[0002] 本申请要求在美国
专利和商标局提交的非临时申请第14/991,790号的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
[0003] 本公开的各方面一般地涉及
振荡器或信号发生器，并且更具体地涉及一种用于
电源电压监测或其他目的的温度补偿信号发生器。
背景技术
[0004] 通常，存在这样的情况，其中应当监测来自电源(例如，
电池、电压调节器等)的直流(DC)电源电压以检测电源电压的异常并且执行一些校正动作(例如，提供警告，禁用一个或多个
电路，等等)。异常的一些示例包括过电压状况、欠电压状况、电压毛刺(glitch)(有意和无意)等。
[0005] 为了检测异常而用于监测电源电压的典型电路包括振荡器(例如，环形振荡器)和
频率到数字转换器(FDC)。振荡器生成频率是电源电压的函数的振荡信号。例如，振荡信号的频率可以分别随着电源电压的增大或减小而增大或减小。FDC基于由振荡器生成的振荡信号的频率来生成指示电源电压的数字输出码或值。通过监测由FDC产生的数字输出码，可以检测异常(例如，过压状况、欠压状况、电压毛刺等)。
[0006] 为了使电源电压监测电路准确地操作，振荡信号的频率在电路的操作温度范围内不应当显著变化。否则，操作范围内的显著温度变化可能会被误解为电源电压的异常。因此，需要对由用于电源电压监测或其他目的的振荡器生成的振荡信号的频率进行温度补偿。
发明内容
[0007] 下面给出一个或多个
实施例的简要概述以便提供对这样的实施例的基本理解。该概述不是所有预期实施例的广泛综述，并且既不旨在标识所有实施例的关键或紧要元件，也不旨在界定任何或全部实施例的范围。其唯一目的是以简化的形式呈现一个或多个实施例的一些概念，作为稍后呈现的更详细描述的序言。
[0008] 本公开的一方面涉及一种装置，其包括：振荡器，被配置为生成振荡信号；以及绝对温度互补(CTAT)
电流发生器，被配置为向振荡器提供绝对温度互补(CTAT)电流以补偿该振荡信号的频率。
[0009] 本公开的另一方面涉及一种方法，其包括：生成振荡信号；以及提供绝对温度互补(CTAT)电流以温度补偿该振荡信号的频率。
[0010] 本公开的另一方面涉及一种装置，其包括：用于生成振荡信号的部件；以及用于提供绝对温度互补(CTAT)电流以温度补偿该振荡信号的频率的部件。
[0011] 为了实现前述和相关目的，一个或多个实施例包括下文中全面描述并且在
权利要求中特别指出的特征。以下描述和
附图详细阐述了一个或多个实施例的某些说明性方面。然而，这些方面指示各种实施例的原理可以被采用的各种方式中的一些方式，并且描述实施例旨在包括所有这样的方面及其等同物。
附图说明
[0012] 图1示出了根据本公开的一方面的包括用于监测和响应于存在于外部和内部电源电压Vcc和Vdd中的异常的电路的示例性装置的
框图。
[0013] 图2示出了根据本公开的另一方面的用于监测电源电压的示例性装置的框图。
[0014] 图3示出了根据本公开的另一方面的由示例性电源电压监测装置基于电源电压Vcc(x轴)生成的数字输出码(y轴)的曲线图。
[0015] 图4示出了根据本公开的另一方面的示例性信号发生器的框图。
[0016] 图5示出了根据本公开的另一方面的另一示例性信号发生器的示意图。
[0017] 图6示出了根据本公开的另一方面的又一示例性信号发生器的框图。
[0018] 图7示出了根据本公开的另一方面的再一示例性信号发生器的示意图。
[0019] 图8示出了根据本公开的另一方面的示例性绝对温度互补(CTAT)电流发生器的示意图。
[0020] 图9示出了根据本公开的另一方面的生成信号的示例性方法的
流程图。
具体实施方式
[0021] 以下结合附图阐述的详细描述旨在作为对各种配置的描述，并不旨在表示可以实践本文中描述的概念的唯一配置。详细描述包括具体细节以用于提供对各种概念的透彻理解的目的。然而，对于本领域技术人员来说很清楚的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践这些概念。在一些情况下，为了避免混淆这样的概念，以框图形式示出了公知的结构和组件。
