CN103066971B - 超低功耗高精度上电复位电路 - Google Patents

Abstract

一种超低功耗高精度上电复位电路，其特征在于：所述超低功耗高精度上电复位电路包括一分压电路、一参考电压产生电路、一迟滞比较器、一RC延迟电路、一施密特缓冲器、一输出驱动级、一第一输入电源、一第二输入电源和一输入地，所述分压电路用极低的功耗得到所述第一输入电源的采样电压，所述参考电压产生电路在产生低值电流源的同时生成随CMOS工艺角和温度变化不大的参考电压，所述迟滞比较器比较采样电压和参考电压，其输出经过所述RC延迟电路、所述施密特缓冲器和所述输出驱动级得到上电复位指示信号。本发明提供的超低功耗高精度上电复位电路，可以实现上电复位电路的超低功耗特性和上电复位翻转阈值的高精度。

Description

超低功耗高精度上电复位电路

技术领域

本发明涉及上电复位电路，具体涉及一种超低功耗高精度上电复位电路。

背景技术

在现今对各行业各领域要求节能环保的大趋势下，低功耗设计将在集成电路设计领域中成为重要规范，它对于一些电池供电系统尤为重要。由于一些电池供电系统是长时间连续工作，其中的一些探测系统甚至连续工作数月乃至数年，为了延长系统的使用时间，必须在电路设计环节做到低功耗设计。

上电复位电路是一种常见的长时间连续工作电路，很多低功耗系统要求其上电复位电路具有超低功耗特性，目前主流的方法是采用零静态功耗的自开关型上电复位电路，但是这种电路最大的缺陷是：该电路检测到的上电复位翻转阈值电压非常不准确，不适用于对翻转阈值精度要求较高的上电复位电路设计。为了实现较高精度的上电复位翻转阈值，传统的方法是产生一个精准的基准电压去做比较，但基准电压的产生会带来额外的功耗，不利于实现超低功耗设计。

发明内容

本发明的目的是，提供一种超低功耗高精度上电复位电路。利用场效应管的亚阈区工作特性，在产生低值电流源的同时生成随CMOS工艺角和温度变化不大的参考电压，从而在实现超低功耗的同时，也实现了上电复位翻转阈值的高精度。

本发明采用的技术方案为，一种超低功耗高精度上电复位电路，其特征在于：所述超低功耗高精度上电复位电路包括一分压电路、一参考电压产生电路、一迟滞比较器、一RC延迟电路、一施密特缓冲器、一输出驱动级、一第一输入电源、一第二输入电源和一输入地，所述分压电路用极低的功耗得到所述第一输入电源的采样电压，所述参考电压产生电路在产生低值电流源的同时生成随CMOS工艺角和温度变化不大的参考电压，所述迟滞比较器比较采样电压和参考电压，其输出经过所述RC延迟电路、所述施密特缓冲器和所述输出驱动级得到上电复位指示信号。

所述分压电路的1A端与所述迟滞比较器的3B端相连，所述分压电路的1B输入端与所述参考电压产生电路的2C端与所述迟滞比较器的3E端与所述RC延迟电路的4D端与所述施密特缓冲器的5C端与所述输出驱动级的6C端与所述输入地相连，所述分压电路的1C输入端与所述参考电压产生电路的2D端与所述迟滞比较器的3F端与所述RC延迟电路的4E端与所述施密特缓冲器的5D端与所述第一输入电源相连；所述参考电压产生电路的2A端与所述施密特缓冲器的3A端相连，所述参考电压产生电路的2B端与所述施密特缓冲器的3D端与所述RC延迟电路的4B端相连；所述施密特缓冲器的3C端与所述RC延迟电路的4A端相连；所述RC延迟电路的4C端与所述施密特缓冲器的5A端相连；所述施密特缓冲器的5B端与所述输出驱动级的6A端相连；所述输出驱动级的6B端为上电复位指示信号，所述输出驱动级的6D端与所述第二输入电源相连。

所述分压电路包括一第一P型场效应管MPR1、一第二P型场效应管MPR2和一第三P型场效应管MPR3，所述第一P型场效应管MPR1的源极与衬底相连于所述第一输入电源，所述第一P型场效应管MPR1的栅极与漏底相连于所述第二P型场效应管MPR2的源极；所述第二P型场效应管MPR2的源极与衬底相连，所述第二P型场效应管MPR2的栅极与漏底相连于所述第三P型场效应管MPR3的源极；所述第三P型场效应管MPR3的源极与衬底相连，所述第三P型场效应管MPR3的栅极与漏极相连于所述输入地。

