史良俊，袁敏民

（無錫力芯微電子股份有限公司，江蘇無錫 214028）

1 引言

在含有數(shù)字電路的集成電路中，復(fù)位電路是一種不可或缺的模塊。其作用是在上電時，將內(nèi)部的觸發(fā)器、寄存器或者鎖存器等具有復(fù)位或者置數(shù)功能的存儲單元配置成初始狀態(tài)，保證電路在上電過程中能正常啟動[1]，防止其由于出現(xiàn)高阻態(tài)或者不定態(tài)從而影響電路的初始功能。此外，當電源電壓下降到一定幅度時，也需要對存儲單元進行復(fù)位或者置數(shù)。特別是用DC-DC 供電的電路，在電源掉電后由于大電容的存在，DC-DC 的輸出電壓經(jīng)過長時間下降后會突然升高，此時電路如果沒有低壓復(fù)位功能，又會在原來的狀態(tài)下突然進入工作狀態(tài)，從而引起整個系統(tǒng)的異常。

對一個良好的復(fù)位電路的要求應(yīng)該包括：能在電源電壓和預(yù)定閾值電壓之間進行精確檢測，功耗低，對工藝、電壓和溫度變化不敏感以及盡量減少芯片面積等[2]。由于復(fù)位電路的應(yīng)用十分廣泛，在不同的應(yīng)用場景下對于電源上電的時間要求也不同[3]。目前通常用兩種方案進行復(fù)位電路設(shè)計：第一種常見的復(fù)位電路結(jié)構(gòu)基于RC 充電原理，該電路結(jié)構(gòu)簡單、功耗低，但無法在電源電壓上電較慢的情況下使用，并且抗干擾能力較低；第二種較為先進的復(fù)位電路采用帶隙和遲滯比較器來生成上電復(fù)位信號[4-5]，帶隙基準可以提高對溫度和電源電壓的抗干擾能力，但消耗了額外的功耗且需占用較大的芯片面積[6]。為了實現(xiàn)高可靠性以及低成本，本文設(shè)計了另一種超低功耗的復(fù)位電路。

2 常用設(shè)計方案

2.1 基于RC 的低功耗復(fù)位電路

常用的基于RC 的低功耗復(fù)位電路結(jié)構(gòu)如圖1 所示，這種電路基于RC 充放電原理，由延遲單元和脈沖產(chǎn)生電路構(gòu)成[7]，其中延遲單元利用串聯(lián)的電阻和電容來實現(xiàn)，使電容以低通特性跟蹤電源并提供足夠的復(fù)位時間[8]。

圖1 基于RC 的低功耗復(fù)位電路

當電源快速上電后，由于電容的存在，電容上端的A 點不跟隨電源電壓快速變化。而隨著電阻上的電流對電容充電，A 點的電壓逐漸上升，在A 點電壓小于施密特觸發(fā)器的輸入高電壓閾值VIH時，輸出信號一直處于復(fù)位狀態(tài)，當A 點電壓上升到VIH時，其輸出翻轉(zhuǎn)，結(jié)束復(fù)位狀態(tài)。該電路的優(yōu)點如下：沒有靜態(tài)功耗，結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)容易，通過設(shè)計施密特觸發(fā)器的VIH可以調(diào)整其復(fù)位電壓的值。但是該電路也存在幾個缺點：這種結(jié)構(gòu)只有上電復(fù)位功能，沒有掉電或者低壓復(fù)位功能；對于規(guī)模較大或者需要較長時間復(fù)位信號的集成電路，如果需要較好的復(fù)位效果，則要求電容和電阻的值較大，這需要犧牲較大的面積，不利于片上集成[9]；如果上電過程緩慢，由于電容有足夠的時間充電，有可能無法觸發(fā)復(fù)位功能，特別是當上電時間大于電路的時間常數(shù)RC時，A 點電壓的變化和電源電壓的上升過程保持一致，系統(tǒng)不能完成復(fù)位，從而造成電路的初始狀態(tài)異常[10]。如果復(fù)位結(jié)構(gòu)不具有低壓復(fù)位功能，在一些應(yīng)用場合使用就會受到明顯的限制。

2.2 基于參考電壓的復(fù)位電路

基于參考電壓的復(fù)位電路結(jié)構(gòu)如圖2 所示，即比較電壓復(fù)位結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由啟動電路、偏置電路、參考電壓以及比較器構(gòu)成。