[0022] 图1示出了根据本公开的一方面的包括用于监测和响应于存在于外部和内部电源电压Vcc和Vdd中的异常的电路的示例性装置100的框图。作为电源电压异常的示例，攻击者可能有意地引入毛刺(例如，电源电压Vcc的快速上升或下降)以实现使用电源电压Vcc进行供电的一个或多个电路的操作中的故障。应当理解，其他类型的异常(例如，过压状况、欠压状况等)可以通过装置100采用的电路来被检测。
[0023] 特别地，装置100包括被配置为接收外部电源电压Vcc的电压调节器120。电压调节器120通过处理(例如，调节、滤波等)外部电源电压Vcc来生成内部电源电压Vdd。内部电源电压Vdd被施加到一个或多个电路140(通常是负载)，使得该一个或多个电路可以执行其预期操作。
[0024] 如所讨论，攻击者可以将电压毛刺引入到外部电源电压Vcc中，以便在一个或多个电路140的操作中产生故障。虽然电压调节器120通过其调节和滤波能
力可以防止一些毛刺产生在内部电源电压Vdd中，但是电压调节器120可能不能阻止所有毛刺结束于内部电源电压Vdd中。
[0025] 因此，装置100进一步包括输入毛刺检测器110和输出毛刺检测器130。输入毛刺检测器110被配置为检测外部电源电压Vcc中的一个或多个毛刺。输出毛刺检测器130被配置为检测内部电源电压Vdd中的一个或多个毛刺。
[0026] 装置100进一步包括响应器150，其被配置为基于由输入毛刺检测器110和/或输出毛刺检测器130对一个或多个毛刺的检测来执行一个或多个定义的操作。这样的操作可以包括发出警报，禁用一个或多个电路140，以及/或者执行其他校正动作。
[0027] 图2示出了根据本公开的另一方面的用于监测电源电压的示例性装置200的框图。电源电压装置200可以是先前讨论的任何毛刺检测器110和130的示例性详细实现。特别地，装置200包括信号发生器210和频率到数字转换器(FDC)220。可以被配置作为环形振荡器的信号发生器210生成信号(例如，基本上方波信号)，该信号的频率根据外部电源电压Vcc(或Vdd，如果耦合到内部电源电压)而变化。
[0028] FDC 220接收该信号并且生成作为该信号的频率的函数的数字输出码(DOC)。因此，由于DOC是该信号的频率的函数，并且该信号的频率是电源电压Vcc的函数，DOC是电源电压Vcc的函数(例如，DOC＝Fcn(freq)＝Fcn(Vcc))。装置200可以通过监测DOC来检测毛刺，以根据毛刺定义来确定电源电压是否已经快速改变。
[0029] 图3示出了根据本公开的另一方面的由电源电压监测装置200基于电源电压Vcc(x轴)生成的数字输出码(DOC)(y轴)的曲线图。如曲线图所示，给定针对装置200的特定操作温度，DOC随着电源电压Vcc非线性地增加。
[0030] 关于DOC随着温度的变化，在电源电压Vcc的较低值处，DOC随着温度增加(例如，DOC具有
正温度系数)。这是因为在该电源电压区域中，在信号发生器210(例如，环形振荡器)中使用的FET的
阈值电压Vth随着温度支配DOC的值。当Vth随着温度的升高而降低时，DOC(例如，由环形振荡器210生成的信号的频率)增加。相反，当Vth随着温度的降低而增加时，DOC或信号的频率降低。也就是说，在这个较低的电源电压范围内，由信号发生器生成的振荡信号的频率具有正温度系数。
[0031] 在电源电压Vcc的较高值处，信号发生器210(例如，环形振荡器)的FET中的载流子的迁移率随着温度而占主导地位。因此，当载流子的迁移率随着温度的升高而降低时，DOC(例如，由环形振荡器210生成的信号的频率)降低。相反，当载流子的迁移率随着温度的降低而增加时，DOC或信号的频率降低。也就是说，在这个较高的电源电压范围内，由信号发生器生成的振荡信号的频率具有负温度系数。
[0032] 基于该曲线图，期望信号发生器210(例如，环形振荡器)在电源电压Vcc的较低区域中操作以降低功耗；在这种情况下，由信号发生器210生成的信号的频率具有正温度系数。
[0033] 图4示出了根据本公开的另一方面的示例性信号发生器400的框图。信号发生器400可以是先前讨论的信号发生器210的一个示例性详细实现。特别地，信号发生器400包括振荡器410和电源电压发生器420。