所述参考电压产生电路包括一与所述第一输入电源相连的第四P型场效应管MP1、一与所述第四P型场效应管MP1及所述第一输入电源相连的第五P型场效应管MP2、一与第四P型场效应管MP1相连的第六P型场效应管MP3、一与所述第五P型场效应管MP2及所述第六P型场效应管MP3相连的第七P型场效应管MP4、一与所述第六P型场效应管MP3及第七P型场效应管MP4相连的第八P型场效应管MP5、一与所述第八P型场效应管MP5相连的第三N型场效应管MN3、一与所述第六P型场效应管MP3相连的电阻R2、一与所述电阻R2及输入地相连的第一N型场效应管MN1、一与所述第一N型场效应管MN1相连的启动电路、一与所述第一N型场效应管MN1及所述启动电路及所述第七P型场效应管MP4相连的第二N型场效应管MN2、一与所述第二N型场效应管MN2及输入地相连的电阻R1。

所述RC延迟电路包括一与所述RC延迟电路的4B端及所述第一输入电源相连的第九P型场效应管MP6、一与所述RC延迟电路的4A端及所述第九P型场效应管MP6及所述输入地相连的第四N型场效应管MN4、一与所述第九P型场效应管MP6及所述第四N型场效应管MN4相连的电容C0。

本发明利用场效应管的亚阈区工作特性，在产生低值电流源的同时生成随CMOS工艺角和温度变化不大的参考电压，并以此为基础实现了上电复位电路的超低功耗特性和上电复位翻转阈值的高精度。

附图说明

图1为本发明超低功耗高精度上电复位电路的电路结构框图。

图1中：1.分压电路；2.参考电压产生电路；3.迟滞比较器；4.RC延迟电路；5.施密特缓冲器；6.输出驱动级。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步阐述。

见图1，本发明的超低功耗高精度上电复位电路包括：分压电路（1）、参考电压产生电路（2）、迟滞比较器（3）、RC延迟电路（4）、施密特缓冲器（5）、输出驱动级（6）、第一输入电源VIN1、第二输入电源VIN2和输入地GNDA。

分压电路（1）的1A端与迟滞比较器（3）的3B端相连，该连接线为采样电压VSAM；分压电路（1）的1B输入端与参考电压产生电路（2）的2C端与迟滞比较器（3）的3E端与RC延迟电路（4）的4D端与施密特缓冲器（5）的5C端与输出驱动级（6）的6C端与输入地GNDA相连；分压电路（1）的1C输入端与参考电压产生电路（2）的2D端与迟滞比较器（3）的3F端与RC延迟电路（4）的4E端与施密特缓冲器（5）的5D端与第一输入电源VIN1相连。参考电压产生电路（2）的2A端与施密特缓冲器（3）的3A端相连，该连接线为参考电压VREF；参考电压产生电路（2）的2B端与施密特缓冲器（3）的3D端与RC延迟电路（4）的4B端相连。施密特缓冲器（3）的3C端与RC延迟电路（4）的4A端相连。RC延迟电路（4）的4C端与施密特缓冲器（5）的5A端相连。施密特缓冲器（5）的5B端与输出驱动级（6）的6A端相连。输出驱动级（6）的6B端为上电复位指示信号POR_OUT，输出驱动级（6）的6D端与第二输入电源VIN2相连。

分压电路（1）包括P型场效应管MPR1、MPR2和MPR3，其中P型场效应管MPR1的源极与衬底相连于第一输入电源VIN1，栅极与漏底相连于P型场效应管MPR2的源极；P型场效应管MPR2的源极与衬底相连，栅极与漏底相连于P型场效应管MPR3的源极；P型场效应管MPR3的源极与衬底相连，栅极与漏极相连于输入地GNDA，P型场效应管MPR3的源极电压即为第一输入电源的采样电压VSAM。

如果保证P型场效应管MPR1、MPR2和MPR3满足足够的匹配关系，则有另一方面，取P型场效应管MPR1、MPR2和MPR3的宽长比为足够小，则可以得到极低功耗下的采样电压V_SAM。

参考电压产生电路（2）包括：P型场效应管MP1、MP2、MP3、MP4、MP5；N型场效应管MN1、MN2、MN3；电阻R1、R2。N型场效应管MN1、MN2、电阻R1和P型场效应管MP1、MP2、MP3、MP4构成的共源共栅电流镜构成电流源产生电路，其中P型场效应管MP1、MP2、MP3、MP4构成的共源共栅结构保证了超低电流情形下电流镜的镜像比。为了得到超低电流，电阻R1的取值较大，在超低电流情形下，N型场效应管MN1和MN2工作在亚阈区，其亚阈区电流分别为

$I_{D\_\mathrm{MN}1}\≈I_{D0}\×{\left(\frac{W}{L}\right)}_{\mathrm{MNI}}\×e^{\frac{V_{\mathrm{GSI}}-V_{\mathrm{THN}}}{n{V}_T}},$

