一種具有長復(fù)位延時的上電復(fù)位電路的設(shè)計

楊 潔，李陽軍，黃海深，楊艷軍

(1.遵義師范學(xué)院 物理與機電工程學(xué)院,貴州 遵義 563002；2.湖南大學(xué) 物理與微電子科學(xué)學(xué)院,湖南 長沙 410082)

0 引言

隨著CMOS IC的發(fā)展，片上集成系統(tǒng)(SoC)的集成度越來越高，功能越來越復(fù)雜，模擬系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)通常集成在同一塊芯片上，并且采用統(tǒng)一的電源供電.當(dāng)電源上電的時候，需要一個復(fù)位信號來初始化數(shù)字電路中的存儲單元，如數(shù)字寄存器、模擬電路中積分器等，以確保整個芯片進入正常的工作狀態(tài).此外，芯片工作過程中電源電壓過低時，也需要復(fù)位信號來防止芯片工作在不正常狀態(tài).因此上電復(fù)位電路(POR)是SoC中不可缺少的組成部分.目前關(guān)于上電復(fù)位電路的文獻中，大部分研究集中于降低功耗以及低壓應(yīng)用.文獻[1]提出了一種應(yīng)用于低壓的上電復(fù)位電路，文獻[2-4]提出了零穩(wěn)態(tài)電流的上電復(fù)位電路.但是這些文獻中的復(fù)位延時一般都小于1 ms.而在一些應(yīng)用場合[5]，由于電源上電較慢或者系統(tǒng)中存在振蕩器等模塊，需要上電復(fù)位電路提供幾十甚至上百毫秒的復(fù)位延時.文獻[6]提出了一種具有長復(fù)位延時的上電復(fù)位電路，復(fù)位延時可達100 ms以上，且用于延時的電容只有pF級，但是復(fù)位延時隨溫度變化很大，達到30%以上，這對于工作環(huán)境溫度變化比較大的芯片來說，是非常不利的.因此本文基于文獻[6]的研究，在上電復(fù)位電路中通過采用基準(zhǔn)電流源，使得復(fù)位延時隨溫度的變化小于10%，大大降低了復(fù)位延時隨溫度的變化，提高的電路的溫度特性.

1 電路的分析與設(shè)計

圖1是一個傳統(tǒng)的上電復(fù)位電路，由電阻R，電容C，二極管D以及脈沖產(chǎn)生電路組成.二極管D用于電源掉電時快速釋放電容C上的電荷電源上電過程，通過電阻R對電容C充電，產(chǎn)生一個延時的復(fù)位信號，該延時由電阻電容的時間常數(shù)RC確定，且RC必須大于上電時間，當(dāng)上電過程較慢時，需要很大的電阻和電容.此外，規(guī)模較大的芯片需要較長時間的復(fù)位信號，這也要求電阻和電容的值比較大，而大電阻和大電容都不利于片上集成.

圖1 傳統(tǒng)上電復(fù)位電路Fig. 1 Traditional POR circuit

基于文獻[6]提出了一種新穎的對溫度不敏感的具有長復(fù)位延時的上電復(fù)位電路，且?guī)в械綦姍z測功能，電路結(jié)構(gòu)如圖2所示.該上電復(fù)位電路主要由基準(zhǔn)電流源電路[7]、電流鏡、延時電路、掉電檢測電路及施密特觸發(fā)器五部分組成.基準(zhǔn)電流源產(chǎn)生具有一階溫度補償?shù)幕鶞?zhǔn)電流，相當(dāng)于恒流源對電容充電，充電時間就比較穩(wěn)定，后續(xù)的電流鏡復(fù)制并等比例減小該基準(zhǔn)電流，這樣給后續(xù)的延時電路充電的電流只有nA級，從而采用一個pF級的電容就能得到復(fù)位時間為100 ms以上的復(fù)位信號.

