CN113424447A

CN113424447A - 温度变化时开关电平精度提高的上电复位电路的阈值检测器

Info

Publication number: CN113424447A
Application number: CN202080014103.7A
Authority: CN
Inventors: A.博内利; S.奇卡
Original assignee: Ams International AG
Current assignee: Ams International AG
Priority date: 2019-02-12
Filing date: 2020-02-12
Publication date: 2021-09-21
Also published as: WO2020165250A1; US20220131538A1; DE112020000779T5

Abstract

一种上电复位电路包括阈值检测器电路。阈值检测器电路包括电源电压、电压比较器、第一电路、第二电路和第三电路。电压比较器具有第一输入端和第二输入端，以及提供复位信号的输出端。第一电路能够操作以将电源电压转换成感测电流，并向感测电流提供正温度系数。第二电路能够操作以基于感测电流产生对应于电源电压的温度相关电压，并将温度相关电压耦合到电压比较器的第一输入。第三电路能够操作以基于感测电流产生参考电压，并将参考电压耦合到电压比较器的第二输入。

Description

温度变化时开关电平精度提高的上电复位电路的阈值检测器

技术领域

本发明涉及上电复位电路。

背景技术

上电复位(Power On Reset，POR)电路存在于许多电子设备中，更具体地，存在于单片集成电路(IC)上。当设备的电源电压出现上升事件时，POR用于将设备的一个或多个组件初始化为已知状态。它通过当电源电压低于某个阈值时使其输出的复位(RESET)信号有效(assert)来实现这一点，使得组件能够保持在作为已知初始状态的复位状态。当电源电压上升到接近设备正常操作电压范围的可预测和稳定行为的电平以上时，应当使输出的RESET信号无效(de-assert)。

发明内容

本公开描述了用于基于电子设备(例如，单片集成电路)的测量电源电压选择性地将该电子设备的一个或多个组件初始化为已知状态的POR电路。所描述的POR电路的实施方式可以用于提供高精度的开关电平而不需要复杂的电路，例如带隙电压或电流参考电路，这些电路趋向于更大的面积并且具有更高的静态电流。例如，这使得POR电路能够在芯片上的更小面积中实现(例如，与一些其他POR电路相比)。

在一方面，本公开描述了一种包括阈值检测器电路的上电复位电路。阈值检测器电路包括电源电压、电压比较器、第一电路、第二电路和第三电路。电压比较器具有第一输入端和第二输入端，以及提供复位信号的输出端。第一电路能够操作以将电源电压转换成感测电流，并向感测电流提供正温度系数。第二电路能够操作以基于感测电流产生对应于电源电压的温度相关电压，并将温度相关电压耦合到电压比较器的第一输入。第三电路能够操作以基于感测电流产生参考电压，并将参考电压耦合到电压比较器的第二输入。

该方面的实施方式可以包括一个或多个以下特征。

一些实施方式中，第一电路包括具有随着温度的升高而降低的基极-发射极电压的晶体管。

一些实施方式中，第一电路还包括耦合到晶体管的电阻网络。电阻网络包括与晶体管串联的电阻元件和与晶体管并联的电阻元件。

一些实施方式中，与晶体管串联的电阻元件包括在节点处电连接到一个的第一电阻元件和第二电阻元件。与晶体管并联的电阻元件电连接到节点。

一些实施方式中，第二电路和第三电路中的每一个都包括相应的晶体管。第二电路中的晶体管的基极-发射极电压比第三电路中的晶体管的基极-发射极电压对温度更敏感。

一些实施方式中，第二电路中的晶体管具有比第三电路中的晶体管更大的发射极面积。

一些实施方式中，第二电路中的晶体管的宽长比(aspect ratio)大于第三电路中的晶体管的宽长比。

一些实施方式中，第二电路中的晶体管的宽长比与第三电路中的晶体管的宽长比之比为10。

一些实施方式中，当耦合到电压比较器的第一输入的温度相关电压大于耦合到电压比较器的第二输入的参考电压时，电压比较器能够操作以提供具有第一电压值的第一信号作为复位信号。此外，当耦合到电压比较器的第一输入的温度相关电压小于耦合到电压比较器的第二输入的参考电压时，电压比较器能够操作以提供具有第二电压值的第二信号作为复位信号。第一电压值小于第二电压值。

