一種基于電平檢測的上電復位電路

摘 要：本文通過與傳統的POR電路的比較，借鑒PTAT電壓的原理，基于電平檢測的思路提出了一種簡單可靠的POR電路，最后使用Candence HSPICE仿真，給出了該電路在HG_BD500HC1C 0.5um BCD工藝下的仿真結果。結果表明該電路受溫度影響小，響應快速，性能遠優于傳統的POR電路。

關鍵詞：上電復位；低溫度系數；電平檢測

為了確保電路系統工作在正常狀態，需要給電源一定的上電時間來達到穩定工作電壓。如果不提供一個復位信號來表明電路系統可以開始正常工作，例如數字寄存器和模擬積分器這些電路的初始化可能會產生混亂，使得整個電路處于邏輯混亂的狀態。由此，在整個上電及供電過程中都需要一個上電復位電路（PowerOn Reset Circuit，簡稱POR）來檢查電源是否處于正常的工作狀態。直到電源電壓達到正常工作狀態（起拉電壓）之前，POR電路都需要提供一個復位信號來阻止電路可能存在的邏輯混亂。[1]由于電路系統要時刻保證電源處于正常工作的狀態，所以上電復位電路需要時刻檢測電源電壓，在掉電及二次上電的過程中要提供及時快速的響應。

1 傳統的POR電路

傳統的POR電路基于RC充電原理，如圖1所示。當VDD開始上電時，電容開始充電，在電容兩端電壓超過次級反相器閾值之前，復位信號保持低電平。當電容兩端電壓超過次級反相器的閾值后，電路輸出高電平，上電復位過程結束。

該電路本質時通過RC充電的延時來實現合適的復位，利用PMOS代替了電阻。并聯的二極管可以在電源掉電的時候，讓電容迅速的放電，提高了電路在掉電過程中的響應。但是該電路難以做到對于不同上電速率的電源的及時響應。

2 基于電平檢測的POR電路

針對延時上電復位電路的問題，提出了基于電平檢測的上電復位電路?；驹硎怯秒娮璺謮壕W絡去放大三極管的基極發射極電壓，以此作為起拉電壓，借鑒PTAT電壓的產生原理，利用三極管的負溫度系數特性實現起拉電壓的溫度穩定性。當兩個二極管接法的三極管工作在不同的電流情況下，它們之間VBE的差值和溫度成正比。

那么，在Q1，Q2通過相同的電流的情況下，增大Q2的并聯數目使之為1：n，那么同樣它們之間VBE的差值和溫度成正比。

本文正是借鑒這個與溫度正相關的PTAT電壓來實現一個低溫度系數的上電復位電路。

具體電路實現如下：R1和R2提供了一個電阻分壓給次級三極管Q1，次級三極管Q2和Q3構成1：n的晶體管，Q2是二極管接法，與Q1的發射極通過電阻R3相連，PMOS管M1和M2構成1：1電流鏡為Q1，Q2和Q3供電。Q3發射極通過電阻R4后接地，Q3的集電極接Q4的基極和M2的漏端。Q4集電極通過R5接高電位，其發射極接地。次級的反相器接Q4的集電極，并輸出上電復位電路的復位信號。

當A點電壓不足以使得Q1導通時，Q2，Q3，Q4均截止，此時復位信號為低電平，表明電路還沒達到正常工作電壓。

隨著VDD逐漸增大，電阻分壓逐步增加，當分壓達到使得Q1導通的時候，與Q1處于同一支路的Q2由于是二極管接法也會導通。Q2與Q3基極相連，當Q2導通的時候Q3也會導通，此時M1和M2這兩個PMOS柵極相連構成的1：1電流鏡也開始工作。由于R4的電阻遠大于M1的導通電阻，使得Q4導通，那么復位信號為高電平，表明電路達到正常工作電壓。

由于兩路電流相同，當Q1導通的時候所在的電流鏡也開始工作，由于兩路電流相等，同時可知道R3上電阻分壓。由于Q2和Q3是1：n的關系，那么就可以得到此時VDD達到正常工作的電壓值（即該電路的起拉電壓VTP）。

對起拉電壓做溫度微分可知，為了獲得一個起拉電壓受溫度影響小的上電復位電路，則要通過調整R3，R4的值，使得VTPT≈0。而起拉電壓VTP的值可以通過R1和R2來進行靈活調整。

3 仿真結果

本文采用HG 0.5um BCD工藝模型和Candence HSPICE軟件對電路進行了仿真。按照該工藝支持的范圍，選擇了40℃，25℃，125℃；工藝角則選擇了FF，TT，SS；電源電壓選擇6.8V，7.6V，8.4V；上電速率選擇了100ms，100us，1s；不同的組合的仿真結果，顯示出此電路能完成上電復位功能。

從仿真結果可以看出，隨著VCC的逐步上升，輸出的復位信號在達到起拉電壓之后迅速變成高電平，完成了上電后產生復位信號的功能。

對電源掉電及二次上電的情況的仿真測試中可以看出，在VCC低于起拉電壓后，復位信號迅速從高電平掉至低電平，對電源掉電和二次上電的情況給出了快速的反應。在電源掉電沒有低于起拉電壓的時候，電路沒有給出錯誤的響應，證明了電路的穩定可靠。

組合仿真測試表明，由于電路參考了PTAT電壓的思路，利用BCD工藝的特性采用了具有負溫度系數特性的三極管，使得電路的起拉電壓受溫度波動的影響較小。同時也可以看出，在電源電壓波動的允許值內，該電路表現出了良好的抗電源干擾特性，滿足了上電復位電路的需求。

4 結語

隨著片內集成電路的不斷發展，對POR電路有了越來越高的要求，本文通過分析傳統的上電復位電路的優缺點，提出了一種基于電平檢測的POR電路。該電路性能穩定可靠，結構新穎簡單，具有良好的抗干擾特性，受溫度的影響較小，可以靈活的調整起拉電壓來滿足不同芯片的需求。最后利用Candence HSPICE進行了仿真驗證，得到了理想的結果。

參考文獻：

[1]HuyBinh Le， XuanDien Do， SangGug Lee， and SeungTak Ryu， “A Long ResetTime PowerOn Reset Circuit With BrownOut Detection Capability，” IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS—II： EXPRESS BRIEFS， VOL. 58， NO. 11， NOVEMBER 2011.

作者簡介：馮磊，男，漢族，四川成都人，碩士，主要從事模擬集成電路的研究和設計工作。