一种具有长复位延时的上电复位电路的设计

杨 洁，李阳军，黄海深，杨艳军

(1.遵义师范学院 物理与机电工程学院,贵州 遵义 563002；2.湖南大学 物理与微电子科学学院,湖南 长沙 410082)

0 引言

随着CMOS IC的发展，片上集成系统(SoC)的集成度越来越高，功能越来越复杂，模拟系统和数字系统通常集成在同一块芯片上，并且采用统一的电源供电.当电源上电的时候，需要一个复位信号来初始化数字电路中的存储单元，如数字寄存器、模拟电路中积分器等，以确保整个芯片进入正常的工作状态.此外，芯片工作过程中电源电压过低时，也需要复位信号来防止芯片工作在不正常状态.因此上电复位电路(POR)是SoC中不可缺少的组成部分.目前关于上电复位电路的文献中，大部分研究集中于降低功耗以及低压应用.文献[1]提出了一种应用于低压的上电复位电路，文献[2-4]提出了零稳态电流的上电复位电路.但是这些文献中的复位延时一般都小于1 ms.而在一些应用场合[5]，由于电源上电较慢或者系统中存在振荡器等模块，需要上电复位电路提供几十甚至上百毫秒的复位延时.文献[6]提出了一种具有长复位延时的上电复位电路，复位延时可达100 ms以上，且用于延时的电容只有pF级，但是复位延时随温度变化很大，达到30%以上，这对于工作环境温度变化比较大的芯片来说，是非常不利的.因此本文基于文献[6]的研究，在上电复位电路中通过采用基准电流源，使得复位延时随温度的变化小于10%，大大降低了复位延时随温度的变化，提高的电路的温度特性.

1 电路的分析与设计

图1是一个传统的上电复位电路，由电阻R，电容C，二极管D以及脉冲产生电路组成.二极管D用于电源掉电时快速释放电容C上的电荷电源上电过程，通过电阻R对电容C充电，产生一个延时的复位信号，该延时由电阻电容的时间常数RC确定，且RC必须大于上电时间，当上电过程较慢时，需要很大的电阻和电容.此外，规模较大的芯片需要较长时间的复位信号，这也要求电阻和电容的值比较大，而大电阻和大电容都不利于片上集成.

图1 传统上电复位电路Fig. 1 Traditional POR circuit

基于文献[6]提出了一种新颖的对温度不敏感的具有长复位延时的上电复位电路，且带有掉电检测功能，电路结构如图2所示.该上电复位电路主要由基准电流源电路[7]、电流镜、延时电路、掉电检测电路及施密特触发器五部分组成.基准电流源产生具有一阶温度补偿的基准电流，相当于恒流源对电容充电，充电时间就比较稳定，后续的电流镜复制并等比例减小该基准电流，这样给后续的延时电路充电的电流只有nA级，从而采用一个pF级的电容就能得到复位时间为100 ms以上的复位信号.

图2 上电复位电路原理图Fig. 2 Diagram of proposed POR circuit

1.1 上电复位电路的工作原理

当电源电压低于UGS，MN1+UGS，MN3+UDS，MP1时,基准电流源处于关断状态，MP7的漏级电压UA为低，Reset信号输出也为零；当电源继续上升，基准电流源开始工作，MP7开始给电容C2充电，从而UA开始增大，直至UA大于施密特触发器的高转换点电压USPH，Reset信号翻转，输出为高.Reset信号的持续时间与流过MP7的电流、电容C2以及USPH有关，流过MP7的电流越小，电容C2越大，USPH值越大，Reset信号的持续时间就越长.

正常工作情况下，掉电检测电路不工作，因为电阻R2上的压降使MP9导通，电压UB就被拉到电源电压UDD，从而关断MP8.当电源出现扰动且低于掉电检测阈值电压UD1+UGS，MP9时，MP9关断，MN10拉低电压UB，MP8对电容C2进行快速放电，UA低于施密特触发器的低转换点电压USPL时，产生Reset信号.通过调整晶体管MP10-MP12和MN11-MN13的尺寸，可以改变USPL和USPH的值[8]，在本设计中USPL和USPH的值分别为1 V和2.9 V.

当电源低于掉电检测阈值电压，且电源扰动的时间大于门限时间时，掉电检测电路开始工作.门限时间取决于MP8释放掉电容C2上电荷的时间，此时流过MP8的电流为

(1)

其中:μp为PMOS中空穴的迁移率，UTHP为PMOS的阈值电压.而电容C2放电的电流为

(2)

由前面的分析可知，UA由UDD变化到USPL，再结合式(1)和(2)，可以得到掉电检测电路的门限时间为：

(3)

从式(3)可以看出，T与电容C2以及USPL有关.