[0034] 振荡器410可以被配置作为环形振荡器。例如，振荡器410包括奇数整数N个级联的
反相器I1至IN。除了最后的反相器IN之外，每个反相器的输出耦合到下一或跟随的反相器的输入。最后的反相器IN的输出被反馈到第一反相器I1的输入。振荡器410被配置为在最后的反相器IN的输出(并且更一般地，在反相器I1至IN中的每一个的输出)处生成振荡信号。由环形振荡器410生成的振荡信号的频率可以由1/(2*D*N)给出，其中D是反相器I1至IN中的每一个的信号传播延迟，并且N是环形振荡器中的反相器的数目。
[0035] 电源电压发生器420基于输入电源电压(Vcc-Vss)针对环形振荡器410生成电源电压(V+-V-)。例如，电源电压分量V+和V-分别被施加到环形振荡器410的第一电压轨和第二电压轨。输入电源电压分量Vcc和Vss分别被施加到电源电压发生器420的第一电压轨和第二电压轨。
[0036] 作为示例，电源电压发生器420被配置为生成降低的电源电压(V+-V-)使得环形振荡器410被配置为在如关于在图3中描绘的曲线图而讨论的阈值电压Vth主导的温度区域中操作。在这样的区域中，由环形振荡器410生成的振荡信号的频率具有正温度系数。也就是说，随着温度升高，振荡信号的频率增加；并且随着温度降低，振荡信号的频率降低。
[0037] 作为示例，提供给电源发生器420的电源电压(Vcc-Vss)可以处于如下电压区域：如果电源电压(Vcc-Vss)要被直接施加到环形振荡器410的电压轨，则该电压区域将导致环形振荡器410在迁移率主导的温度区域中操作。作为示例，电源电压(Vcc-Vss)可以在1.0V处。电源电压发生器420生成降低的电源电压(V+-V-)使得环形振荡器410被配置为在阈值电压Vth主导的温度区域中操作。例如，降低的电源电压可以在0.7V处。
[0038] 因此，通过使用电源电压发生器420来针对环形振荡器410提供减小的电源电压(V+-V-)，环形振荡器被配置为生成具有频率的信号，该频率随着温度具有更加可预测的变化(例如，正温度系数)。由于频率随着温度的变化是更加可预测的，通过提供抵消频率随着温度的可预测变化的温度影响参数，可以实现对频率的温度补偿。
[0039] 如本文中进一步更详细讨论，如果通过使用降低的电源电压(V+-V-)，环形振荡器410具有生成拥有具有正温度系数的频率的信号的趋势，
温度补偿电路提供另一参数使得环形振荡器具有生成具有负温度系数的信号的趋势。负温度系数可以被配置为在定义的操作温度上基本上等于正温度系数使得环形振荡器在该定义的操作温度上生成温度补偿的信号。
[0040] 图5示出了根据本公开的另一方面的另一示例性信号发生器500的示意图。信号发生器500可以是先前讨论的信号发生器400的详细实现的一个示例。与信号发生器400一样，信号发生器500的第一方面是用于配置施加到环形振荡器的电源电压使得环形振荡器在阈值电压Vth主导的温度相关性区域中操作。
[0041] 在这点上，信号发生器500包括具有由晶体管对M11-M12、M21-M22、M31-M32至MN1-MN2指示的一组反相器的环形振荡器510，其中N是奇数整数。每对晶体管
串联耦合在第一电源电压轨V+与第二电源电压轨V-之间。上部FET M11至MN1可以被配置作为p
沟道金属
氧化物
半导体(PMOS)
场效应晶体管(FET)(本文中称为“PMOS”)。下部FET M12至MN2可以被配置作为n沟道金属氧化物半导体(NMOS)FET(本文中称为“NMOS”)。
[0042] 每个反相器的输出(在相应的PMOS-NMOS对的漏极处)耦合到跟随的相邻反相器的输入(在跟随的相邻反相器的相应的PMOS-NMOS对的栅极处)。最后的反相器(MN1-MN2)的输出耦合到第一反相器(M11-M12)的输入。
[0043] 信号发生器500进一步包括电源电压发生器520，其被配置为基于第三电源电压和第四电源电压(例如，Vcc和Vss)来生成第一电源电压V+和第二电源电压V-。电源电压发生器520包括串联耦合在第三电压轨Vcc与第一电压轨V+之间的PMOS M01和M02。电源电压发生器520进一步包括串联耦合在第二电压轨V-与第四电压轨Vss之间的NMOS M03和M04。PMOS M01和M02的栅极都耦合到第二电压轨V-，并且NMOS M03和M04的栅极都耦合到第一电压轨V+。
