CN204190734U - 一种上电复位电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种起拉电压稳定且可调节的上电复位电路，所述上电复位电路包括电压检测电路、初始化及POR产生电路、掉电初始化电路以及POR输出驱动及断电控制电路。电源上电过程，初始化及POR产生电路初始化电路电平和产生POR复位信号，电压检测电路检测电源电压是否达到上电起拉电压，POR输出驱动及断电控制电路输出POR复位信号以及复位完成后关闭电压检测电路，掉电初始化电路在电源掉电时快速释放节点电荷从而恢复电路状态到电源上电前。所述上电复位电路具有稳定的上电翻转电压，高可靠性和低静态功耗，解决了快速掉电和二次上电时复位失效的问题。适用于对功耗和上电起拉电压敏感的电路中。
Description
技术领域
本实用新型属于电子电路技术领域，具体涉及一种上电复位电路。
背景技术
上电复位电路(Power-On-Reset circuit)，简称POR，广泛应用于各种数字电路和系统中，由于在系统上电的过程中，电源电压在未达到正常工作电压的时候，电路的逻辑门会发生非正常的逻辑翻转从而造成整个电路逻辑的混乱以至于系统不能正常启动工作。因此通过POR电路来确保整个电路上电过程的正确启动。
上电复位电路在电源上电过程中一直保持输出有效复位电平(低或高电平)，直到电源电压上升到系统规定的某一正常工作电压后复位信号翻转(无效复位电平)，完成上电复位过程。复位信号翻转时的电源电压值称为“上电起拉电压”(the Trip-Point Voltage，记作VTP)。
一般来讲，一个上电复位电路要尽量满足以下要求：
1，上电起拉电压高于电路初始化要求的电压；
2，对于工艺和温度变化不敏感的稳定的起拉电压；
3，对电源掉电和二次上电要能产生正确的响应。
同时，随着半导体工艺的迅速发展和芯片集成度的不断提高，对芯片功耗的要求也越来越高，因此低功耗也是电路设计时必须考量的重要因素之一。
传统的上电复位电路是基于RC充电网络实现的，在集成电路中电阻通常用长沟道的PMOS管来实现，电容通常使用MOS电容实现。
常见的单边上电复位电路如图1所示当电源VDD上电时，电源通过M1对一直电容C1充电，节点A的电压在一段时间小于反向器的翻转阈值电压，输出POR复位信号。当节点A电压超过翻转电压，输出POR变高，复位结束。这种电路的结构简单，但是抗干扰能力差，电源VDD出现波动时也可能会产生复位信号。而且对于不同的电源上电时间，上电起拉电压差别较大，特别当上电时间超过RC时间时，起拉电压可能达不到电路初始化的要求。
又如，对于如图2所示的“双边上电复位”电路，虽然稳定性稍好，对电源抗干扰能力也比前一种好，但也同样存在起拉电压变化范围大，不能满足要求的情况。
另一种如图3所示的上电复位电路，采用两个级联的PMOS管具有检测电源电压的功能，只有当电源VDD电压大于两个PMOS管的阈值电压之和时，电源才会对节点A充电。虽然起拉电压不会因为上电过慢而过低，但是由于PMOS管阈值电压受工艺、温度等条件影响较大，因此起拉电压变化范围较大。
另外，以上几种电路还存在二次上电失效的缺陷。由于PN结电压的存在，当电源掉电时，回路中的节点电压在掉到PN结电压以下时只能缓慢地漏电到地电势，因此当回路电荷未被完全释放时再二次上电，上电复位电路就不能产生正确的复位信号从而复位失效。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种起拉电压稳定且可调节的上电复位电路，尤其是对功耗和上电起拉电压敏感的上电复位电路。
本实用新型的一种上电复位电路，包括电压检测电路，初始化及POR信号产生电路，掉电初始化电路和POR输出驱动及断电控制电路，
所述的电压检测电路的输出端连接所述的初始化及POR信号产生电路的第一输入端，
所述的掉电初始化电路的输出端连接所述的初始化及POR信号产生电路的第二输入端，
所述的初始化及POR信号产生电路的输出端连接所述的POR输出驱动及断电控制电路的输入端，
所述的POR输出驱动及断电控制电路的第二输出端连接所述的电压检测电路的输入端，
所述的POR输出驱动及断电控制电路第一输出端为POR复位信号。
进一步的，所述电压检测电路连接电源VDD，
所述的电压检测电路的输出端连接所述的初始化及POR信号产生电路中的与非门X2的一个输入端，
