0 引 言
現(xiàn)代科技領(lǐng)域?qū)﹄娮赢a(chǎn)品性能的要求越來越高，微處理器系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力是電子工程師面臨的一大難題，電源監(jiān)控技術(shù)就是解決這一難題的有效手段之一。上電時上電復位(Pow—on Reset，PoR)電路對數(shù)字電路中移位寄存器、D觸發(fā)器和計數(shù)器、模擬電路中的振蕩器、比較器等單元電路進行復位，保證電路在上電過程能正確啟動。上電復位信號在電源電壓上升過程中一直保持低電平(有效復位電平)，直到電源電壓穩(wěn)定達到系統(tǒng)規(guī)定的正常工作電壓后轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖健?br /> 傳統(tǒng)上電復位電路是利用電容上的電壓不能突變，通過RC充電來實現(xiàn)。盡管“充電箝位”電路可以改善上電沒有器件限制電容C充電的問題，但這種結(jié)構(gòu)在二次上電時仍有可能出現(xiàn)失效。在此基于比較器型復位電路，設(shè)計了高精度的帶隙基準、比較器、用于門限設(shè)置及檢測的內(nèi)部電阻網(wǎng)絡(luò)和復位延時電路，有效解決二次上電失效，具有高可靠性。
1 電路設(shè)計與分析
1．1 上電復位電路的結(jié)構(gòu)和原理
為了解決傳統(tǒng)上電復位電路的二次上電可能出現(xiàn)錯誤的問題，這里基于比較器結(jié)構(gòu)設(shè)計了精準的帶隙基準作為比較基準，其中電阻網(wǎng)絡(luò)用于設(shè)置和檢測電壓，采用延時電路減小電壓紋波的影響，提高了復位信號的可靠性，結(jié)構(gòu)如圖1所示。在上電過程中，reset一直保持低電平，當電源電壓達到預設(shè)的閾值電壓后，采樣電壓高于基準電壓Vref，比較器輸出狀態(tài)改變，邏輯電路控制時鐘電路產(chǎn)生延時，100 ms后reset變?yōu)楦唠娖剑瓿蓮臀弧?/p>
1．2 偏置電路
精確的偏置電流是整個電路準確運行的基礎(chǔ)，因此設(shè)計一種與電源電壓無關(guān)的偏置電流I，如圖2所示，其中：
由上式可知偏置電流與電源電壓無關(guān)，但電阻具有溫度系數(shù)，為了減小偏置電路的溫度系數(shù)，電阻由正負溫度系數(shù)的電阻按比例串聯(lián)組成。poly2電阻為負溫度系數(shù)，而N阱電阻為正溫度系數(shù)，兩者結(jié)合可以實現(xiàn)零溫度系數(shù)。
圖2中M5～M7組成啟動電路，克服自偏置電路的零偏置點。NB，PB為偏置電流的鏡像電流，為帶隙基準、比較器電路和時鐘電路提供偏置。
1．3 帶隙基準電路
作為比較器的比較基準，其高穩(wěn)定性是比較結(jié)果準確性的關(guān)鍵，因此設(shè)計了一種低溫度系數(shù)與電源電壓無關(guān)的帶隙基準。帶隙基準由電源電壓產(chǎn)生穩(wěn)定精確的Vref，能克服電源電壓的波動、溫度的變化以及工藝誤差等影響，輸出穩(wěn)定的參考電壓。利用Veb和VT的溫度特性來進行溫度補償，實現(xiàn)零溫度系數(shù)。圖3為帶隙基準電路結(jié)構(gòu)圖，A，B點為運放的兩個輸入端，運放閉環(huán)，A，B兩點等電位。
式中，m為R2與R3的比值；n為Q2與Q1的比值；Veb為負溫度系數(shù)；VT為正溫度系數(shù)。所以選擇合適的電阻比值和晶體管的面積比值，可以使輸出參考電壓獲得最小的溫度系數(shù)，當然電阻本身同樣具有溫度系數(shù)，但電阻以比值出現(xiàn)，可以忽略其影響。M1～M10構(gòu)成運算跨導放大器，C1為運放的相位補償，保證60°的相位裕度。
1．4 比較器電路