一些实施方式中，第一电压值对应于数字0，第二电压值对应于数字1。

一些实施方式中，上电复位电路包括脉冲宽度发生器。脉冲宽度发生器能够操作以接收复位信号，并基于复位信号产生用于初始化电子设备的一个或多个组件的控制信号。

一些实施方式中，电子设备是单片集成电路。

一些实施方式中，该单片集成电路是单片集成电路的一部分。

在以下的附图和说明书中阐述了一个或多个实施方式的细节。从说明书和附图以及权利要求中，其他特征和优点将显而易见。

附图说明

图1是POR电路的示例阈值检测器的功能框图。

图2是POR电路的示例阈值检测器的图。

图3是POR电路的另一个示例阈值检测器的图。

具体实施方式

一般来说，POR电路分为两个功能阶段：阈值检测器和脉冲宽度发生器。阈值检测器能够操作以检测电源电压何时高于或低于用于设备进行操作的某个电源电压电平，并且作为响应，产生复位信号以触发脉冲宽度发生器的操作。当被触发时，脉冲宽度发生器能够操作以产生用于初始化电子设备的一个或多个组件的控制信号(例如，具有脉冲的控制信号，其持续时间足够长以使得耦合到POR电路的组件初始化)。本描述集中于阈值检测器电路。

图1是POR电路150的示例阈值检测器100的功能框图。阈值检测器100包括电源电压传感器102、参考电压或电流104以及电压或电流比较器106。

在阈值检测器100的示例操作中，电源电压102测量电源电压(例如，向诸如单片集成电路的电子设备供电的电信号的电压)，并向电压或电流比较器106提供测量的电压的指示。电压或电流比较器106将测量的电压与参考电压或电流104进行比较，并基于比较选择性地产生RESET信号。RESET信号被提供给脉冲宽度发生器150，脉冲宽度发生器150产生控制信号以将电子设备组件的一个或多个组件初始化为已知状态(例如，由于电源电压的变化(例如当电源电压高于或低于设备正常操作所需的某个电源电压时)，将组件“复位”为已知状态)。

POR电路的重要功能是在设备的电源电压出现下降事件时复位组件(例如，产生RESET信号以控制脉冲宽度发生器120的操作)，以在电压对于可预测的行为而言太低时禁用设备的一些或全部功能。在某些情况下，用于上升和下降电源电压的开关电平不重叠，但上升开关电平可以高于下降开关电平。例如，当电源电压超过阈值电压V_{threshold,high}时，POR可以产生RESET信号，当电源电压降低到阈值电压V_{threshold,low}以下时，POR可以产生RESET信号，其中V_{threshold,high}大于V_{threshold,low}。

POR电路的操作受到面积和静态电流的限制。由于该电路通常仅在上电和掉电期间操作，因此与分配用于实现该设备的其他功能的面积相比，可以专用于该功能的物理面积(例如，芯片的面积)相对较小。此外，在IC由电池供电的实施例中，重要的是静态电流与设备的总漏电流具有相同的数量级，例如小于1μA。

当为单片IC设计POR电路时，需要解决的问题是在出现工艺和温度变化的情况下开关电平的变化。在许多实施方式中，由于各种设备参数(例如金属氧化物半导体(MOS)晶体管的阈值电压V_th，双极晶体管的基极-发射极电压V_be以及MOS晶体管的参数β和输出电阻)的漂移，这些电路显示出很高的不精确性。当在低电压电源(例如，1.8V或更低)下操作时，这种不精确性尤其重要。在开关电平存在高扩展(high spread)的情况下，POR电路可以在电源电压过低不能保证电路的复位时或者在开关电平过高(例如，高于设备的最小操作电压)时无效，其结果是设备不上电。

一种减小开关电平扩展的方法是设计开关电平是设备参数的比率的函数的POR电路，以避免依赖于设备参数的绝对精度。这是因为，在IC工艺技术中，相同类型设备的参数之间的精确比率相对容易获得，而绝对值的设计则相对困难。

图2示出了POR电路250的阈值检测器200的示例，其中电压比较器202(例如，运算放大器)用于产生RESET信号以触发脉冲宽度发生器(图2中未示出)产生用于初始化电子设备的一个或多个组件的控制信号。当电压比较器202的“-”端的电压大于电压比较器202的“+”端的电压时，电源电压VDD足够高以使设备进行操作，因此RESET信号低(例如，数字0)，并且设备能够进行操作。相反，当电压比较器202的“-”端的电压小于电压比较器202的“+”端的电压时，电源电压VDD不够高，设备无法进行操作，RESET信号为高(例如，数字1)，由POR电路250控制的其他设备功能被禁用(例如，经由通过脉冲宽度发生器产生的控制信号)。