所述POR输出驱动及断电控制电路第一输出端为POR复位信号，第二输出端接两个串接的反向器连接所述的电压检测电路的输入端。
进一步的，所述的电压检测电路包括PMOS管M1、PMOS管M2、PMOS管M3、PMOS管M4、PMOS管M5、PMOS管M8、PMOS管M10和PMOS管M11，
所述的电压检测电路还包括NMOS管M6、NMOS管M7和NMOS管M9，
PMOS管M1的源极接电源VDD，其栅极接断电控制电路输出节点V7，
PMOS管M1、PMOS管M2、PMOS管M3、PMOS管M4和PMOS管M5采用两两串联的方式，PMOS管M1、PMOS管M2、PMOS管M3、PMOS管M4和PMOS管M5的栅极接同一个参考电压，
NMOS管M6和NMOS管M7采用典型电流镜接法，其源极接GND，漏极分别与PMOS管M2和PMOS管M5的漏极连接，
PMOS管M8和NMOS管M9组成开关管，由断电控制电路控制，
PMOS管M10采用二极管接法，其源极和栅极接电源VDD，其漏极接所述的电压检测电路输出端，
PMOS管M11的源极接电源VDD，其漏极接所述电压检测电路输出端，其栅极接断电控制电路输出节点V8，
所述的PMOS管M2、PMOS管M3与PMOS管M4、PMOS管M5，以及NMOS管M6与NMOS管M7管分别具有相同的沟道长度，根据不同的起拉电压要求按比例调节宽长比且具有良好的匹配性，
所述的电压检测电路检测电源VDD的电压值是否达到上电起拉电压，以控制POR信号翻转；
所述初始化及POR信号产生电路包括反向二极管接法的NMOS管M13，反相器X1和二输入与非门X2，以及电容C2，
NMOS管M13的源极和栅极接地GND，反相器X1的输入接与非门X2输出以及NMOS管M13的漏极，
反相器X1输出端接与非门X2一输入端以及输出到POR输出驱动及断电控制电路，
所述的反相器X1中PMOS管的阈值电压值小于与非门X2中PMOS管的阈值电压值，
所述初始化及POR信号产生电路用于上电时初始化电路电平及产生POR信号；
所述掉电初始化电路包括PMOS管M12和电阻R1，PMOS管M12的漏极连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端接地，电阻R1的电阻值在1MΩ～10MΩ，PMOS管M12的源极和栅极接电源VDD，PMOS管M12的漏极，接初始化及POR产生电路的节点V5，
电阻R1具有大的电阻值，当复位结束后，电阻R1有极小的到地GND电流.电阻R1也可以用栅极受控的NMOS管替代，当电源VDD掉电到某一阈值以下时，NMOS管打开以释放节点V5电荷。
所述掉电初始化电路,当电源VDD掉电时，提供放电路径使初始化及POR信号产生电路节点V5放电到零电势；
所述POR输出驱动及断电控制电路包括反相器X3、反相器X4和反相器X5，
反相器X3的输入接反相器X1的输出，反相器X3输出接反相器X4输入，反相器X4输出接反相器X5输入，反相器X5输出POR信号，
反相器X3和反相器X4输出两路反向断电控制信号，在POR复位完成后关闭所述的电压检测电路；
其中，节点V7连接PMOS管M1的栅极，
节点V8连接PMOS管M11的栅极，
节点V5连接反相器X1的输入。
本实用新型的上电复位电路具有以下几个优点：
1，采用特殊结构的电压检测电路，保证了满足要求的较高且稳定的上电起拉电压，而且此电压可以根据具体需求可调节；
2，高可靠性和抗干扰能力，只有电源VDD掉电到阈值电压以下时，才会产生二次复位信号；
3，具有掉电初始化的功能，能够对快速掉电和二次上电做出正确的响应；
4，由于电压检测电路工作在亚阈值区域，电路具有低的动态功耗和静态功耗。
附图说明
图1是现有技术中的单边上电复位电路原理图；
图2是现有技术中双边上电复位电路原理图；
图3是现有技术中具有电源电压检测功能的上电复位电路原理图；
图4是本实用新型实施例中的一种起拉电压稳定且可调节的上电复位电路的原理示意图；
图5是本实用新型实施例中的一种起拉电压稳定且可调节的上电复位电路的具体电路原理图；
图6是本实用新型实施例中电路电源上电时的节点V4电压波形图；
图7是本实用新型实施例中电路上电、掉电及二次上电过程节点电压波形图。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更容易和清楚地理解本实用新型的技术手段和特征以及具体的优点和效果，下面结合具体的应用实例来描述本实用新型的具体实施方式。
