一種新型低功耗上電復(fù)位電路設(shè)計(jì)
引言
現(xiàn)今,POR（上電復(fù)位）電路被廣泛應(yīng)用于電源上電或掉電重啟時(shí)，對鎖存器、寄存器、觸發(fā)器等具有記憶功能的模塊進(jìn)行初始狀態(tài)的設(shè)定,從而確保系統(tǒng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。由于POR電路的可靠性關(guān)系到系統(tǒng)能否正常工作,故在系統(tǒng)芯片中嵌入高可靠性的POR電路是非常有必要的。同時(shí)，由于工藝和設(shè)計(jì)水平的不斷提高，系統(tǒng)的開發(fā)也朝著低壓低功耗方向發(fā)展，這就不可避免地對POR電路的設(shè)計(jì)提出了高可靠性和低功耗的要求。
基本的上電復(fù)位電路有兩種：一種是采用RC結(jié)構(gòu)，通過電容充放電原理來實(shí)現(xiàn)；另外一種釆用較為復(fù)雜的基準(zhǔn)源一比較器結(jié)構(gòu)，由比較器電路來控制復(fù)位電平的產(chǎn)生。前者存在電路適用范圍小、復(fù)位可靠性低的缺點(diǎn)，而后者存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功耗偏大的缺點(diǎn)。因此，兩種基本的上電復(fù)位電路都不能滿足高可靠性和低功耗的要求。
為了解決POR電路的可靠性和功耗間的矛盾，本文設(shè)計(jì)了一種新型低功耗POR電路。該電路采用低功耗設(shè)計(jì)技術(shù),并利用反相器、電流鏡等簡單電路結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)對電源快速、慢速啟動均可產(chǎn)生正確的復(fù)位信號，同時(shí)對下拉電壓設(shè)置了滯回電壓，從而實(shí)現(xiàn)了良好的復(fù)位功能和較低的功耗。整個(gè)電路的電源電流消耗典型值僅為2.8μA。
1 電路分析
新型低功耗POR電路如圖1所示。該電路可以分為以下幾部分：其中M1、M2管構(gòu)成啟動電路部分；M3、M4、M5、M6管以及反相器I1,構(gòu)成等效施密特觸發(fā)器結(jié)構(gòu);M7管和電容C用于完成快速啟動時(shí)的復(fù)位功能;反相器I3、I4構(gòu)成邏輯整形部分。
圖1中，電源電壓VDO從0開始上升時(shí)，M1、M2管工作在亞閾區(qū)，A點(diǎn)電壓線性升高，B點(diǎn)電壓不斷降低。當(dāng)B點(diǎn)電壓降低到反相器I1的翻轉(zhuǎn)閾值時(shí)，反相器I1翻轉(zhuǎn)，C點(diǎn)電位變?yōu)楦唠娖?，?jīng)過反相器I2，M8、M9管以及反相器I3、I4的邏輯整形輸出信號POR開始跟隨VDD。至此，便可完成POR電壓的上拉過程。
之后,VDD繼續(xù)升高，當(dāng)VDD大于M1管的閾值電壓絕對值時(shí),M1、M2管進(jìn)入飽和區(qū)。此時(shí)，流過M1、M2管的電流為：
由于流過M1、M2管的電流相等，忽略溝道長度調(diào)制因子，由式(1).(2)可得A點(diǎn)電壓為：
隨著VDD繼續(xù)上升,M3管進(jìn)入飽和區(qū)，B點(diǎn)電壓升高。當(dāng)B點(diǎn)電壓VB達(dá)到反相器I1的翻轉(zhuǎn)電壓VM時(shí),反相器L發(fā)生翻轉(zhuǎn)，C點(diǎn)電位變?yōu)檫壿嫷碗娖?/span>,M6管關(guān)閉，通過邏輯整形,POR電壓被迅速拉低，至此便完成了系統(tǒng)復(fù)位功能。該點(diǎn)對應(yīng)的VDD電壓為下拉電壓。此時(shí)M3、M4、M5工作在飽和區(qū),M6管等效為開關(guān)管，流過M3、M4、M5管的電流為：
其中，χ可取4,5。
在VDD等于下拉電壓時(shí),VB等于Vm,M6管開啟，流過M3管的電流等于流過M4管和M5管電流之和，忽略溝道長度調(diào)制效應(yīng)，由以上公式可近似得出下拉電壓為：
由式(6)可以看出，下拉電壓僅與M1、M2、M3、M4、M5的(W/L)和VTH有關(guān)。