在示出的POR电路250中，双极晶体管Q₂从晶体管M3偏置以产生相对稳定的参考电压V_be,2。提供电阻R₁、由晶体管M₁和M₂形成的电流镜、第二电阻R₂和第二双极晶体管Q₁以产生与电源电压VDD成比例的电压。在示例中，晶体管M₁和M₂各自的W₁和W₂的比率为2∶1(W₁＝2*W₂)，并且晶体管M₂和M₃基本上彼此相同，其中W_N是MOS晶体管M_N的信道宽度，L_N是MOS晶体管M_N的信道长度。

电压比较器202能够操作以产生指示参考电压(在“+”端)和感测电压(在“-”端)的相对值的输出信号(RESET)。RESET信号指示电源电压VDD是否足够高以使其他设备进行操作。开关电平取决于Q₁和Q₂之间的面积比，其中Q₁的面积比Q₂的面积大N倍(例如8倍)。例如，Q₁可以被实现为与晶体管Q₂基本相同的N个并联晶体管。R₁和R₂的比率提供了相对精确的开关电平。

在操作中，在包括M₁和R₁的电路的第一支路中，感测电源电压VDD并将其转换成对应的电流(I_sense)。感测电流被缩放(例如，通过因子0.5)和镜像，并且在电路的第二支路和第三支路中基本上相等地流动(一个支路包括M₂、R₂和Q₁；另一个支路包括M₃和Q₂)。因此，在示出的示例中，电流I_sense/2在电路的第二支路和第三支路的每一个中流动。

由于V_be相对于其偏置电流的对数相关性，Q₂具有保持相对恒定的基极-发射极电压V_be。因此，耦合到电压比较器202的输入的第三支路中的电压用作参考电压。

随着电压VDD增加，电流I_sense基本上线性增加，因此R₂两端的电压也基本上线性增加。第二支路中的电压对应于感测电压并且耦合到电压比较器202的输入。

当电压比较器202的输入处的电压相等时，达到图2中POR电路250的开关电平并且其可以由以下等式给出：

其中V_T为KT/q，并且在300K时为～26mV。

项V_GS1相对较小，因此这里可以忽略。值得注意的是，开关电平取决于设备的比率(R₁/R₂和Q₁/Q₂)，而不是设备参数的绝对值。此外，开关电平具有来自V_T因子的正温度系数。

因为开关电平取决于设备的比率(R₁/R₂和Q₁/Q₂)，所以在低电源电压下操作的设备会出现潜在问题，因为温度系数可以约为2.5mV/℃，导致V_SWITCH变化较大，尤其是在操作温度范围较宽的情况下。

这种温度漂移的影响可以通过精确控制电源感测电流的温度系数来补偿。例如，图3示出了补偿图2的POR电路类型的开关电平的温度漂移的修改电路300，并根据设备参数比率而不是绝对精度来保留开关电平的设置。

如图3示出,修改电路300通过向感测电流V_sense添加正温度系数来解决温度漂移。在图3的电路300中，图2的电阻R₁被电阻网络R₃、R₄、R₅和晶体管Q₃取代。在一些实施例中，电阻R₅可以是与双极晶体管Q₃的1/gm并联的基极电阻。

图3的电路300能够操作以产生随着温度升高而增加的感测电流I_sense。具体地，Q₃具有随着温度升高而降低(例如，降低大约2.5mV/℃)的基极-发射极电压(V_be)，这拉低了连接R₃、R₄和R₅的节点处的电压。这继而又增加了R₃两端的电压，导致更高的感测电流I_sense。

随着温度的升高，流经R₂的电流也会增加。由于Q₁具有比Q₂更大的(发射极)面积，因此Q₁对温度变化更敏感。具体地，(V_be,Q1-V_be,Q2)具有负温度系数。因此，将正温度系数添加到感测电流I_sense中可以有助于补偿温度漂移。

图3中电路的开关电平可以用下面的等式来近似:

其中NQ是Q₁和Q₂之间的宽长比(例如，在图3示出的示例实施例中为10)。

在该等式中，V_T和V_be,Q3具有相反的温度系数(例如，V_T随着温度的升高而升高，而V_be,Q3随着温度的升高而降低)。因此，通过适当调整R₃、R₄和R₅的尺寸，可以在整个温度范围内保持开关电平近似恒定。例如，可以选择各种组件的值，使得由V_T和V_be,Q3引起的变化在感兴趣的温度范围内趋于相互抵消。

