一種高可靠性上電復(fù)位芯片的設(shè)計(jì)

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(shí)上電復(fù)位(Pow—on Reset，PoR)電路對(duì)數(shù)字電路中移位寄存器、D觸發(fā)器和計(jì)數(shù)器、模擬電路中的振蕩器、比較器等單元電路進(jìn)行復(fù)位，保證電路在上電過程能正確啟動(dòng)。上電復(fù)位信號(hào)在電源電壓上升過程中一直保持低電平(有效復(fù)位電平)，直到電源電壓穩(wěn)定達(dá)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(fù)位電路是利用電容上的電壓不能突變，通過RC充電來實(shí)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(shí)仍有可能出現(xiàn)失效。在此基于比較器型復(fù)位電路，設(shè)計(jì)了高精度的帶隙基準(zhǔn)、比較器、用于門限設(shè)置及檢測(cè)的內(nèi)部電阻網(wǎng)絡(luò)和復(fù)位延時(shí)電路，有效解決二次上電失效，具有高可靠性。

1 電路設(shè)計(jì)與分析
1．1 上電復(fù)位電路的結(jié)構(gòu)和原理
    為了解決傳統(tǒng)上電復(fù)位電路的二次上電可能出現(xiàn)錯(cuò)誤的問題，這里基于比較器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了精準(zhǔn)的帶隙基準(zhǔn)作為比較基準(zhǔn)，其中電阻網(wǎng)絡(luò)用于設(shè)置和檢測(cè)電壓，采用延時(shí)電路減小電壓紋波的影響，提高了復(fù)位信號(hào)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(dāng)電源電壓達(dá)到預(yù)設(shè)的閾值電壓后，采樣電壓高于基準(zhǔn)電壓Vref，比較器輸出狀態(tài)改變，邏輯電路控制時(shí)鐘電路產(chǎn)生延時(shí)，100 ms后reset變?yōu)楦唠娖剑瓿蓮?fù)位。

1．2 偏置電路
    精確的偏置電流是整個(gè)電路準(zhǔn)確運(yùn)行的基礎(chǔ)，因此設(shè)計(jì)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(fù)溫度系數(shù)的電阻按比例串聯(lián)組成。poly2電阻為負(fù)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(shí)現(xiàn)零溫度系數(shù)。

圖2中M5～M7組成啟動(dòng)電路，克服自偏置電路的零偏置點(diǎn)。NB，PB為偏置電流的鏡像電流，為帶隙基準(zhǔn)、比較器電路和時(shí)鐘電路提供偏置。
1．3 帶隙基準(zhǔn)電路
    作為比較器的比較基準(zhǔn)，其高穩(wěn)定性是比較結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵，因此設(shè)計(jì)了一種低溫度系數(shù)與電源電壓無關(guān)的帶隙基準(zhǔn)。帶隙基準(zhǔn)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(dòng)、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(jìn)行溫度補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)零溫度系數(shù)。圖3為帶隙基準(zhǔn)電路結(jié)構(gòu)圖，A，B點(diǎn)為運(yùn)放的兩個(gè)輸入端，運(yùn)放閉環(huán)，A，B兩點(diǎn)等電位。

 式中，m為R2與R3的比值；n為Q2與Q1的比值；Veb為負(fù)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(dāng)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(yùn)算跨導(dǎo)放大器，C1為運(yùn)放的相位補(bǔ)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(cè)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(jí)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(fù)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(zhǔn)確對(duì)電源電壓的監(jiān)控。圖4中M1～M5為第一級(jí)；M6，M7為第二級(jí)；Il，I2為2個(gè)緩沖級(jí)。

1．5 時(shí)鐘電路
    為了增加復(fù)位信號(hào)的可靠性，這里增加了復(fù)位延時(shí)。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(hào)。EN為低電平時(shí)，振蕩器開始工作，M5導(dǎo)通，M3，M4組成的電流源通過M5對(duì)電容C1充電；當(dāng)電容上的電壓上升到施密特觸發(fā)器的V+時(shí)，施密特觸發(fā)器反相，M6導(dǎo)通，電容通過M1，M2構(gòu)成的電流沉放電；當(dāng)電容上的電壓下降到施密特觸發(fā)器的V時(shí)，密特觸發(fā)器反相，M5導(dǎo)通，這樣周而復(fù)始，產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)。

分頻器的作用是產(chǎn)生一定的延時(shí)來觸發(fā)復(fù)位信號(hào)，增加復(fù)位信號(hào)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(jí)二分頻構(gòu)成的延時(shí)為：

1．6 采樣電路
    采樣電路由電阻網(wǎng)絡(luò)實(shí)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(gè)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(jì)一些被短接的預(yù)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(hào)的準(zhǔn)確性。

2 電路仿真
    利用0．6μm的CMOS工藝模型和HSpice仿真器，對(duì)設(shè)計(jì)的PoR進(jìn)行仿真和優(yōu)化。以下為仿真的主要結(jié)果。
    帶隙基準(zhǔn)的正常啟動(dòng)和精確性對(duì)PoR的準(zhǔn)確工作至關(guān)重要。圖6是對(duì)帶隙基準(zhǔn)啟動(dòng)過程的仿真，圖中可見當(dāng)電源上電過程中，帶隙基準(zhǔn)電路正常啟動(dòng)；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(duì)上電復(fù)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(dāng)超過3．08 V后振蕩器開始工作，經(jīng)過8個(gè)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(dá)到電源閾值電壓8個(gè)振蕩周期后reset又變?yōu)楦唠娖?。仿真結(jié)果表明PoR具有高可靠性。為了減少仿真時(shí)間，本圖仿真采用的是16分頻器，而不是實(shí)際的100 ms延時(shí)。

3 版圖設(shè)計(jì)
    作為設(shè)計(jì)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(jì)中的一些注意點(diǎn)：
    (1)該帶隙基準(zhǔn)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(jì)與電阻密切相關(guān)，電阻的失配會(huì)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(yùn)放的差動(dòng)輸入對(duì)的失配會(huì)產(chǎn)生失配影響電路性能，將差動(dòng)對(duì)做成十字交叉形式，保證其對(duì)稱性；
    (4)偏置電流要相對(duì)對(duì)稱，減小失配引入的誤差；
    (5)參考電壓要遠(yuǎn)離跳變電壓，總體布局時(shí)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(jì)了一種由精確的帶隙基準(zhǔn)比較器，用于門限設(shè)置和檢測(cè)的內(nèi)部電阻網(wǎng)絡(luò)等組成的上電復(fù)位，具有復(fù)位延時(shí)，可以準(zhǔn)確可靠提供復(fù)位信號(hào)，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(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)電壓、電源電壓和電池的監(jiān)控。