一種上電復(fù)位自關(guān)斷電路

　　王依波（電子科技大學(xué)?電子科學(xué)與工程學(xué)院，四川?成都?610054）

　　摘?要：介紹了一種低功耗的上電復(fù)位電路（POR），針對(duì)以往上電復(fù)位電路的上電復(fù)位時(shí)間較短和功耗較高的問(wèn)題，提出了一種新的上電復(fù)位自關(guān)斷電路，最后在Cadence仿真環(huán)境中，給出了該電路在0.13 μm工藝下的仿真結(jié)果。結(jié)果表明該電路可適用于各種上電時(shí)間，并且功耗較低。

　　關(guān)鍵詞：上電復(fù)位；低功耗；自關(guān)斷

　　0 引言

　　上電復(fù)位電路通過(guò)檢測(cè)電源電壓的變化來(lái)控制芯片進(jìn)入初始工作狀態(tài)，當(dāng)電源電壓上升到正常工作電壓之前，低電平復(fù)位的上電復(fù)位電路需要會(huì)產(chǎn)生一個(gè)低電平，使芯片處于復(fù)位狀態(tài)，防止芯片非正常工作影響性能；在電源電壓上升到正常的工作電壓之后，上電復(fù)位電路就會(huì)維持一個(gè)高電平，確保芯片處在正常工作的狀態(tài)。

　　由于上電復(fù)位電路的應(yīng)用十分廣泛，在不同的應(yīng)用場(chǎng)景下對(duì)于電源上電的時(shí)間要求也不同，文獻(xiàn)^[1]所提出的上電復(fù)位電路是一種常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)，基于RC充電原理，該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗低，但是無(wú)法在電源電壓上電較慢的情況下使用，并且抗干擾能力較低。而像文獻(xiàn)^[2]中提出的基于電平檢測(cè)的上電復(fù)位電路，雖然能夠滿足較大范圍的上電時(shí)間，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通常包括帶隙基準(zhǔn)，比較器等模塊，電路設(shè)計(jì)復(fù)雜且功耗高。

　　針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了一種上電復(fù)位自關(guān)斷電路，在不同的上電時(shí)間下都能正常工作，并且功耗極低。

　　1 上電復(fù)位自關(guān)斷電路原理

　　本文提出的上電復(fù)位自關(guān)斷電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括上電復(fù)位信號(hào)產(chǎn)生模塊，信號(hào)鎖存模塊和電源關(guān)斷模塊。電路的具體實(shí)現(xiàn)如下：上電復(fù)位信號(hào)產(chǎn)生電路是基于MOS管的閾值電壓對(duì)電源電壓進(jìn)行檢測(cè)。R1電阻作為電路的自啟動(dòng)模塊，防止上電復(fù)位模塊進(jìn)入死鎖狀態(tài)；MOS管PM1~PM3、NM1~NM3和電阻R2共同組成了電壓檢測(cè)電路。

　　假設(shè)PMOS管的閾值電壓為V _tp ，NMOS管的閾值電壓為V _tn 。當(dāng)電源電壓開(kāi)始上電之前，輸出的POR信號(hào)一直保持低電平狀態(tài)，對(duì)芯片進(jìn)行復(fù)位操作；開(kāi)始上電后，在電源電壓升到到V _tn 之前，電路中除了節(jié)點(diǎn)A、C、D在通過(guò)PMOS管進(jìn)行充電外，沒(méi)有其他變化；當(dāng)電源電壓達(dá)到V _tn 時(shí)，NM1導(dǎo)通，流經(jīng)NM1的電流將節(jié)點(diǎn)B的點(diǎn)位拉低，該電流同時(shí)被PM1和PM3鏡像，然后節(jié)點(diǎn)C的點(diǎn)位開(kāi)始拉高到電源電壓，并且跟隨電源電壓變化。當(dāng)電源電壓達(dá)到2V _tn 時(shí)，NM2導(dǎo)通，然后節(jié)點(diǎn)B的電壓隨著電源電壓升高而升高，假設(shè)節(jié)點(diǎn)B的電壓變化為 ?v ，則流經(jīng)PM2的電流變化?v/R₂，該變化通過(guò)電流鏡反映到PM3所在的支路。但是因?yàn)镹M3的漏端電流變化相對(duì)于?v是成平方率關(guān)系，所以當(dāng)NM3的電流占主導(dǎo)時(shí)，節(jié)點(diǎn)D的電壓會(huì)被快速拉到地。經(jīng)過(guò)施密特反相器整形后，得到一個(gè)高電平。

