一种基于比较器的新型片内上电复位电路的实现

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２００４ ・ ８ ・（ 总第 ６３ 期） !!
设计技术
中国集成电路
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/6EFG-+/HH+
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可见 /DEFG- 与电源电压无关， /6EFG- 与电源电压相
图６ 比较器型复位电路原理图
差一个与电源电压无关的值， 即 /6EFG- 与电源电压之 间是个恒定的差值。只要设计的参数使得 /DEFG- ! /6EFG- 时 /HH 的值满足上电复位的起拉电压即可。
路的关键， 结构如下：
图８
典型工作状态仿真曲线
与简单复位电路一样，该电路也进行了上电的
图７ 基准模块电路图
图２
ＰＯＲ 电路图
其工作原理分析如下： 电路的工作过程可分为三个阶段： ａ． ｎ 管 Ｍ２ 未导通。 假设 Ｖｄｄ 初始状态保持在 ０ 伏， Ｃ１ 上没有电荷 的积累， 即 Ｃ１ 的栅极电压为零。当 Ｖｄｄ 上升到使得 ｐ 管 Ｍ０ 导通时， 对 Ｃ１ 进行充电， Ａ 点电压开始上升， 但 ｎ 管 Ｍ２ 并不会很快导通， 因为 Ｍ３ 以二极管的方 式等价于一个电阻， 它的导通会有一个阈值损失， 也 就相当于提高了由 ｐ 管 Ｍ８， ｎ 管 Ｍ２ 和 Ｍ３ 这三个管 子组成的非门的翻转电压。由于 Ｍ８ 和 Ｍ０ 使用同一 种类型的 ｐ 管， 它们的阈值电压基本相等， 当 Ｍ０ 开 启的同时 Ｍ８ 也开启， Ｂ 点通过 Ｍ８ 充电，处于高电 平， 也就是电源电压， 经过下一个反向器得到的 ｐｏｒ 信号为低， 促使 ｐ 管 Ｍ７ 导通， 向 Ｂ 点充电， 进一步推 动 Ｂ 点电平拉高， 不难看出 Ｍ７ 和此非门构成了一个 锁存器。因此 ｐｏｒ 信号在一段时间内保持低电平。 ｂ． ｎ 管 Ｍ２ 导通， Ｂ 点为高电平。 当 Ｃ１ 继续充电， Ａ 点电压足以使得 Ｍ２， Ｍ３ 都导 通。此时 Ｂ 点将通过 Ｍ２ 放电， Ｂ 点电压不再跟随电 源电压。随着 Ａ 点电压继续升高， 通过 Ｍ２ 放电的电 流逐渐增大， 流向 Ｂ 点的电流逐渐减小， 但从总的情
图３ 典型工作状态仿真曲线
经历上述三个阶段后，上电复位电路即完成了 上电后产生复位信号的功能，如果复位电平要求是 低电平则只要加一级反相器即可。在各个晶体管一 定参数的配合下， %&’ 信号可以在电源电压上升到较 高时输出有效复位电平。 工作曲线良好， 从仿真波形看， %&’ 信号无毛刺， 仿真得到的典型功耗是 ()*+,。这种电路结构的特 点是结构简单， 功耗小， 在一般情况下可以完成上电 复位的任务。 根据 该电路参数是针对某一款 !-. 而设计的， 系统要求，使用 -/01231 的 #%134’1 软件进行了 56 种情况仿真：温度的三种典型值!76"， $8"， *8"； 电 源 电 压 的 两 种 上 升 时 间 (669:; (<<+:； 五 种 三种电源电压 -&’21’ 值 ##; ==; >>; >?#@; #?>@； 经过组合后为九十种测试情况。电路 AB， ACAB， A)DB， 在 (<<+:， !7<" ， ## 和 (<<9:， *8" ， >> 组合的情况 下性能最差。限于篇幅这里只给出 (<<9: 的仿真数 据。
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表３
¡ ¢ ¡ ¢ £ 96.7% 100%
两种电路的性能比较
¡ ¢ £ ¤ ¡ ¢ 0.2596 0.2277 ¡ ¢ £ ¤ ¡ ¢ £ 2.2507 2.362 ¡ ¢ (w) 1.8u 0.18m
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因此： ’()*+ 2 3 ・ 2 ・ 2B )67(89:;<=6 53 !A
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9C= 在对该电路的掉电测试中， 当电源电压降到 3J@
