一种新型低压上电复位电路设计
在电子系统上电时，电源通常需要经过比较长的时间才能达到稳定状态。在这个过程中，数字集成电路或数模混合集成电路中的寄存器、控制器等单元的状态是不确定的，这可能会导致芯片不能正常工作[1]。因此需要一种电路在电源上电时，对那些不确定的状态进行初始化，我们通常使用上电复位电路来实现这种功能。
摘要：基于0.18mm工艺设计了一种可集成到低电源电压数字IC或数模混合IC的上电复位电路。该POR（PowerOnReset）具有电源上电和掉电检测功能，且对电源上电的速度不敏感，故可通过使用迟滞比较器实现对电源噪声的免疫。corner仿真结果表明，该电路可以实现大于100ms的延时。相比于传统POR，该电路工作电压低、性能可靠、结构简单。
关键词：上电复位电路,延时,电源检测,阈值电压
0引言
随着集成电路工艺的进步，芯片的工作电压越来越低，对POR的性能要求也更高，传统的POR电路越来越难以满足如今的需求[2-5]。本文通过对传统POR的研究，基于0.18μm设计了一种低压低功耗的上电复位电路，该电路结构也适用于更小特征尺寸的CMOS工艺[8-10]。
1POR电路介绍
图1（a）所示为传统的片外POR电路，其主要由电阻、电容和二极管构成，电路的时间延迟由RC决定，当电源下电时，反向二极管对电容放电。这种电路的主要缺点是依赖电源的上电速度，在电源的上电速度较慢时，POR电路可能无法正常工作。图1（b）为传统的片上集成POR电路，检测电压由NMOS和PMOS的阈值电压决定，当电源电压高于检测电压时，电流镜对电容充电，当充电电压高于触发器阈值时，电路复位。这种电路的缺点是在电源电压低于阈值电压时，电路也有充电电流存在，会减小电路的延迟时间；其次，管子的阈值电压受工艺、温度影响较大，再计入电源电压的影响，这种电路延迟时间的离散度会非常大。
图2所示的POR电路由带隙基准电压做参考电压，它的检测电压值非常精确，误差通常在5%以内。同时和其他POR相比，延迟时间受工艺、温度、电压的影响也较小。市场上广泛应用的单片POR芯片811/812系列，便采用这种结构。图2电路虽然性能优良，但是在集成电路的器件特征尺寸越来越小、电源电压甚至低于带隙基准的时候，这种结构显然不利于片上集成。
图1传统POR电路
图2基于带隙基准的POR
2POR电路设计
本文设计的POR电路如图3所示，M1～M8构成了电源电压检测电路，其中M1～M4和R1、R2用来产生偏置电流，INV1和M7，M8构成具有迟滞能力的比较器，上电检测点和下电检测点的回差电压大于100mV。INV2、T1用来产生时间延迟，T1迟滞比较器用来产生复位信号。相比于文献[9，10]的设计，本文POR大大提高了对噪声的免疫能力，同时增加了延迟时间，提高了电路可靠性。
图3POR电路
当电路启动时，所有节点电压的初始状态为0，在0≤VDDIds1=Ids3，Ids3=Ids4，Ids5=Ids6（1）
Ids4=Vgs1/R1（2）
Vdet=Vgs1+Vgs2（3）
在VDD超过检测电压Vdet时，Vtri迅速拉低，BUF1打开，M9开始对MOS电容Mc充电，当Vc大于T1的阈值电压时，T1输出复位信号。从VDD达到Vdet到T1输出复位信号的时间延迟TD由Ids9、Mc电容和T1阈值电压决定。
在电路下电时，POR的工作过程是上电时的逆过程，由INV1、T7、T8构成的迟滞比较器使得下电检测电压低于上电检测值，其回差电压的大小可以通过改变M7的尺寸调整。当电源电压小于下电检测值时，Vs变为低电平，Vc节点通过BUF1迅速放电到0。由于Vc放电速度远高于充电速度，该POR在上电的时候，即使出现由电源噪声导致检测电路反复触发的现象，Vc依然会保持低电平，这极大的提高了电路对噪声的抗干扰能力。
3电路仿真
为了模拟POR电路在电源上电时间为1ms时的工作情况，做不同corner组合的仿真。主要corner的仿真结果如图4所示，仿真数据如表1所列。上电检测电压Vdet由于依赖于NMOS的阈值，随工艺变化较大，仿真结果清晰地表明了这点。
表1仿真仿真设置VdetTD
MOS（tt），Res（tt），1.8V，271.01V193ms
MOS（ss），Res（ff），1.98V，1251.22V145ms
MOS（ff），Res（ss），1.68V，-45754mV232ms
典型工作条件下，Vdet和TD的蒙特卡洛仿真结果如图5和图6所示，其方差分别为25.76mV和2.72ms。
图4主要corner仿真
图5上电检测电压蒙特卡洛仿真
图6TD蒙特卡洛仿真
4结语
本文基于0.18mm工艺设计了一种适用于低电源电压IC的可集成上电复位电路，该POR具有电源上电和掉电检测能力，对电源的上电速度和噪声不敏感，电路总功耗约9mW。所有corner的仿真结果表明，该电路可实现大于100ms的延时，蒙特卡洛仿真显示该电路受工艺批次和器件失配影响较小。
参考文献
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