因此，图3的电路300可以通过为电源感测电流插入精确的温度相关性来补偿温度变化的影响。具体地，图3的电路300提供了开关电平温度漂移的第一级校正。因此，该特征可以提供高精度的开关电平而不需要复杂的电路，例如带隙电压或电流参考电路，这些电路趋向于更大的面积并且具有更高的静态电流。例如，计算机模拟指示，与一些其他电路相比，电路300可以提供4440μm²的减少量(例如，减少30.4％)。

这里描述的技术可用于各种单片IC。

尽管图3的示例电路300采用了PNP双极晶体管(例如，具有位于两个P掺杂层之间的N掺杂半导体层的晶体管)，在一些实施方式中可以使用NPN晶体管(例如，具有位于两个N掺杂层之间的P掺杂半导体层的晶体管)。此外，各种晶体管(例如Q₁和Q₂；M₁和M₂，M₃)的具体相对尺寸可以与上述示例不同。

虽然本说明书包含许多具体细节，但这些细节不应被解释为对可能要求保护的范围的限制，而是应被解释为对特定于特定示例的特征的描述。本说明书中在单独的实施例的上下文中描述的某些特征也可以组合。相反，在单独实施例的上下文中描述的各种特征也可以在多个实施例中单独实施或者以任何合适的子组合实施。

已经描述了许多实施例。然而，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种修改。因此，其他实施方式也在权利要求的范围内。

Claims

1.一种上电复位电路，包括:

阈值检测电路，包括:

电源电压；

具有第一输入端和第二输入端的电压比较器，所述电压比较器还具有提供复位信号的输出端；

第一电路，能够操作以将所述电源电压转换成感测电流，其中，所述第一电路向所述感测电流提供正温度系数；

第二电路，能够操作以基于所述感测电流产生对应于所述电源电压的温度相关电压，并将所述温度相关电压耦合到所述电压比较器的第一输入；以及

第三电路，能够操作以基于所述感测电流产生参考电压，并将所述参考电压耦合到所述电压比较器的第二输入。

2.根据权利要求1所述的上电复位电路，其中，所述第一电路包括具有随着温度的升高而降低的基极-发射极电压的晶体管。

3.根据权利要求2所述的上电复位电路，其中，所述第一电路还包括耦合到所述晶体管的电阻网络，其中所述电阻网络包括与所述晶体管串联的电阻元件和与所述晶体管并联的电阻元件。

4.根据权利要求3所述的上电复位电路，其中，与所述晶体管串联的所述电阻元件包括在节点处电连接到一个的第一电阻元件和第二电阻元件，并且其中与所述晶体管并联的所述电阻元件电连接到所述节点。

5.根据权利要求1所述的上电复位电路，其中，所述第二电路和所述第三电路中的每一个都包括相应的晶体管，其中所述第二电路中的所述晶体管的基极-发射极电压比所述第三电路中的所述晶体管的基极-发射极电压对温度更敏感。

6.根据权利要求5所述的上电复位电路，其中，所述第二电路中的所述晶体管具有比所述第三电路中的所述晶体管更大的发射极面积。

7.根据权利要求5所述的上电复位电路，其中，所述第二电路中的所述晶体管的宽长比大于所述第三电路中的所述晶体管的宽长比。

8.根据权利要求7所述的上电复位电路，其中，所述第二电路中的所述晶体管的宽长比与所述第三电路中的所述晶体管的宽长比之比为10。

9.根据权利要求1所述的上电复位电路，其中，所述电压比较器能够操作以：

当耦合到所述电压比较器的第一输入的所述温度相关电压大于耦合到所述电压比较器的第二输入的所述参考电压时，提供具有第一电压值的第一信号作为所述复位信号，以及

当耦合到所述电压比较器的第一输入的所述温度相关电压小于耦合到所述电压比较器的第二输入的所述参考电压时，提供具有第二电压值的第二信号作为所述复位信号，

其中，所述第一电压值小于所述第二电压值。

10.根据权利要求9所述的上电复位电路，其中，所述第一电压值对应于数字0，所述第二电压值对应于数字1。

11.根据权利要求1所述的上电复位电路，还包括脉冲宽度发生器，其中，所述脉冲宽度发生器能够操作以接收所述复位信号，并基于所述复位信号产生用于初始化电子设备的一个或多个组件的控制信号。

12.根据权利要求11所述的上电复位电路，其中，所述电子设备是单片集成电路。

13.根据权利要求12所述的上电复位电路，其中，所述上电复位电路是所述单片集成电路的一部分。