一种新型低功耗上电复位电路设计

之后,V_DD继续升高，当V_DD大于M₁管的阈值电压绝对值时,M₁、M₂管进入饱和区。此时，流过M₁、M₂管的电流为：

由于流过M₁、M₂管的电流相等，忽略沟道长度调制因子，由式(1).(2)可得A点电压为：

随着V_DD继续上升,M₃管进入饱和区，B点电压升高。当B点电压V_B达到反相器I₁的翻转电压V_M时,反相器L发生翻转，C点电位变为逻辑低电平,M₆管关闭，通过逻辑整形,POR电压被迅速拉低，至此便完成了系统复位功能。该点对应的V_DD电压为下拉电压。此时M₃、M₄、M₅工作在饱和区,M₆管等效为开关管，流过M₃、M₄、M₅管的电流为：

其中，χ可取4,5。

在V_DD等于下拉电压时,V_B等于Vm,M₆管开启，流过M₃管的电流等于流过M₄管和M₅管电流之和，忽略沟道长度调制效应，由以上公式可近似得出下拉电压为：

由式(6)可以看出，下拉电压仅与M₁、M_2、M₃、M₄、M₅的(W/L)和V_TH有关。

当V_DD从正常工作电压开始下降时,B点电压较高,C点电位为逻辑低电平，M₆管关断。V_DD如继续下降，B点电压降低到V_M,反相器I₁发生翻转,C点电压升高，经过逻辑整形，输出信号POR跟随V_DD。此时,M_3、M₄处于饱和区，M₆截止，由式(3)、式(5)近似可得到V_DD下降时的下拉电压为：

为防止电源上电时的噪声电压影响上电复位电路的可靠性，该电路通过反相器I₁、M₅和M₆管可实现下拉电压的迟滞。由式(6),(7)可得POR滞回电压V_R为：

V_R=V_T2—V_T3                               (8)

此外,本电路对电源电压在快速启动情况下的上电复位功能进行了补充。当V_DD为快速上电时，启动电路部分尚未开始工作，这时V_DD对电容C充电，使得M₇管漏端电压迅速上升,POR迅速变为高电平。当启动电路部分开始工作，并使M₇管打开，此时电容下极板上的电荷开始被M₇构成的电流源抽取，该点电压下降，从而使得POR恢复为低电平，从而完成了快速启动情况下的复位过程。

2  电路仿真及分析

本文设计的上电复位电路可采用0.5μmCMOS工艺实现,并利用HSPICE作为仿真工具。在该电路的仿真中，我们主要关心它的下拉电压、滞回电压以及Step Response条件下的复位脉宽。

2.1  下拉电压的仿真

用瞬态分析法，当电源电压在10ms时间内由0变为最高值时，可观察输出复位信号POR起拉及下拉电压点，其瞬态仿真波形图如图2所示。由波形可以看出，A点即为起拉电压点，B点为下拉电压点。

2.2  电压滞回的仿真

在电源电压下降的过程中，当其低于再次产生复位高电平的阈值点时，输出信号POR将再次产生一个逻辑“1”电平,为了防止振荡，应在电路中设置典型值为150mV的电压滞回。在典型条件下的POR滞回仿真曲线如图3所示。图3中,A曲线为V_DD从0〜3.6V的正向DC扫描曲线,B曲线为V_DD从3.6V~0的反向DC扫描曲线，由仿真波形可以看出，两曲线下拉电压存在150mV的滞回电压。

2.3  复位脉宽的仿真

StepResponse条件下的复位脉宽的仿真时，给电源电压加-快速阶跃信号(T_r=10ns),然后检测输出信号POR的复位功能及其高电平复位脉宽。图4所示为在典型条件下的脉宽仿真曲线。

2.4  容差结果及版图

为了保证电路在所有工艺和外部环境条件下都能正确工作,在设计中应对电路进行容差分析。在对下拉电压的容差分析中，对正、反两个方向的V_DD进行直流扫描。分别对一40°C、0°C、25°C,85°C四个温度点时所有45种工艺模型下的容差进行仿真的结果如表1和表2所列。

对快速启动情况下的复位脉宽的仿真同样可在-40°C、0笆、25°C,85°C四个温度点，以及3V,3.6V,5V,5.5V四个电源电压和所有45种工艺模型条件下完成，其仿真结果如表3所列。

通过以上的典型功能仿真分析和容差分析结果可以看出，本文设计的上电复位电路可以满足上电复位功能要求，并在所有工艺条件和外部信号条件下均能产生可靠的复位信号。

图5给出了该电路的版图部分，为便于调整快速启动时的复位脉宽，在版图设计中预留了与设计值相同大小的备用电容。

3  结论

根据低功耗电路的设计要求，本文设计了一种新型的高性能、低功耗上电复位电路，该电路结构简单,具有较高的复位可靠性,典型条件下的电源电流消耗仅为2.8μA,因而具有极低的功率损耗。此外，电路也解决了以往同类电路设计中存在的功耗和可靠性的矛盾。目前该电路已经成功应用于一款电源IC的设计中。