1.2 电流镜

电流镜结构中MP3通过镜像带隙基准源产生电流，通过MN6-MN7、MP4-MP5、MN8-MN9及MP6-MP7电流镜对，很大程度上减少了来自带隙基准源产生的电流，使得通过MP7的额定电流是一个很小的值.

1.3 基准电流源设计

基准电流源由NMOS MN1-MN5、PMOS MP1-MP2、电阻R及电容C组成.本文采用的基准电流源具有一阶温度补偿，因而复位信号的复位时间随温度变化较小.

分析图2中的基准电流源，容易得到：

UGS，MN1+UGS，MN3-UGS，MN2-mR1I=0，

(4)

带入相关参数并整理得：

(5)

其中:μn为NMOS的电子迁移率，W和L分别为晶体管的长和宽，UTHN为NMOS的阈值电压.从式(5)中可以看出，电阻R1两端的电压由两项组成：第一项与μn相关，由于μn具有负温度系数效应，从而第一项具有正温度系数效应；第二项与UTHN相关，而UTHN具有负温度系数效应[9]，而第二项具有负温度效应.所以通过适当调节相关参数，就能通得到一个具有一阶温度补偿的基准电流.

对式(5)求导，可以得到基准电流的温度系数：

(6)

(7)

后续的延时电路由PMOS电流源MP7和MOS电容组成，为上电复位提供延时.当电容上的电压超过施密特触发器的翻转电压，施密特触发器翻转，产生复位信号.

2 仿真结果

本文采用Charted 0.35 μm CMOS工艺设计整个POR电路，电源电压为3.3 V，稳态工作电流为10 μA，图3为整个POR电路的版图，面积仅为130 μm×110 μm，大部分面积为电阻和电容.

图3 POR电路整体版图Fig. 3 Circuit layout of POR

图4为不同工艺角下基准电流随温度变化的仿真图，在TT工艺角下，基准电流的温度系数为82.5×10-6℃,在FF工艺角下，基准电流的温度系数为86.210-6℃，在SS工艺角下，基准电流的温度系数为83.5 10-6℃.若采用更为复杂的基准电路结构，可以得到温度特性更好的基准电流，但是增加整个上电复位电路的复杂性以及功耗.

图4 不同corner下基准电流随温度变化的仿真图Fig. 4 Simulation of reference current under different temperature in different corner

图5是整个POR电路的瞬态仿真波形，电源的上电时间为100 ms,电源掉电持续时间为10 μs.从图5中可以看出，当电源电压UDD较低时，UA基本为零，当UDD增大直至基准电流源开始工作，通过MP7对电容C2充电，UA开始逐渐增大，UA大于USPH时，复位信号翻转，整个复位过程完成.从图中可以看出复位信号的复位延时为102.7 ms.当电源低于掉电检测电压阈值时，产生掉电复位信号，复位延时为118.8 ms.

图5 POR电路的瞬态仿真波形Fig. 5 Simulated transient responses of POR

表1给出了掉电检测阈值电压与掉电持续时间的关系，掉电持续时间从10 μs变到1 ms，掉电检测阈值电压从2.63 V变到2.75 V，只改变了0.12 V，说明该掉电检测电路能够检测较宽范围的电源扰动.

表1 阈值电压与掉电持续时间的关系

表2给出了复位信号的复位延时与电源上电时间之间的关系.从表2中可以看出，随着上电时间的增长，复位信号的复位延时越来越短，但变化不是很大.即使电源上电时间为100 ms时，复位延时也大于100 ms.

表2 复位信号的复位延时与电源上电时间之间的关系Tab. 2 The relationship between reset delay and power on time

表3为复位信号的复位延时随温度的变化关系.当温度从-40 ℃变到90 ℃时，复位延时从108.32 ms变到了98.95 ms，变化小于10%，相比文献[6,10]，改善非常明显.

表3 复位信号的复位时间随温度的变化关系Tab. 3 The relationship between reset delay and temperature

表4为本文所设计的上电复位电路的性能以及与文献[8]和文献[12]的比较.

表4 上电复位电路性能比较

3 结论

提出了一种具有长复位延时的上电复位电路，且带有掉电检测功能.基于Charted 0.35 μm CMOS工艺设计了整个电路，版图面积为130 μm×110 μm.电源电压为3.3 V，稳态工作电流仅为10 μA.仅使用pF级的片上电容就能实现100 ms以上复位时间，减小了芯片面积，适用于需要较长复位时间的大规模SoC系统.此外，由于基准电流源的采用，复位信号的复位时间随温度的变化小于10%，改善了POR电路的温度特性.