图１
ＰＯＲ 原理图
复位信号在上电开始的一段时间内保持低电平 （接近零伏） ， 随着电源电压 899 通过电阻 */ 对 7/
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４ 两种结构的性能比较
由于起拉电压随上电速率， 温度， 工艺的变化而 变化。所以起拉电压通常分布在一个比较大的范围 内。比较器型复位电路的结构优化了起拉电压的分
参考文献
１． Ｂｅｈｚａｄ Ｒａｚａｖｉ， Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ａｎａｌｏｇ ＣＭＯＳ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｄｉｔｉｏｎ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ， ２００１， ＭｃＧｒａｗ－Ｈｉｌｌ ２． 徐诺， 模拟 ＩＰ 的设计 ＳＯＣ 系统集成， 硕士学位论 文， ２００３ 年 ４ 月 ３． Ｊｏｈｎｓｏｎ， Ｐｏｗｅｒ－ｏｎ Ｒｅｓｅｔ ， ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ． ｅ－ｉｎｓｉｔｅ． ｎｅｔ／ｅｄｎｍａｇ／ａｒｃｈｉｖｅｓ／１９９８／１２０３９８／２５ｊｏｈｎ．ｈｔｍ ４． ＡＭＤ Ｉｎｃ．， Ｐｏｗｅｒ－Ｏｎ Ｒｅｓｅｔ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ ｆｏｒ ｔｈｅ Ａｍ７９Ｃ０２／０３／０３１ ＤＳＬＡＣ？
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一种基于比较器的新型 片内上电复位电路的实现
合肥工业大学微电子设计研究所 高明伦 张红莉 徐诺
摘要： 随着芯片的集成度越来越高， 在 ＳＯＣ 集成电路设计中， 如何实现上电复位电路的片内集成将成 为保证系统芯片正常复位的关键问题。 文章首先介绍了一种普遍使用的简单上电复位电路， 在分析了 其性能优点和缺点的基础上提出了一种新的基于比较器结构的上电复位电路。在分别对两个电路的 功能和性能做出仿真后， 给出数据， 证明新型上电复位电路在性能及可靠性方面远远优于简单上电复 位电路。两种电路均采用 ＳＭＩＣ ０．３５ｕｍ ＣＭＯＳ 工艺进行设计和仿真， 其中新型上电复位电路已经嵌入 在一款通用的 ８ 位微控制器芯片中， 并且流片成功。
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表１
简单复位电路起拉电压仿真数据
图５
掉电测试中 ＰＯＲ 正常状态
再次上电后 89: 正常的工作状态。 可见对于二次电 根据设计要求， 起拉电压 （!"#$%&’#(!） 应至少达 到电源电压的 )*+。 可以从上表看出电源电压 ,-./， 温度 0)!122 情况下起拉电压 3-44/， 不满足设计要 求。 上述仿真的都是上电情况，如果在电源电压条 件恶劣的情况下， 甚至突然掉电继而又上电， 该电路 的工作是否正常呢？ 需要进行充份的验证， 上电复位 的崩溃在一个系统中是致命的！ 源开关， 89: 容易失效。 对于这种电路结构，虽然可以通过调节参数来 改善其性能， 降低其失效的几率， 但很难满足所有的 情况， 而且它对于电压的波动不敏感， 可能会造成系 统工作异常。下文将提出基于比较器的新型上电复 位电路的实现。
由此可以得到一个与电源电压无关的电流， 也 就得出了两个电压： /DEFG-+/01@ +
伏时，即低于正常工作电压， D(, 信号迅速拉低到低 电平复位， 当电源再次上电时， 电路产生正确的上电 复位信号，整个电路的工作状态都对电源电压产生
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了快速且正确的响应， 具有低电压保护的功能。
常用的简单复位电路进行了仿真和分析，在此基础 上提出了一种新型的基于比较器结构的上电复位电 路并给出仿真结果。以电路要求为基本判据可以看 出，新型结构在功能和性能上都好于简单上电复位 电路。
２ 简单复位电路原理分析