圖2 上電復(fù)位電路原理圖Fig. 2 Diagram of proposed POR circuit

1.1 上電復(fù)位電路的工作原理

當(dāng)電源電壓低于UGS，MN1+UGS，MN3+UDS，MP1時,基準(zhǔn)電流源處于關(guān)斷狀態(tài)，MP7的漏級電壓UA為低，Reset信號輸出也為零；當(dāng)電源繼續(xù)上升，基準(zhǔn)電流源開始工作，MP7開始給電容C2充電，從而UA開始增大，直至UA大于施密特觸發(fā)器的高轉(zhuǎn)換點電壓USPH，Reset信號翻轉(zhuǎn)，輸出為高.Reset信號的持續(xù)時間與流過MP7的電流、電容C2以及USPH有關(guān)，流過MP7的電流越小，電容C2越大，USPH值越大，Reset信號的持續(xù)時間就越長.

正常工作情況下，掉電檢測電路不工作，因為電阻R2上的壓降使MP9導(dǎo)通，電壓UB就被拉到電源電壓UDD，從而關(guān)斷MP8.當(dāng)電源出現(xiàn)擾動且低于掉電檢測閾值電壓UD1+UGS，MP9時，MP9關(guān)斷，MN10拉低電壓UB，MP8對電容C2進行快速放電，UA低于施密特觸發(fā)器的低轉(zhuǎn)換點電壓USPL時，產(chǎn)生Reset信號.通過調(diào)整晶體管MP10-MP12和MN11-MN13的尺寸，可以改變USPL和USPH的值[8]，在本設(shè)計中USPL和USPH的值分別為1 V和2.9 V.

當(dāng)電源低于掉電檢測閾值電壓，且電源擾動的時間大于門限時間時，掉電檢測電路開始工作.門限時間取決于MP8釋放掉電容C2上電荷的時間，此時流過MP8的電流為

(1)

其中:μp為PMOS中空穴的遷移率，UTHP為PMOS的閾值電壓.而電容C2放電的電流為

(2)

由前面的分析可知，UA由UDD變化到USPL，再結(jié)合式(1)和(2)，可以得到掉電檢測電路的門限時間為：

(3)

從式(3)可以看出，T與電容C2以及USPL有關(guān).

1.2 電流鏡

電流鏡結(jié)構(gòu)中MP3通過鏡像帶隙基準(zhǔn)源產(chǎn)生電流，通過MN6-MN7、MP4-MP5、MN8-MN9及MP6-MP7電流鏡對，很大程度上減少了來自帶隙基準(zhǔn)源產(chǎn)生的電流，使得通過MP7的額定電流是一個很小的值.

1.3 基準(zhǔn)電流源設(shè)計

基準(zhǔn)電流源由NMOS MN1-MN5、PMOS MP1-MP2、電阻R及電容C組成.本文采用的基準(zhǔn)電流源具有一階溫度補償，因而復(fù)位信號的復(fù)位時間隨溫度變化較小.

分析圖2中的基準(zhǔn)電流源，容易得到：

UGS，MN1+UGS，MN3-UGS，MN2-mR1I=0，

(4)

帶入相關(guān)參數(shù)并整理得：

(5)

其中:μn為NMOS的電子遷移率，W和L分別為晶體管的長和寬，UTHN為NMOS的閾值電壓.從式(5)中可以看出，電阻R1兩端的電壓由兩項組成：第一項與μn相關(guān)，由于μn具有負溫度系數(shù)效應(yīng)，從而第一項具有正溫度系數(shù)效應(yīng)；第二項與UTHN相關(guān)，而UTHN具有負溫度系數(shù)效應(yīng)[9]，而第二項具有負溫度效應(yīng).所以通過適當(dāng)調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)，就能通得到一個具有一階溫度補償?shù)幕鶞?zhǔn)電流.

對式(5)求導(dǎo)，可以得到基準(zhǔn)電流的溫度系數(shù)：

(6)

(7)

后續(xù)的延時電路由PMOS電流源MP7和MOS電容組成，為上電復(fù)位提供延時.當(dāng)電容上的電壓超過施密特觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)電壓，施密特觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，產(chǎn)生復(fù)位信號.