　　流過(guò)NM2和NM3的電流如下：

　　流過(guò)PM1和PM3的電流如下：

　　其中，V _gs1 和V _gs2 分別是NMOS管NM1和NM2的柵源電壓，當(dāng)電源電壓逐漸升高到I_n >I_p時(shí)，節(jié)點(diǎn)D的點(diǎn)位保持為地，經(jīng)過(guò)施密特反相器得到一個(gè)高電平，將此時(shí)的電源電壓值定義為上電復(fù)位電壓的閾值，用POR _vt 表示。由公式（1）（2）可以得出

　　由于在該電路結(jié)構(gòu)中NM2只工作在飽和區(qū)，所以

　　由上電復(fù)位信號(hào)產(chǎn)生電路所產(chǎn)生的信號(hào)，經(jīng)過(guò)施密特反相器反向并整形，輸出的上升沿 的階躍信號(hào)用來(lái)做D觸發(fā)器的復(fù)位信號(hào)，D觸發(fā)器脫離復(fù)位狀態(tài)后，RST信號(hào)和Q`信號(hào)經(jīng)過(guò)與非門(mén)邏輯輸出一個(gè)低電平將NM4關(guān)斷，然后電容C開(kāi)始充電，D觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)CLK變?yōu)楦唠娖剑琎輸出端輸出帶上升沿高電平信號(hào)，并進(jìn)行鎖存，產(chǎn)生最終的上電復(fù)位信號(hào)POR。上電復(fù)位信號(hào)POR和經(jīng)過(guò)反相器INV2后作為電源關(guān)斷控制信號(hào)PWD用來(lái)將上電復(fù)位信號(hào)產(chǎn)生電路關(guān)斷，減小整個(gè)電路的靜態(tài)功耗。

　　2 電路仿真結(jié)果

　　基于第1節(jié)的原理，在Cadence仿真環(huán)境中采用GSMC 0.13 μm CMOS工藝下將電路實(shí)現(xiàn)，并針對(duì)不同的電源上電時(shí)間進(jìn)行功能仿真和功耗仿真。為了便于描述，選取典型的仿真結(jié)果如圖2所示。由此可見(jiàn)，隨著電源電壓的逐漸升高，電路所產(chǎn)生的上電復(fù)位信號(hào)由低電平迅速升高為高電平，使芯片脫離復(fù)位狀態(tài)。在POR信號(hào)穩(wěn)定以后，在電源電壓為1.2 V的情況下，整個(gè)電路的電流只有1.5 nA左右。

　　3 結(jié)論

　　隨著芯片集成度的逐步提高，對(duì)于功耗的要求也越來(lái)越嚴(yán)格，從低功耗高和適用于多種應(yīng)用環(huán)境的角度出發(fā)，本文提出了一種新的上電復(fù)位電路，在上電復(fù)位完成之后，將整個(gè)電路關(guān)斷，達(dá)到低功耗的目的。該電路適用范圍廣，功耗低，可靠性強(qiáng)，可以適用于各種芯片的復(fù)位操作。 

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] Suat U. Ay, et al. A nanowatt cascadable delay elementfor compact power-on-reset (POR) circuits[C].2009 52ndIEEE International Midwest Symposium on Circuits and Systems,Cancun,Mexico.2009:62-65.

　　[2] Lai X,Yu W,Li G, et al. A low quiescent current and resettime adjustable power-on reset circuit[C].InternationalConference on ASIC,Himeji,Japan.2015:559-562.

　　本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第9期第61頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。