基于电平检测的POR电路设计

更新时间:2020-07-15 来源:工程论文 点击:

【www.rjdtv.com--工程论文】

摘要

  为了确保电路系统工作在正常状态, 需要给电源一定的上电时间来达到稳定工作电压。如果不提供一个复位信号来表明电路系统可以开始正常工作, 例如数字寄存器和模拟积分器这些电路的初始化可能会产生混乱, 使得整个电路处于逻辑混乱的状态。由此, 在整个上电及供电过程中都需要一个上电复位电路 (Power-On Reset Circuit, 简称POR) 来检查电源是否处于正常的工作状态。直到电源电压达到正常工作状态 (起拉电压) 之前, POR电路都需要提供一个复位信号来阻止电路可能存在的逻辑混乱。[1]由于电路系统要时刻保证电源处于正常工作的状态, 所以上电复位电路需要时刻检测电源电压, 在掉电及二次上电的过程中要提供及时快速的响应。

基于电平检测的POR电路设计

  1、传统的POR电路

  传统的POR电路基于RC充电原理, 如图1所示。当VDD开始上电时, 电容开始充电, 在电容两端电压超过次级反相器阈值之前, 复位信号保持低电平。当电容两端电压超过次级反相器的阈值后, 电路输出高电平, 上电复位过程结束。

  该电路本质时通过RC充电的延时来实现合适的复位, 利用PMOS代替了电阻。并联的二极管可以在电源掉电的时候, 让电容迅速的放电, 提高了电路在掉电过程中的响应。但是该电路难以做到对于不同上电速率的电源的及时响应。

  2、基于电平检测的POR电路

  针对延时上电复位电路的问题, 提出了基于电平检测的上电复位电路。基本原理是用电阻分压网络去放大三极管的基极-发射极电压, 以此作为起拉电压, 借鉴PTAT电压的产生原理, 利用三极管的负温度系数特性实现起拉电压的温度稳定性。当两个二极管接法的三极管工作在不同的电流情况下, 它们之间VBE的差值和温度成正比。

  那么, 在Q1, Q2通过相同的电流的情况下, 增大Q2的并联数目使之为1:n, 那么同样它们之间VBE的差值和温度成正比。本文正是借鉴这个与温度正相关的PTAT电压来实现一个低温度系数的上电复位电路。具体电路实现如下:R1和R2提供了一个电阻分压给次级三极管Q1, 次级三极管Q2和Q3构成1:n的晶体管, Q2是二极管接法, 与Q1的发射极通过电阻R3相连, PMOS管M1和M2构成1:1电流镜为Q1, Q2和Q3供电。Q3发射极通过电阻R4后接地, Q3的集电极接Q4的基极和M2的漏端。Q4集电极通过R5接高电位, 其发射极接地。次级的反相器接Q4的集电极, 并输出上电复位电路的复位信号。

  当A点电压不足以使得Q1导通时, Q2, Q3, Q4均截止, 此时复位信号为低电平, 表明电路还没达到正常工作电压。随着VDD逐渐增大, 电阻分压逐步增加, 当分压达到使得Q1导通的时候, 与Q1处于同一支路的Q2由于是二极管接法也会导通。Q2与Q3基极相连, 当Q2导通的时候Q3也会导通, 此时M1和M2这两个PMOS栅极相连构成的1:1电流镜也开始工作。由于R4的电阻远大于M1的导通电阻, 使得Q4导通, 那么复位信号为高电平, 表明电路达到正常工作电压。

  由于两路电流相同, 当Q1导通的时候所在的电流镜也开始工作, 由于两路电流相等, 同时可知道R3上电阻分压。由于Q2和Q3是1:n的关系, 那么就可以得到此时VDD达到正常工作的电压值 (即该电路的起拉电压VTP) 。对起拉电压做温度微分可知, 为了获得一个起拉电压受温度影响小的上电复位电路, 则要通过调整R3, R4的值, 使得。而起拉电压VTP的值可以通过R1和R2来进行灵活调整。

  3、仿真结果

  本文采用HG 0.5um BCD工艺模型和Candence HSPICE软件对电路进行了仿真。按照该工艺支持的范围, 选择了-40℃, 25℃, 125℃;工艺角则选择了FF, TT, SS;电源电压选择6.8V, 7.6V, 8.4V;上电速率选择了100ms, 100us, 1s;不同的组合的仿真结果, 显示出此电路能完成上电复位功能。

  从仿真结果可以看出, 随着VCC的逐步上升, 输出的复位信号在达到起拉电压之后迅速变成高电平, 完成了上电后产生复位信号的功能。对电源掉电及二次上电的情况的仿真测试中可以看出, 在VCC低于起拉电压后, 复位信号迅速从高电平掉至低电平, 对电源掉电和二次上电的情况给出了快速的反应。在电源掉电没有低于起拉电压的时候, 电路没有给出错误的响应, 证明了电路的稳定可靠。组合仿真测试表明, 由于电路参考了PTAT电压的思路, 利用BCD工艺的特性采用了具有负温度系数特性的三极管, 使得电路的起拉电压受温度波动的影响较小。同时也可以看出, 在电源电压波动的允许值内, 该电路表现出了良好的抗电源干扰特性, 满足了上电复位电路的需求。

  4、结语

  随着片内集成电路的不断发展, 对POR电路有了越来越高的要求, 本文通过分析传统的上电复位电路的优缺点, 提出了一种基于电平检测的POR电路。该电路性能稳定可靠, 结构新颖简单, 具有良好的抗干扰特性, 受温度的影响较小, 可以灵活的调整起拉电压来满足不同芯片的需求。最后利用Candence HSPICE进行了仿真验证, 得到了理想的结果。

  参考文献
  [1]Huy-Binh Le, Xuan-Dien Do, Sang-Gug Lee, and SeungTak Ryu, “A Long Reset-Time Power-On Reset Circuit With Brown-Out Detection Capability, ”IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS—II:EXPRESS BRIEFS, VOL.58, NO.11, NOVEMBER 2011.

本文来源:http://www.rjdtv.com/gongchenglunwen/4914.html