[0044] 在操作中，PMOS M01和M02由于由环形振荡器510汲取的电流I1而产生IR损失，以从第三电源电压Vcc生成第一电压V+。类似地，NMOS M03和M04由于电流I1而产生IR损失，以从第二电源电压Vss生成第二电压V-。因此，跨反相器的电源电压(V+-V-)低于跨电源电压发生器520施加的电源电压(Vcc-Vss)。
[0045] 分别耦合到PMOS M01-M02和NMOS M03-M04的栅极的第一轨电压V+和第二轨电压V-调节电压V+和V-。例如，如果电压V+和V-增加到期望操作点以上，则较高电压V-控制PMOS M01-M02以增加其
电阻，并且较高电压V+控制NMOS M03-M04以降低其电阻。这具有降
低电压V+和V-使得这些电压在期望操作点处操作的效果。类似地，如果电压V+和V-降低到期望操作点以下，则较低电压V-控制PMOS M01-M02以降低其电阻，并且较低电压V+控制NMOS M03-M04以增加其电阻。这具有增加电压V+和V-使得这些电压在期望操作点处操作的效果。
[0046] 因此，用于环形振荡器510的有效电源电压V+和V-的减小引起环形振荡器消耗更少的功率，并且还引起环形振荡器操作在器件M11至MN2的阈值电压Vth主导的温度相关区域中。阈值电压Vth与温度成反比地变化，引起由环形振荡器510生成的信号的频率在与温度相同的方向上变化(例如，具有正温度系数)。
[0047] 图6示出了根据本公开的另一方面的另一示例性信号发生器600的框图。总之，类似于信号发生器400和500，信号发生器600包括电源电压发生器，其用于向环形振荡器提供电源电压以将振荡器配置为在阈值电压Vth主导的温度相关区域中操作，在该阈值电压Vth主导的温度相关区域中，由振荡器生成的信号的频率具有正温度系数。另外，信号发生器600包括绝对温度互补(CTAT)电流发生器，其被配置为针对环形振荡器生成绝对温度互补(CTAT)电流以抵消信号的频率的正温度系数。
[0048] 特别地，信号发生器600包括环形振荡器610、电源电压发生器620和CTAT电流发生器630。电源电压发生器620针对环形振荡器610生成电源电压(V+，V-)。电源电压(V+，V-)将环形振荡器610配置为在阈值电压Vth主导的温度相关区域中操作，在该阈值电压Vth主导的温度相关区域中，由振荡器生成的信号的频率具有正温度系数。电源电压发生器620基于另一电源电压(Vcc，Vss)生成电源电压(V+，V-)。这样，环形振荡器610从电源发生器620汲取电流I1。
[0049] CTAT电流发生器630生成具有负温度系数的电流ICTAT。电流ICTAT通过其电压轨被供应给环形振荡器610。因此，除了由电源电压发生器620供应给环形振荡器610的电流I1之外，ICTAT被提供给环形振荡器610以对由环形振荡器生成的信号的频率进行温度补偿。
[0050] 例如，提供给环形振荡器610的电流ICTAT的量倾向于增加由振荡器生成的信号的频率。例如，供应给环形振荡器610的电流ICTAT越大，由环形振荡器生成的信号的频率的增加越大。相反，供应给环形振荡器610的电流ICTAT越小，由环形振荡器生成的信号的频率的增加越小。
[0051] 温度补偿如下操作。在不向环形振荡器610供应电流ICTAT的情况下，环形振荡器生成频率具有正温度系数的信号。因此，温度的升高产生信号频率的增加，而温度的降低产生信号频率的降低。
[0052] 通过向环形振荡器610供应电流ICTAT，温度的升高产生被供应给振荡器的较小电流ICTAT，这个较小电流ICTAT具有降低频率的趋势以抵消由于阈值电压Vth变化而引起的频率随着温度增加的趋势。相反，温度的降低产生被供应给振荡器的较大电流ICTAT，这个较大电流ICTAT具有增加频率的趋势以抵消由于阈值电压Vth变化而引起的频率随着温度降低的趋势。
