相位差。
10.如權利要求8所述的用于生成時鐘信號的裝置，其中所述數字鎖定回路進一步包括: 時間-數字電路，其被耦聯(lián)以接收所述電壓控制振蕩器的輸出，以及接收所述MEMS振蕩器輸出信號，該時間-數字電路被構造成提供對應于所述MEMS振蕩器輸出信號與所述數字鎖定回路輸出信號之間的相位差的數字表示，該時間-數字電路包括: 延遲線，其用于提供所述數字鎖定回路輸出信號的多個相位；以及 第二鎖存器電路，其與所述延遲線電路耦聯(lián)。
11.如權利要求8所述的用于生成時鐘信號的裝置，其中所述數字鎖定回路進一步包括: 時間-數字電路，其被耦聯(lián)以接收所述電壓控制振蕩器的輸出以及接收所述MEMS振蕩器輸出信號，該時間-數字電路被構造成提供對應于所述MEMS振蕩器輸出信號與所述數字鎖定回路輸出信號之間的相位差的數字表示，該時間-數字電路包括: 計數器，其被耦聯(lián)以根據來自所述數字鎖定回路的振蕩器電路的數字鎖定回路輸出信號進行計數；鎖存器電路，其被耦聯(lián)以根據所述MEMS振蕩器輸出信號來鎖存所述計數器的計數值；脈沖生成電路，其用于生成分別對應于所述數字鎖定回路輸出信號的一個和兩個周期的第一和第二脈沖，以及生成具有介于所述數字鎖定回路輸出信號的一個和兩個周期之間的脈沖寬度的第三脈沖，所述脈沖寬度取決于所述數字鎖定回路輸出信號與所述MEMS振蕩器輸出信號之間的相位差； 脈沖寬度-電壓轉換器電路，其被耦聯(lián)以接收所述第三脈沖，并且被構造成將所述第三脈沖轉換成電壓值； 模數轉換器，其與所述脈沖寬度-電壓轉換器耦聯(lián)以將所述電壓值轉換成數字值，所述數字值與所述計數值結合以提供與所述數字鎖定回路輸出信號和所述MEMS振蕩器輸出信號之間的相位差對應的數值。
【文檔編號】H03L7/06GK203492005SQ201320318498
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年6月4日 優(yōu)先權日:2012年6月4日
【發(fā)明者】杰弗里·L·商塔格 申請人:硅谷實驗室公司