如图4所示的电路原理示意图，本实用新型的上电复位电路包括电压检测电路，初始化及POR产生电路，掉电初始化电路和POR输出驱动及断电控制电路。
上述示意图的具体电路原理图如图5所示，所述电压检测电路连接电源VDD，检测输出连接初始化及POR产生电路中与非门X2的一个输入端，电压检测电路的打开关闭由断电控制电路控制；所述初始化及POR产生电路输出接POR输出驱动及断电控制电路；所述掉电初始化电路输出接初始化及POR产生电路；所述POR输出驱动及断电控制电路第一输出为POR复位信号，第二输出为两个反向的控制信号连接电压检测电路，控制复位完成后电路断电。
上述电压检测电路包括PMOS管M1-M5、M8、M10和M11；NMOS管M6、M7和M9。M1的源极接电源VDD，栅极接断电控制电路输出节点V7。M2-M5采用两两串联的方式，其栅极接同一电压(所述图5具体实例中都接GND，但也可采用其它器件替代M2-M5)。M6和M7采用典型电流镜接法，它们的源极接GND，漏极分别于M2和M5的漏极连接。M8和M9组成开关管，由断电控制电路控制。M10采用二极管接法，源极和栅极接VDD，漏极接电压检测电路输出。M11源极接VDD，漏极接检测电路输出，栅极接断电控制电路输出节点V8.所述电路的M2、M3与M4、M5，和M6与M7管分别具有相同的沟道长度，根据不同的起拉电压要求按比例调节宽长比且必须具有良好的匹配性。所述电路主要是检测电源电压值是否达到上电起拉电压，以控制POR信号翻转。
上述初始化及POR产生电路包括反向二极管接法的NMOS管M13，反相器X1和二输入与非门X2，以及电容C2。NMOS管M13的源极和栅极接GND，反相器X1的输入接与非门输出和NMOS管M13的漏极，反相器X1输出端接与非门一输入端以及输出到POR输出驱动及断电控制电路。所述电路的反相器X1中PMOS管的阈值电压值(即VTHP)必须小于与非门X2中PMOS管的阈值电压值。所述电路用来做上电时初始化电路电平及产生POR信号。
上述掉电初始化电路包括PMOS管M12和大电阻R1。PMOS管M12的源极和栅极接电源VDD，PMOS管M12的漏极，以及电阻R1的上端接节点V5，电阻R1下端接GND，所述电路当电源掉电时提供放电路径使初始化及POR产生电路节点V5放电到零电势。
上述POR输出驱动及断电控制电路包括反相器X3、X4、X5。反相器X3的输入接上一级的输出，X3输出接X4输入，X4输出接X5输入，X5输出POR信号，控制整个系统或电路的复位。反相器X3和X4输出两路反向断电控制信号，在POR复位完成后关闭电压检测电路。
再参阅图5所示电路，本实用新型的工作过程分为如下几个阶段：
1，当电源VDD上电之前节点V5和V6的电压以及POR输出均为0，当电源开始上电到VTHP(反相器X1中PMOS管的阈值电压)，由于与非门X2中PMOS管的阈值电压值大于反相器X1中PMOS管的VTHP。因此反相器X1中的PMOS管先打开并对节点V6充电使其电压上升到VDD。而通过后面的分析我们也会知道节点V4的电压也会跟随VDD，因此，通过与非门的反馈输出又强制节点V5电压为0。这样POR的输出也是低电平，也就完成了整个电路的初始化和复位POR信号的输出。
2，当电源VDD上电到PMOS管阈值电压以上时，参考前面的分析，此时反相器X3和X4的输出(节点V7和V8)分别为0和VDD，电压检测电路开始工作。由于电源电压较小，PMOS管M1-M5和NMOS管M6、M7构成等效比较器电路，虽然M2-M5的栅极接相同电势，但由于MOS管之间存在的宽长比差别便引入失调电压。随着电源VDD上电，节点V4电压呈现先上升后下降的曲线。(如图6所示)当节点V4的电压下降到与电源VDD的差值达到与非门X2翻转阈值电压时，与非门X2中对应的PMOS管打开，对节点V5充电直到达到反相器X1的翻转阈值电压，使节点V6拉低，POR输出拉高到VDD，完成复位过程。此时相应的VDD电压即为上电起拉电压。同时节点V7和V8分别变为VDD和0，关闭电压检测电路。
3，当电源VDD开始掉电时，掉电初始化电路部分开始工作。节点V5通过PMOS管M12和电阻R1放电，当电源VDD掉电到PMOS管阈值电压以下时，PMOS管M12截止，节点V5只能通过电阻R1掉电到地GND。
通过前面的分析知道，如果节点V5在电源上电时电压不为0，可能导致初始化失败，不能产生POR复位信号，导致复位失效。因此所述掉电初始化电路很好的解决了快速二次上电失效的问题。
