一种高可靠性上电复位芯片的设计

0 引 言
    现代科技领域对电子产品性能的要求越来越高，微处理器系统的稳定性和抗干扰能力是电子工程师面临的一大难题，电源监控技术就是解决这一难题的有效手段之一。上电时上电复位(Pow—on Reset，PoR)电路对数字电路中移位寄存器、D触发器和计数器、模拟电路中的振荡器、比较器等单元电路进行复位，保证电路在上电过程能正确启动。上电复位信号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转变为高电平。
    传统上电复位电路是利用电容上的电压不能突变，通过RC充电来实现。尽管“充电箝位”电路可以改善上电没有器件限制电容C充电的问题，但这种结构在二次上电时仍有可能出现失效。在此基于比较器型复位电路，设计了高精度的带隙基准、比较器、用于门限设置及检测的内部电阻网络和复位延时电路，有效解决二次上电失效，具有高可靠性。

1 电路设计与分析
1．1 上电复位电路的结构和原理
    为了解决传统上电复位电路的二次上电可能出现错误的问题，这里基于比较器结构设计了精准的带隙基准作为比较基准，其中电阻网络用于设置和检测电压，采用延时电路减小电压纹波的影响，提高了复位信号的可靠性，结构如图1所示。在上电过程中，reset一直保持低电平，当电源电压达到预设的阈值电压后，采样电压高于基准电压Vref，比较器输出状态改变，逻辑电路控制时钟电路产生延时，100 ms后reset变为高电平，完成复位。

1．2 偏置电路
    精确的偏置电流是整个电路准确运行的基础，因此设计一种与电源电压无关的偏置电流I，如图2所示，其中：

由上式可知偏置电流与电源电压无关，但电阻具有温度系数，为了减小偏置电路的温度系数，电阻由正负温度系数的电阻按比例串联组成。poly2电阻为负温度系数，而N阱电阻为正温度系数，两者结合可以实现零温度系数。

图2中M5～M7组成启动电路，克服自偏置电路的零偏置点。NB，PB为偏置电流的镜像电流，为带隙基准、比较器电路和时钟电路提供偏置。
1．3 带隙基准电路
    作为比较器的比较基准，其高稳定性是比较结果准确性的关键，因此设计了一种低温度系数与电源电压无关的带隙基准。带隙基准由电源电压产生稳定精确的Vref，能克服电源电压的波动、温度的变化以及工艺误差等影响，输出稳定的参考电压。利用Veb和VT的温度特性来进行温度补偿，实现零温度系数。图3为带隙基准电路结构图，A，B点为运放的两个输入端，运放闭环，A，B两点等电位。

 式中，m为R2与R3的比值；n为Q2与Q1的比值；Veb为负温度系数；VT为正温度系数。所以选择合适的电阻比值和晶体管的面积比值，可以使输出参考电压获得最小的温度系数，当然电阻本身同样具有温度系数，但电阻以比值出现，可以忽略其影响。M1～M10构成运算跨导放大器，C1为运放的相位补偿，保证60°的相位裕度。
1．4 比较器电路
    比较器电路用于监测电源电压变化，能比较的电平越低越好，即具有较高的灵敏度。因此采用经典的二级比较器，它具有很高的开环增益，高于60 dB。合理设置差分输入管M1，M2和电流镜负载M3，M4的尺寸，保证了比较器低的失调电压。选择合适的尾电流大小，能提高压摆率，优化比较器的响应速度。其高增益、低失调、快速度特性保证了比较器准确对电源电压的监控。图4中M1～M5为第一级；M6，M7为第二级；Il，I2为2个缓冲级。

1．5 时钟电路
    为了增加复位信号的可靠性，这里增加了复位延时。其主要由振荡器和分频器组成，如图5所示。M1～M7和C1构成振荡器，EN为使能信号。EN为低电平时，振荡器开始工作，M5导通，M3，M4组成的电流源通过M5对电容C1充电；当电容上的电压上升到施密特触发器的V+时，施密特触发器反相，M6导通，电容通过M1，M2构成的电流沉放电；当电容上的电压下降到施密特触发器的V时，密特触发器反相，M5导通，这样周而复始，产生时钟信号。

分频器的作用是产生一定的延时来触发复位信号，增加复位信号的可靠性。其主要由一串D触发器构成的二分频电路构成，N级二分频构成的延时为：

1．6 采样电路
    采样电路由电阻网络实现，主要用于采集电源的变化。图1中的R1和R2构成采样电路，VCC_th为电源电压的门限电压，则：

考虑到静态电流，要求采样电阻阻值较大，一般2个采样电阻(即R1，R2)需大于100 kΩ。用较小的等阻值的电阻串联来提高精度，所以在版图中设计一些被短接的预留电阻，并通过激光调整的方法或修改顶层金属连线来调节电阻。电阻的高精度和良好的匹配性保证了被采集电源信号的准确性。

2 电路仿真
    利用0．6μm的CMOS工艺模型和HSpice仿真器，对设计的PoR进行仿真和优化。以下为仿真的主要结果。
    带隙基准的正常启动和精确性对PoR的准确工作至关重要。图6是对带隙基准启动过程的仿真，图中可见当电源上电过程中，带隙基准电路正常启动；图7是Vref随电源电压VCC的变化特性，由图可知，在电源电压VCC变化范围内(2．0～3．3 V)，Vref仅有2．5 mV的变化。

图8是对上电复位电路的上电、掉电和二次上电的仿真，图中可以看出电源缓慢上电，reset一直保持低电平，当超过3．08 V后振荡器开始工作，经过8个振荡周期reset变为高电平。

电源电压掉电低于3．08 V，reset变为低电平，再次上升达到电源阈值电压8个振荡周期后reset又变为高电平。仿真结果表明PoR具有高可靠性。为了减少仿真时间，本图仿真采用的是16分频器，而不是实际的100 ms延时。

3 版图设计
    作为设计与制造的纽带，版图的地位至关重要，模拟集成电路的性能很大程度受版图因素的影响。以下为版图设计中的一些注意点：
    (1)该带隙基准PNP管的面积比是8：1，做成3：3：3的结构，将面积为l的管子置于中心，保证匹配性；
    (2)该设计与电阻密切相关，电阻的失配会产生误差，将电阻做成叉指相间的形式，尽量减小电阻的不匹配；
    (3)运放的差动输入对的失配会产生失配影响电路性能，将差动对做成十字交叉形式，保证其对称性；
    (4)偏置电流要相对对称，减小失配引入的误差；
    (5)参考电压要远离跳变电压，总体布局时考虑到应力因素，将匹配性要求高的电路尽量置于应力较小处。

4 结 语
    设计了一种由精确的带隙基准比较器，用于门限设置和检测的内部电阻网络等组成的上电复位，具有复位延时，可以准确可靠提供复位信号，还具有良好的性能，可广泛用于处电脑、微控制器以及各种便携式电子产品中，实现对系统电压、电源电压和电池的监控。