[0053] 因此，通过使用CTAT电流发生器630，由环形振荡器610生成的信号的频率可以得到温度补偿(例如，与不向环形振荡器供应ICTAT电流的电路相比，随着温度的变化较小)。
[0054] 图7示出了根据本公开的另一方面的另一示例性信号发生器700的示意图。信号发生器700可以是先前讨论的信号发生器600的详细实现的一个示例。类似于信号发生器600，信号发生器700包括环形振荡器710和用于针对环形振荡器710生成轨道电压V+和V-的电源电压发生器720。利用轨道电压V+和V-，由环形振荡器710生成的信号的未进行温度补偿的频率在与温度相同的方向上变化(例如，具有正温度系数)。
[0055] 环形振荡器710可以类似于先前讨论的环形振荡器410和510来配置。电源电压发生器720可以类似于先前讨论的电源电压发生器520来配置。
[0056] 信号发生器700包括具有第一电流源732和第二电流源734的CTAT电流发生器730。第一电流源732耦合在第三电压轨Vcc与第一电压轨V+之间。第一电流源732被配置为生成绝对温度互补(CTAT)电流ICTAT。类似地，第二电流源734耦合在第二电压轨V-与第四电压轨Vss之间。第二电流源734被配置为生成CTAT电流ICTAT。
[0057] 温度补偿如下操作：通过向环形振荡器710供应电流ICTAT，温度的升高产生被供应给振荡器的较小电流ICTAT，这个较小电流ICTAT具有降低频率的趋势以抵消由于阈值电压Vth变化而引起的频率随着温度增加的趋势。相反，温度的降低产生被供应给振荡器的较大电流ICTAT，这个较大电流ICTAT具有增加频率的趋势以抵消由于阈值电压Vth变化而引起的频率随着温度降低的趋势。
[0058] 图8示出了根据本公开的另一方面的示例性温度补偿电路800的示意图。电路800包括具有与NMOS M0串联耦合在第一电压轨Vcc与第二电压轨Vss(例如，接地)之间的
电阻器R0的
偏置电路。NMOS M0的栅极和漏极耦合在一起使得偏置电路生成基本上恒定的电流IBIAS。
[0059] 电路800进一步包括被配置为具有与NMOS M0相同的栅极到源极电压的NMOS M2的形式的
电流镜。因此，电流镜产生通过PMOS M1和NMOS M2的与IBIAS相关(如果M2和M0具有基本上相同的尺寸则基本上相同，或者以M2的尺寸与M0的尺寸的比例被缩放)的电流。通过PMOS M1的电流对器件M1进行偏置以使其以亚阈值栅极到源极电压(Vgs)(例如，Vgs
[0060] 相同的Vgs电压也跨越电阻器R1，其产生通过电阻器R1的与PMOS M1的Vgs成比例的中间电流ICTATi。因此，中间电流ICTATi具有负温度系数。中间电流ICTATi经由NMOS M3和M4的电流镜配置来被镜像以生成通过PMOS M5的电流ICTAT。通过PMOS M5和NMOS M4的电流被镜像以生成分别通过PMOS M6和M7的ICTAT电流。如前所述，通过PMOS M6和NMOS M7的电流ICTAT是注入电流以对由环形振荡器610和710生成的信号的频率进行温度补偿。
[0061] PMOS M5和NMOS M4和M3作为
负反馈网络操作以稳定中间电流ICTATi。电阻器RZ和电容器CC也通过防止中间电流ICTATi的快速变化来稳定中间电流ICTATi。
[0062] 图9示出了根据本公开的另一方面的生成信号的示例性方法900的流程图。方法900包括生成振荡器信号(框902)。如前所述，本文中描述的环形振荡器是用于生成振荡信号的部件的示例。
[0063] 方法900进一步包括提供绝对温度互补(CTAT)电流以对振荡信号的频率进行温度补偿(框904)。如前所述，本文中描述的CTAT电流发生器或温度补偿电路是用于提供绝对温度互补(CTAT)电流以对振荡信号的频率进行温度补偿的部件的示例。
[0064] 提供本公开的先前描述是为了使得本领域任何技术人员能够制作或使用本公开。对于本领域技术人员来说，对本公开的各种
修改将是显而易见的，并且在不脱离本公开的精神或范围的情况下，本文中定义的一般原理可以应用于其他变型。因此，本公开不旨在限于本文中描述的示例，而是符合与本文中公开的原理和新颖特征相一致的最宽范围。