简单复位电路是基于 *7 网络实现的，这也是 最常见的电路实现方式143， 图 / 为基本的原理结构 图：
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充电，当电容上极板的电压达到一定高位后触发后 级门电路，复位信号随即输出高电平。其中电阻以 !"# 二极管连接方式来实现，电容以 !"# 电容来 实现。 第一级反向器通过加一个 !"# 二极管电阻来 提高翻转电压， 于是我们得到了图 $。
况来看 Ｍ２ 的充电电流大于其放电电流， 在一段时间 内 Ｂ 点将维持高电平。 ｃ． ｎ 管 Ｍ２ 导通， Ｂ 点为低电平。 当 Ａ 点的电位继续升高， Ｂ 点的放电电流超过 充电电流时， Ｂ 点的电位拉至低电平， ｐｏｒ 信号成为 高电平， 关断了 Ｍ７， 这样 Ｂ 点就没有充电电流只有 放电电流， Ｂ 点将保持低电平。 下图为上电复位电路在典型状态下的仿真曲 线：
３ 比较器型复位电路
分析一下简单复位电路的原理可以知道，电容 在整个电路中起了重要的作用， 但也正因为电容本 身的性能造成这种结构在二次上电时有可能出现 错误， 所以考虑采用比较器结构来进行性能上的改 进。 这个电路的设计主要有两个部分组成：一个是 电压基准模块， 另一个是比较器模块。 基准模块主要 是产生两个相互比较的电压， $<=>? 作为基准电压， 而 @<=>? 则作为一个随电源电压变化的值，当电源 电压上升到一定值时，在比较器工作状态下经历了 从 @<=>? 小于 $<=>? 到 @<=>? 大于 $<=>? 的转换过 程A 从而比较器的输出由低电平切换到高电平。即 完成了上电复位功能。原理图如下所示。 比较器模块是一个典型的两级差分比较器B3C。 在此不做更多的赘述。由于起拉电压取决于基准电 路产生的两个电压，所以基准电路的设计是整个电
九十种测试。下表中的起拉电压均满足设计要求。
表２ 比较器型复位电路起来电压仿真数据
从电路的结构中可以看出 !"、 !# 和 !$ 都是 饱和偏置的晶体管， 所给参数中 !%& !$ 具有相同 可以写出 /012 +/013 4 ’()*5 的尺寸， 所以 ’()* + ’,-.， 或
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图４
掉电测试中 ＰＯＲ 失效状态
在掉电的测试中发现当系统掉电后，由于 53 并不能迅速放电，在电源电压未降到足够低且掉电 时间不够长时， 再次上电将导致复位信号失效。 图6 为当电源电压降到 7-./ 后持续一段时间再次上电 后， 89: 将工作不正常。 图 ) 为当电源电压降到 7;6/ 后持续一段时间
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５ 结束语
本文所述的基于比较器的新型复位电路已经嵌 入一款八位微控制器中 2 并在 3/40 "5.-6% 0/73 工艺上流片成功。版图实现面积为 8"6%!8"6%， 功
图９ 掉电测试仿真曲线
耗为 "5!9%:。与简单复位电路相比， 面积和功耗都 比较大。 不过相对于整个芯片面积;<=,%%><=<%%?和 而言还不能算太大。然而， 如果芯片 功耗 （!-"%:） 在总体功耗和面积上有严格要求，简单复位电路还 是有着相对的优势。
１ 引言
上电复位电路 !"#$%&’() *%+%,- 通常简称 "(*. 广泛应用于各种数字电路和系统中，其主要功能是 保证整个电路上电过程的正确启动。在系统上电过 程中，当电源电压高于逻辑低电平而没有达到正常 工作电压的时候，电路的逻辑门会发生非正常的参 差不齐的 “翻转” 从而造成整个电路逻辑的混乱。上 电复位电路就是在电源电压上升过程中一直保持低 电平 （有效复位电平） ， 直到电源电压稳定达到系统 规定的正常工作电压后才迅速产生一个高电平（无 效复位电平） 。在复位信号电平发生翻转时， 电源所 上升到的电压值被称作复位电路的 “起拉电压” 。一 般来说， 一个好的上电复位电路要满足以下的要求： /! 起拉电压要高于电路的协议对该电平的要 求。 0! 起拉电压在各种工艺和温度等件下分布应 尽量集中123。 4! 在系统二次上电过程中电路要能产生正确 的响应153163； 以电路要求为设计的出发点，下文首先对一种