$I_{D\_\mathrm{MN}2}\≈I_{D0}\×{\left(\frac{W}{L}\right)}_{\mathrm{MN}2}\×e^{\frac{V_{\mathrm{GS}2}-V_{\mathrm{TH}}}{n{V}_T}},$

其中I_D0的典型表达式I_D0＝2n×u_n×C_OX×V_T ²，n为亚阈系数，一般取值为1~3，V_T为热电压，其表达式为

将VGS₁-VGS₂＝I_{D_MN2}×R1，I_{D_MN1}≈I_{D_MN2}代入I_{D_MN1}和I_{D_MN2}的表达式，得到

$I_{D\_\mathrm{MNI}}\≈n{V}_T\×\mathrm{Ln}\left[\frac{{\left(\frac{W}{L}\right)}_{\mathrm{MN}2}}{{\left(\frac{W}{L}\right)}_{\mathrm{MN}1}}\right]/R1$

所以R2两端的电压为 $V_{R2}=I_{D\_\mathrm{MN}1}\×R2\≈\frac{R2}{R1}\×n{V}_T\×\mathrm{Ln}\left(M\right),$ 其中 $M=\frac{{\left(\frac{W}{L}\right)}_{\mathrm{MN}2}}{{\left(\frac{W}{L}\right)}_{\mathrm{MN}1}},$ 同时得到

$V_{\mathrm{GS}1}=n{V}_T\×\mathrm{Ln}\left[\frac{\frac{R2}{R1}\×n{V}_T\×\mathrm{Ln}\left(M\right)}{2n\×u_n{C}_{\mathrm{OX}}{V_T}^2\×{\left(\frac{W}{L}\right)}_{\mathrm{MN}1}}\right]+V_{\mathrm{THN}}=n{V}_T\×\mathrm{Ln}\left[\frac{\frac{R2}{R1}\×\mathrm{Ln}\left(M\right)}{{2u}_n{C}_{\mathrm{OX}}{V}_T\×{\left(\frac{W}{L}\right)}_{\mathrm{MN}1}}\right]+V_{\mathrm{THN}}$

由V_GS1和V_R2的表达式得到参考电压为

$V_{\mathrm{REF}}=V_{\mathrm{GS}1}+V_{R2}=n{V}_T\×\left\{\mathrm{Ln}\right[\frac{\frac{R2}{R1}\×\mathrm{Ln}\left(M\right)}{{2u}_n{C}_{\mathrm{OX}}{V}_T\×{\left(\frac{W}{L}\right)}_{\mathrm{MN}1}}]+\frac{R2}{R1}\×\mathrm{Ln}\left(M\right)\}+V_{\mathrm{THN}}=V_{\mathrm{PTAT}}+V_{\mathrm{THN}}$

上式中，V_PTAT为一正温系数电压，且受工艺角的影响较小；V_THN为一负温系数电压，且受工艺角的影响较大。如果在电路设计中，在温度系数较低的同时保证V_PTAT＞V_THN，则工艺角和温度对V_REF的影响都很小。因此，通过上述参考电压产生电路（2）可以产生超低功耗高精度的参考电压。

迟滞比较器（3）对采样电压V_SAM和参考电压V_REF作比较，以比较器恰好翻转对应的第一输入电源VIN1的电压值作为上电复位翻转阈值，由于前述参考电压产生电路（2）产生了高精度的参考电压V_RFE，因此该上电复位翻转阈值也为高精度的值。

RC延迟电路（4）包括P型场效应管MP6、N型场效应管MN4和电容C0。参考电压产生电路（2）的2B端连接P型场效应管MP6的栅极，为RC延迟电路（4）提供弱充电电流；迟滞比较器（3）的3C端连接N型场效应管MN4的栅极，为RC延迟电路（4）提供控制信号，控制电容C0的充电和放电。若充电电流和大电容C0可以使上电复位电路获得较长时间的延迟。

施密特缓冲器（5）消除了第一输入电源VIN1的干扰对上电复位过程的影响，加强了上电复位电路的抗干扰能力。

输出驱动级（6）将上电复位电路的输出由第一输入电源域转换到第二输入电源域，并提供了足够的驱动能力。

本发明利用场效应管的亚阈区工作特性，在产生低值电流源的同时生成随CMOS工艺角和温度变化不大的参考电压，并以此为基础实现了上电复位电路的超低功耗特性和上电复位翻转阈值的高精度。

Claims (3)

1.一种上电复位电路，其特征在于：所述上电复位电路包括一分压电路、一参考电压产生电路、一迟滞比较器、一RC延迟电路、一施密特触发器、一输出驱动级、一第一输入电源、一第二输入电源和一输入地，所述分压电路用极低的功耗得到所述第一输入电源的采样电压，所述参考电压产生电路在产生低值电流源的同时生成随CMOS工艺角和温度变化不大的参考电压，所述迟滞比较器比较所述采样电压和所述参考电压，其输出依次经过所述RC延迟电路、所述施密特触发器和所述输出驱动级后得到一上电复位指示信号；