比較器電路用于監(jiān)測電源電壓變化，能比較的電平越低越好，即具有較高的靈敏度。因此采用經(jīng)典的二級比較器，它具有很高的開環(huán)增益，高于60 dB。合理設(shè)置差分輸入管M1，M2和電流鏡負載M3，M4的尺寸，保證了比較器低的失調(diào)電壓。選擇合適的尾電流大小，能提高壓擺率，優(yōu)化比較器的響應(yīng)速度。其高增益、低失調(diào)、快速度特性保證了比較器準確對電源電壓的監(jiān)控。圖4中M1～M5為第一級；M6，M7為第二級；Il，I2為2個緩沖級。
1．5 時鐘電路
為了增加復位信號的可靠性，這里增加了復位延時。其主要由振蕩器和分頻器組成，如圖5所示。M1～M7和C1構(gòu)成振蕩器，EN為使能信號。EN為低電平時，振蕩器開始工作，M5導通，M3，M4組成的電流源通過M5對電容C1充電；當電容上的電壓上升到施密特觸發(fā)器的V+時，施密特觸發(fā)器反相，M6導通，電容通過M1，M2構(gòu)成的電流沉放電；當電容上的電壓下降到施密特觸發(fā)器的V時，密特觸發(fā)器反相，M5導通，這樣周而復始，產(chǎn)生時鐘信號。
分頻器的作用是產(chǎn)生一定的延時來觸發(fā)復位信號，增加復位信號的可靠性。其主要由一串D觸發(fā)器構(gòu)成的二分頻電路構(gòu)成，N級二分頻構(gòu)成的延時為：
1．6 采樣電路
采樣電路由電阻網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)，主要用于采集電源的變化。圖1中的R1和R2構(gòu)成采樣電路，VCC_th為電源電壓的門限電壓，則：
考慮到靜態(tài)電流，要求采樣電阻阻值較大，一般2個采樣電阻(即R1，R2)需大于100 kΩ。用較小的等阻值的電阻串聯(lián)來提高精度，所以在版圖中設(shè)計一些被短接的預留電阻，并通過激光調(diào)整的方法或修改頂層金屬連線來調(diào)節(jié)電阻。電阻的高精度和良好的匹配性保證了被采集電源信號的準確性。
2 電路仿真
利用0．6μm的CMOS工藝模型和HSpice仿真器，對設(shè)計的PoR進行仿真和優(yōu)化。以下為仿真的主要結(jié)果。
帶隙基準的正常啟動和精確性對PoR的準確工作至關(guān)重要。圖6是對帶隙基準啟動過程的仿真，圖中可見當電源上電過程中，帶隙基準電路正常啟動；圖7是Vref隨電源電壓VCC的變化特性，由圖可知，在電源電壓VCC變化范圍內(nèi)(2．0～3．3 V)，Vref僅有2．5 mV的變化。
圖8是對上電復位電路的上電、掉電和二次上電的仿真，圖中可以看出電源緩慢上電，reset一直保持低電平，當超過3．08 V后振蕩器開始工作，經(jīng)過8個振蕩周期reset變?yōu)楦唠娖健?/p>
電源電壓掉電低于3．08 V，reset變?yōu)榈碗娖?，再次上升達到電源閾值電壓8個振蕩周期后reset又變?yōu)楦唠娖健７抡娼Y(jié)果表明PoR具有高可靠性。為了減少仿真時間，本圖仿真采用的是16分頻器，而不是實際的100 ms延時。
3 版圖設(shè)計
作為設(shè)計與制造的紐帶，版圖的地位至關(guān)重要，模擬集成電路的性能很大程度受版圖因素的影響。以下為版圖設(shè)計中的一些注意點：
(1)該帶隙基準PNP管的面積比是8：1，做成3：3：3的結(jié)構(gòu)，將面積為l的管子置于中心，保證匹配性；
(2)該設(shè)計與電阻密切相關(guān)，電阻的失配會產(chǎn)生誤差，將電阻做成叉指相間的形式，盡量減小電阻的不匹配；
(3)運放的差動輸入對的失配會產(chǎn)生失配影響電路性能，將差動對做成十字交叉形式，保證其對稱性；
(4)偏置電流要相對對稱，減小失配引入的誤差；
(5)參考電壓要遠離跳變電壓，總體布局時考慮到應(yīng)力因素，將匹配性要求高的電路盡量置于應(yīng)力較小處。
4 結(jié) 語
設(shè)計了一種由精確的帶隙基準比較器，用于門限設(shè)置和檢測的內(nèi)部電阻網(wǎng)絡(luò)等組成的上電復位，具有復位延時，可以準確可靠提供復位信號，還具有良好的性能，可廣泛用于處電腦、微控制器以及各種便攜式電子產(chǎn)品中，實現(xiàn)對系統(tǒng)電壓、電源電壓和電池的監(jiān)控。
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