2 仿真結(jié)果

本文采用Charted 0.35 μm CMOS工藝設(shè)計整個POR電路，電源電壓為3.3 V，穩(wěn)態(tài)工作電流為10 μA，圖3為整個POR電路的版圖，面積僅為130 μm×110 μm，大部分面積為電阻和電容.

圖3 POR電路整體版圖Fig. 3 Circuit layout of POR

圖4為不同工藝角下基準(zhǔn)電流隨溫度變化的仿真圖，在TT工藝角下，基準(zhǔn)電流的溫度系數(shù)為82.5×10-6℃,在FF工藝角下，基準(zhǔn)電流的溫度系數(shù)為86.210-6℃，在SS工藝角下，基準(zhǔn)電流的溫度系數(shù)為83.5 10-6℃.若采用更為復(fù)雜的基準(zhǔn)電路結(jié)構(gòu)，可以得到溫度特性更好的基準(zhǔn)電流，但是增加整個上電復(fù)位電路的復(fù)雜性以及功耗.

圖4 不同corner下基準(zhǔn)電流隨溫度變化的仿真圖Fig. 4 Simulation of reference current under different temperature in different corner

圖5是整個POR電路的瞬態(tài)仿真波形，電源的上電時間為100 ms,電源掉電持續(xù)時間為10 μs.從圖5中可以看出，當(dāng)電源電壓UDD較低時，UA基本為零，當(dāng)UDD增大直至基準(zhǔn)電流源開始工作，通過MP7對電容C2充電，UA開始逐漸增大，UA大于USPH時，復(fù)位信號翻轉(zhuǎn)，整個復(fù)位過程完成.從圖中可以看出復(fù)位信號的復(fù)位延時為102.7 ms.當(dāng)電源低于掉電檢測電壓閾值時，產(chǎn)生掉電復(fù)位信號，復(fù)位延時為118.8 ms.

圖5 POR電路的瞬態(tài)仿真波形Fig. 5 Simulated transient responses of POR

表1給出了掉電檢測閾值電壓與掉電持續(xù)時間的關(guān)系，掉電持續(xù)時間從10 μs變到1 ms，掉電檢測閾值電壓從2.63 V變到2.75 V，只改變了0.12 V，說明該掉電檢測電路能夠檢測較寬范圍的電源擾動.

表1 閾值電壓與掉電持續(xù)時間的關(guān)系

表2給出了復(fù)位信號的復(fù)位延時與電源上電時間之間的關(guān)系.從表2中可以看出，隨著上電時間的增長，復(fù)位信號的復(fù)位延時越來越短，但變化不是很大.即使電源上電時間為100 ms時，復(fù)位延時也大于100 ms.

表2 復(fù)位信號的復(fù)位延時與電源上電時間之間的關(guān)系Tab. 2 The relationship between reset delay and power on time

表3為復(fù)位信號的復(fù)位延時隨溫度的變化關(guān)系.當(dāng)溫度從-40 ℃變到90 ℃時，復(fù)位延時從108.32 ms變到了98.95 ms，變化小于10%，相比文獻[6,10]，改善非常明顯.

表3 復(fù)位信號的復(fù)位時間隨溫度的變化關(guān)系Tab. 3 The relationship between reset delay and temperature

表4為本文所設(shè)計的上電復(fù)位電路的性能以及與文獻[8]和文獻[12]的比較.

表4 上電復(fù)位電路性能比較

3 結(jié)論

提出了一種具有長復(fù)位延時的上電復(fù)位電路，且?guī)в械綦姍z測功能.基于Charted 0.35 μm CMOS工藝設(shè)計了整個電路，版圖面積為130 μm×110 μm.電源電壓為3.3 V，穩(wěn)態(tài)工作電流僅為10 μA.僅使用pF級的片上電容就能實現(xiàn)100 ms以上復(fù)位時間，減小了芯片面積，適用于需要較長復(fù)位時間的大規(guī)模SoC系統(tǒng).此外，由于基準(zhǔn)電流源的采用，復(fù)位信號的復(fù)位時間隨溫度的變化小于10%，改善了POR電路的溫度特性.