低功耗复位电路

1、新型低功耗上电复位电路总述 上电复位(Power-on reset)电路广泛应用于各种数字电路和数模混合电路中，对触发器、寄存器以及锁存器等单元电路进行复位，保证电路在上电过程中能正常启动。 系统在上电过程中，当电源电压未达到正常工作电压时，逻辑电路会发生工作混乱。上电复位电路在电源电压上升过程中首先输出无效复位电平，直到电源电压达到系统规定的正常工作电压后，才迅速产生一个有效复位电平，该复位电平可对数字电路进行复位操作。有效复位电平维持一段时间后变为无效复位电平，形成有效复位脉冲。 系统的开发朝着低功耗和高可靠性的方向发展。本文针对传统上电复位电路存在的问题，设计了一种新型低功耗上电复位电路

2、。 传统上电复位电路 这种电路基于RC充放电原理。利用NMOS管NM0的栅电容和PMOS管PM0的导通电阻来调整RC时间常数，通过RC延时来定义节点A电位的上升速率。PMl和反相器INV3组成反馈锁存结构。电源电压VDD在上升过程中，当超过PM0的阈值电压后，电源开始对NM0栅电容充电，与此同时，上电复位信号Vout也跟着上升。当NM0栅电压升至反相器INVl的翻转电压时，上电复位信号由高变低，即Vout信号发生翻转，从而输出有效复位脉冲。 （1）当电源电压短时间内突然掉电后再快速上电时，电容不能完全放电，再次充电时不能产生有效复位脉冲； （2）当电源电压上升到翻转点附近抖动时，电路会多次出现

3、复位脉冲； （3）有效复位脉冲出现时间和脉冲宽度不可控制。 这几个问题对芯片的功能和性能影响较大，本文提出的上电复位电路可以有效地解决上述问题。缺点新型低功耗上电复位电路 新型上电复位电路由电源检测延时电路、延迟整形电路和脉冲产生电路三部分构成。电源检测电路 电源上电时，A点电压通过NM0的栅电容跟随电源电压上升，此时PM0处于截止状态。当A点电压上升到一定值时，两个以二极管形式连接的NMl和NM2亚阈值导通，此后A点电位缓慢降低，导致PM0导通，电源对NM3的栅电容充电。当B点电压达到施密特触发器SCHl的翻转电压时，触发器发生翻转，此时SCH1的输出由高电平跳变为低电平。在电源检测延时过程

4、中，C点的翻转时刻取决于B点的电压，而B点充电情况由A点电压变化决定，A点电压的变化取决于二极管串联的数目以及二极管的尺寸，故二极管的导通时间tDIO以及NM3的栅电容充电时间tNM3决定电路的延时，所以，电源检测延时电路的延时为：t1=tDIO+tNM3 C点到E点之间为延迟整形电路，PM2、PM3、PM4、NM4构成反相器结构；同样，PM6、PM7、NM6也构成反相器结构，NM5和NM7为MOS电容。反相器结构以及MOS管尺寸决定电容的充电速率，进而影响延迟时间。MOS电容NM5达到施密特触发器翻转电压所需的充电时间tNM5决定C点信号到D点信号的延迟；同样，MOS电容NM7的充电时间tN

5、M7决定D点信号到E点信号的延迟。D点和E点之间的延迟时间tNM7是复位脉冲的宽度，可通过调节反相器和MOS电容来改变时间常数，从而控制复位脉冲宽度。信号经过延迟整形电路所需的时间为：t2=tNM5+tNM7延迟整形电路 经过整形和延迟的D点和E点信号经过异或门XOR后再经过反相器INV和或非门NOR可输出复位脉冲，最终VPOR输出正常的有效复位脉冲信号，保证电路可以准确无误地工作。由于信号通过门电路的时间极短，脉冲产生电路几乎没有信号延时。至此,电路输出复位脉冲开始时间为： t3=tDIO+tNM3+tNM5 复位脉冲宽度为tNM7，则输出脉冲结束时间为： t4=tDIO+tNM3+tNM5

6、+tNM7 电路中,MOS管PM1、PM5、PM8作反偏二极管使用，其作用是在电源快速掉电后为MOS电容NM3、NM5、NM7提供一条放电通路，以便快速释放电容上的电荷，确保电源二次快速上电能正常产生复位脉冲，提升电路的可靠性。脉冲产生电路电路功耗分析 由图2可看出，电路中连接MOS电容的支路上不会有电流消耗，电流通路只出现在门电路和施密特触发器中。在电路工作时，门电路存在动态功耗,时间极短,可通过调节MOS管尺寸来降低动态电流。例如，在脉冲产生电路中，增大门电路中MOS管的栅长。而门电路的静态电流几乎为零，近似无功耗。 传统施密特触发器 传统的施密特触发器在工作过程中会出现两条通路在两个不同

7、的时间段内分别导通，因此会有较大的电流消耗，这对于低功耗电路的应用来说是不可取的。 低功耗施密特触发器由三个NMOS管和三个PMOS管构成，如图3所示。当Vin为高电平时，PM1截止，NM1导通，PM2导通，NM2截止，PM0截止，NM0导通，Vout输出低电平。反之，当Vin为低电平时，Vout输出高电平。在工作过程中，PM1的源端不能升到电源电压，NM1的源端也不能降至地电位，故电路具有迟滞效应。由于电路中电流通路必经过PM0和NM0，这两个MOS管在电路稳定时总有一个处于截止状态，只流极小的漏电流，且电路动态电流时间极短，因此，该施密特触发器功耗极低。低功耗施密特触发器 如图4所示，电源

8、VDD在1ms内从0 V上升到1.1 V，新型上电复位电路在3.55 ms时输出1.1 V的复位脉冲，脉冲宽度为4.5us。电路的静态电流为63 nA，瞬态峰值电流为44.5uA。表1给出电源VDD在不同上电情况下的仿真结果。仿真结果与分析 图5所示为电路在三种不同情况下的可靠性仿真结果。 第一个时间段为上电缓慢仿真：当上电时间为30 ms，正常输出1.1 V的复位脉冲信号，表明电路在上电缓慢的条件下也能正常工作； 第二个时间段为电源出现较大波动时的仿真：电源由1.1 V降到0.7 V后再升至1.1 V，没有输出复位脉冲，表明电路具有较强的抗电源噪声能力； 第三个时间段为二次上电仿真：电源在上电后，突然在1us内快速掉电，接着在1us内快速上电，输出1.1 V正常复位脉冲，表明电路快速掉电后迅速重启时能正常工作。 表2给出近几年发表的上电复位电路的电源电压、功耗和面积的对比。可以看出，本文所讲的电路在功耗和面积上都具有明显优势。结论 本文讲述了一种新型上电复位电路。该电路由电源检测延时电路、延迟整形电路和脉冲产生电路三部分构成