所述分压电路的1A端与所述迟滞比较器的3B端相连，所述分压电路的1B输入端、所述参考电压产生电路的2C端、所述迟滞比较器的3E端、所述RC延迟电路的4D端、所述施密特触发器的5C端、所述输出驱动级的6C端均与所述输入地相连，所述分压电路的1C输入端、所述参考电压产生电路的2D端、所述迟滞比较器的3F端、所述RC延迟电路的4E端、所述施密特触发器的5D端均与所述第一输入电源相连；所述参考电压产生电路的2A端与所述迟滞比较器的3A端相连，所述参考电压产生电路的2B端与所述迟滞比较器的3D端及所述RC延迟电路的4B端相连；所述迟滞比较器的3C端与所述RC延迟电路的4A端相连；所述RC延迟电路的4C端与所述施密特触发器的5A端相连；所述施密特触发器的5B端与所述输出驱动级的6A端相连；所述输出驱动级的6B端输出所述上电复位指示信号，所述输出驱动级的6D端与所述第二输入电源相连；

其中，所述参考电压产生电路包括P型场效应管MP1、MP2、MP3、MP4、MP5，N型场效应管MN1、MN2、MN3，电阻R1、R2，以及一启动电路，所述场效应管MP1的第一电极、所述场效应管MP2的第一电极和所述场效应管MP5的第一电极均与所述第一输入电源相连，所述场效应管MP1的第二电极和所述场效应管MP3的第一电极相连，所述场效应管MP2的第二电极和所述场效应管MP4的第一电极相连，所述场效应管MP1的控制电极和所述场效应管MP2的控制电极均与所述场效应管MP4的第二电极相连，所述场效应管MP3的控制电极和所述场效应管MP4的控制电极均与所述场效应管MP5的控制电极相连，所述场效应管MP5的控制电极与其第二电极以及所述场效应管MN3的第一电极相连，所述场效应管MP3的第二电极经所述电阻R2后与所述场效应管MN1的第一电极相连，并且从所述场效应管MP3的第二电极输出所述参考电压，所述场效应管MP4的第二电极与所述场效应管MN2的第一电极相连，所述场效应管MN1、MN3的第二电极均接所述输入地，所述场效应管MN1的控制电极和所述场效应管MN2的控制电极相连后接所述场效应管MN3的控制电极，所述场效应管MN1的第一电极与其控制电极相连，所述场效应管MN1的控制电极接启动电路，所述场效应管MN2的第二电极经所述电阻R1后与所述输入地相连；所述第一输入电源与所述参考电压产生电路相连的端点为所述2D端，所述输入地与所述参考电压产生电路相连的端点为所述2C端，所述场效应管MP1的控制电极与所述场效应管MP2的控制电极的连接端点为所述2B端，生成所述参考电压的端点为所述2A端。

2.如权利要求1中所述的上电复位电路，其特征在于：所述分压电路包括P型场效应管MPR1、MPR2和MPR3，所述场效应管MPR1的源极与衬底相连于所述第一输入电源，所述场效应管MPR1的栅极与漏极相连于所述场效应管MPR2的源极；所述场效应管MPR2的源极与衬底相连，所述场效应管MPR2的栅极与漏极相连于所述场效应管MPR3的源极，并且从所述场效应管MPR2的漏极输出所述采样电压；所述场效应管MPR3的源极与衬底相连，所述场效应管MPR3的栅极与漏极相连于所述输入地，所述第一输入电源与所述分压电路相连的端点为所述1C输入端，所述输入地与所述分压电路相连的端点为所述1B输入端，生成所述采样电压的端点为所述1A端。

3.如权利要求1中所述的上电复位电路，其特征在于：所述RC延迟电路包括P型场效应管MP6，N型场效应管MN4和一电容C0，所述场效应管MP6的第一电极与所述第一输入电源相连，所述场效应管MP6的第二电极与所述场效应管MN4的第一电极相连，所述场效应管MP6的第二电极经所述电容C0后接所述输入地，所述场效应管MP6的控制电极接所述参考电压产生电路的所述2B端，所述场效应管MN4的第二电极接所述输入地，所述场效应管MN4的控制电极接所述迟滞比较器的所述3C端；所述场效应管MP6的第一电极与所述第一输入电源相连的端点为所述4E端，所述场效应管MP6的控制电极处的端点为所述4B端，所述场效应管MN4的控制电极处的端点为所述4A端，所述场效应管MN4与所述输入地相连的端点为所述4D端，所述场效应管MP6的第二电极处的端点为所述4C端。