4，随着电源VDD再一次上电，重复上述过程1-2部分的上电过程。(如图7所示)
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本实用新型的目的，而并非用作对本实用新型的限定，只要在本实用新型的实质范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本实用新型的权利要求的范围内。
Claims (4)
1.一种上电复位电路，其特征在于，包括电压检测电路，初始化及POR信号产生电路，掉电初始化电路和POR输出驱动及断电控制电路，
所述的电压检测电路的输出端连接所述的初始化及POR信号产生电路的第一输入端，
所述的掉电初始化电路的输出端连接所述的初始化及POR信号产生电路的第二输入端，
所述的初始化及POR信号产生电路的输出端连接所述的POR输出驱动及断电控制电路的输入端，
所述的POR输出驱动及断电控制电路的第二输出端连接所述的电压检测电路的输入端，
所述的POR输出驱动及断电控制电路第一输出端为POR复位信号。
2.如权利要求1所述的上电复位电路，其特征在于，所述电压检测电路连接电源VDD，
所述的电压检测电路的输出端连接所述的初始化及POR信号产生电路中的与非门X2的一个输入端，
所述POR输出驱动及断电控制电路第一输出端为POR复位信号，第二输出端接两个串接的反向器连接所述的电压检测电路的输入端。
3.如权利要求2所述的上电复位电路，其特征在于，
所述的电压检测电路包括PMOS管M1、PMOS管M2、PMOS管M3、PMOS管M4、PMOS管M5、PMOS管M8、PMOS管M10和PMOS管M11，
所述的电压检测电路还包括NMOS管M6、NMOS管M7和NMOS管M9，
PMOS管M1的源极接电源VDD，其栅极接断电控制电路输出节点V7，
PMOS管M1、PMOS管M2、PMOS管M3、PMOS管M4和PMOS管M5采用两两串联的方式，PMOS管M1、PMOS管M2、PMOS管M3、PMOS管M4和PMOS管M5的栅极接同一个参考电压，
NMOS管M6和NMOS管M7采用典型电流镜接法，其源极接GND，漏极分别与PMOS管M2和PMOS管M5的漏极连接，
PMOS管M8和NMOS管M9组成开关管，由断电控制电路控制，
PMOS管M10采用二极管接法，其源极和栅极接电源VDD，其漏极接所述的电压检测电路输出端，
PMOS管M11的源极接电源VDD，其漏极接所述电压检测电路输出端，其栅极接断电控制电路输出节点V8，
所述的PMOS管M2、PMOS管M3与PMOS管M4、PMOS管M5，以及NMOS管M6与NMOS管M7管分别具有相同的沟道长度，根据不同的起拉电压要求按比例调节宽长比且具有良好的匹配性，
所述的电压检测电路检测电源VDD的电压值是否达到上电起拉电压，以控制POR信号翻转；
所述初始化及POR信号产生电路包括反向二极管接法的NMOS管M13，反相器X1和二输入与非门X2，以及电容C2，
NMOS管M13的源极和栅极接地GND，反相器X1的输入接与非门X2输出以及NMOS管M13的漏极，
反相器X1输出端接与非门X2一输入端以及输出到POR输出驱动及断电控制电路，
所述的反相器X1中PMOS管的阈值电压值小于与非门X2中PMOS管的阈值电压值，
所述初始化及POR信号产生电路用于上电时初始化电路电平及产生POR信号；
所述掉电初始化电路包括PMOS管M12和电阻R1，PMOS管M12的漏极连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端接地，电阻R1的电阻值在1MΩ～10MΩ，
所述POR输出驱动及断电控制电路包括反相器X3、反相器X4和反相器X5，
反相器X3的输入接反相器X1的输出，反相器X3输出接反相器X4输入，反相器X4输出接反相器X5输入，反相器X5输出POR信号，
反相器X3和反相器X4输出两路反向断电控制信号，在POR复位完成后关闭所述的电压检测电路；
其中，节点V7连接PMOS管M1的栅极，
节点V8连接PMOS管M11的栅极，
节点V5连接反相器X1的输入。
4.如权利要求3所述的上电复位电路，其特征在于，所述掉电初始化电路包括PMOS管M12和栅极受控的NMOS管。
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