當(dāng)VDD從正常工作電壓開始下降時(shí),B點(diǎn)電壓較高,C點(diǎn)電位為邏輯低電平，M6管關(guān)斷。VDD如繼續(xù)下降，B點(diǎn)電壓降低到VM,反相器I1發(fā)生翻轉(zhuǎn),C點(diǎn)電壓升高，經(jīng)過邏輯整形，輸出信號POR跟隨VDD。此時(shí),M3、M4處于飽和區(qū)，M6截止，由式(3)、式(5)近似可得到VDD下降時(shí)的下拉電壓為：
為防止電源上電時(shí)的噪聲電壓影響上電復(fù)位電路的可靠性，該電路通過反相器I1、M5和M6管可實(shí)現(xiàn)下拉電壓的遲滯。由式(6),(7)可得POR滯回電壓VR為：
VR=VT2—VT3 (8)
此外,本電路對電源電壓在快速啟動情況下的上電復(fù)位功能進(jìn)行了補(bǔ)充。當(dāng)VDD為快速上電時(shí)，啟動電路部分尚未開始工作，這時(shí)VDD對電容C充電，使得M7管漏端電壓迅速上升,POR迅速變?yōu)楦唠娖?。?dāng)啟動電路部分開始工作，并使M7管打開，此時(shí)電容下極板上的電荷開始被M7構(gòu)成的電流源抽取，該點(diǎn)電壓下降，從而使得POR恢復(fù)為低電平，從而完成了快速啟動情況下的復(fù)位過程。
2 電路仿真及分析
本文設(shè)計(jì)的上電復(fù)位電路可采用0.5μmCMOS工藝實(shí)現(xiàn),并利用HSPICE作為仿真工具。在該電路的仿真中，我們主要關(guān)心它的下拉電壓、滯回電壓以及Step Response條件下的復(fù)位脈寬。
2.1 下拉電壓的仿真
用瞬態(tài)分析法，當(dāng)電源電壓在10ms時(shí)間內(nèi)由0變?yōu)樽罡咧禃r(shí)，可觀察輸出復(fù)位信號POR起拉及下拉電壓點(diǎn)，其瞬態(tài)仿真波形圖如圖2所示。由波形可以看出，A點(diǎn)即為起拉電壓點(diǎn)，B點(diǎn)為下拉電壓點(diǎn)。
2.2 電壓滯回的仿真
在電源電壓下降的過程中，當(dāng)其低于再次產(chǎn)生復(fù)位高電平的閾值點(diǎn)時(shí)，輸出信號POR將再次產(chǎn)生一個(gè)邏輯“1”電平,為了防止振蕩，應(yīng)在電路中設(shè)置典型值為150mV的電壓滯回。在典型條件下的POR滯回仿真曲線如圖3所示。圖3中,A曲線為VDD從0?3.6V的正向DC掃描曲線,B曲線為VDD從3.6V~0的反向DC掃描曲線，由仿真波形可以看出，兩曲線下拉電壓存在150mV的滯回電壓。
2.3 復(fù)位脈寬的仿真
StepResponse條件下的復(fù)位脈寬的仿真時(shí)，給電源電壓加-快速階躍信號(Tr=10ns),然后檢測輸出信號POR的復(fù)位功能及其高電平復(fù)位脈寬。圖4所示為在典型條件下的脈寬仿真曲線。
2.4 容差結(jié)果及版圖
為了保證電路在所有工藝和外部環(huán)境條件下都能正確工作,在設(shè)計(jì)中應(yīng)對電路進(jìn)行容差分析。在對下拉電壓的容差分析中，對正、反兩個(gè)方向的VDD進(jìn)行直流掃描。分別對一40°C、0°C、25°C,85°C四個(gè)溫度點(diǎn)時(shí)所有45種工藝模型下的容差進(jìn)行仿真的結(jié)果如表1和表2所列。
對快速啟動情況下的復(fù)位脈寬的仿真同樣可在-40°C、0笆、25°C,85°C四個(gè)溫度點(diǎn)，以及3V,3.6V,5V,5.5V四個(gè)電源電壓和所有45種工藝模型條件下完成，其仿真結(jié)果如表3所列。
通過以上的典型功能仿真分析和容差分析結(jié)果可以看出，本文設(shè)計(jì)的上電復(fù)位電路可以滿足上電復(fù)位功能要求，并在所有工藝條件和外部信號條件下均能產(chǎn)生可靠的復(fù)位信號。
圖5給出了該電路的版圖部分，為便于調(diào)整快速啟動時(shí)的復(fù)位脈寬，在版圖設(shè)計(jì)中預(yù)留了與設(shè)計(jì)值相同大小的備用電容。
3 結(jié)論
根據(jù)低功耗電路的設(shè)計(jì)要求，本文設(shè)計(jì)了一種新型的高性能、低功耗上電復(fù)位電路，該電路結(jié)構(gòu)簡單,具有較高的復(fù)位可靠性,典型條件下的電源電流消耗僅為2.8μA,因而具有極低的功率損耗。此外，電路也解決了以往同類電路設(shè)計(jì)中存在的功耗和可靠性的矛盾。目前該電路已經(jīng)成功應(yīng)用于一款電源IC的設(shè)計(jì)中。
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