圖2 基于參考電壓的復(fù)位電路

當電路上電后，啟動電路啟動，給偏置電路一個初始的電壓或者電流信號，激發(fā)偏置電路工作并待偏置電路穩(wěn)定后，啟動電路關(guān)閉。偏置電路一方面給參考電壓模塊提供偏置電壓，另一方面提供恒流的充電電流，用來給圖2 中的電容C1進行充電，通過調(diào)整充電電流，可以配置復(fù)位時間的長短。參考電壓決定了復(fù)位電壓的高低。上電伊始，輸出信號為復(fù)位狀態(tài)，對電路狀態(tài)進行初始化。當偏置電路的電流對電容充電時，電容上的電壓逐漸升高，當電壓升高到接近或者超過參考電壓時（門限取決于比較電路的輸入失調(diào)電壓大?。容^電路翻轉(zhuǎn)，復(fù)位狀態(tài)結(jié)束。

此種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點為可以精確控制復(fù)位電壓，具有上電復(fù)位和低壓復(fù)位功能，通過配置偏置電流可以設(shè)定復(fù)位時間，對溫度和工藝變化的敏感性較低[11]。其最大缺點是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，版圖面積較大，需要消耗較多的器件，直接導(dǎo)致成本的升高。此外，由于這種設(shè)計中偏置電路、比較電路等結(jié)構(gòu)處于持續(xù)導(dǎo)通狀態(tài)（即復(fù)位狀態(tài)結(jié)束后電路仍舊正常工作，消耗靜態(tài)電流），靜態(tài)電流一般都會大于5 μA[12]，不符合低功耗設(shè)計要求，在電池供電的設(shè)備中需要謹慎使用。

3 超低功耗復(fù)位電路設(shè)計

為了解決第2 節(jié)所述方案的問題，本文討論了一種新型的超低功耗復(fù)位電路結(jié)構(gòu)。

3.1 設(shè)計原理

本文論述的設(shè)計方案如圖3 所示（器件中柵上有“○”的為增強型PMOS 管，柵上沒有“○”的為增強型NMOS 管）。P1一般采用倒比設(shè)計，用來提高其開啟電壓，其正常導(dǎo)通電流大于N1的電流；N1和N2二者皆由微電流偏置模塊提供偏置電壓，P2則作為開關(guān)使用，其寬長比在圖3 中的幾個晶體管中是最大的，正常導(dǎo)通的電流遠大于N2的電流。在P2的漏端和柵之間引入正反饋電路，用來在信號跳變時進行加速，并起到一定的遲滯作用，N1和P1的柵直接相連。

圖3 超低功耗復(fù)位電路設(shè)計方案

上電后，首先微電流偏置模塊進入工作狀態(tài)，提供納安級的偏置電流，由于只有寄生電容存在，因此N1和N2柵壓快速上升。此時，由于電源電壓仍然較低，且P1是倒比PMOS 管，其柵壓不足以將其開啟，N1的漏端產(chǎn)生低電壓，開啟P2管；由于P2管導(dǎo)通后的電流遠大于N2，因此P2的漏端輸出高電平，正反饋模塊會加速降低P2的柵壓，升高其漏端電壓。該狀態(tài)下輸出的信號為有效復(fù)位信號，電路進入復(fù)位狀態(tài)。

隨著電源電壓的繼續(xù)升高，P1逐漸進入導(dǎo)通狀態(tài)，由于P1導(dǎo)通后電流大于N1，因此其漏端電壓被逐漸抬高，由于正反饋電路的存在起到了遲滯作用，降低了其漏端電壓提升的速度。當P1漏端電壓足夠高時，P2逐漸進入關(guān)斷模式，而N2則是由偏置提供的柵壓，處于恒流導(dǎo)通狀態(tài)，P2的漏端電壓逐漸降低，當觸發(fā)到正反饋模塊的平衡點后正反饋啟動，加速P2的柵壓抬高以及漏端電壓的降低速度。由此，電路快速退出復(fù)位狀態(tài)，初始化結(jié)束。

當電源電壓由高到低下降時，P1首先進入截止狀態(tài)，隨后其漏端電壓下降，P2逐漸進入開啟狀態(tài)，P2漏端電壓上升，輸出復(fù)位信號，電路進入復(fù)位狀態(tài)。

本設(shè)計的優(yōu)點有：結(jié)構(gòu)簡單、占用面積小、成本低，靜態(tài)電流極低（一般在1～2 μA，如果微電流偏置設(shè)計得更小，可以小于1 μA），同時具有上電復(fù)位和低壓復(fù)位功能。這種設(shè)計也存在固有的缺陷：由于采用器件的開啟電壓作為判定條件，P1完全開啟的觸發(fā)點即復(fù)位電壓Vrst接近于N1的閾值電壓VN1th和P1的閾值電壓VP1th之和：

以華潤微電子的5 V、0.25 μm 工藝為例，NMOS管的開啟電壓為0.9 V 左右，PMOS 管的開啟電壓為1.05 V 左右，兩個器件的開啟電壓之和約為1.95 V，因此這個設(shè)計的復(fù)位電壓基本上在1.95 V 左右。通過調(diào)整偏置電流、器件寬長比等方式，只能使得復(fù)位電壓在1.95 V 附近的較小范圍內(nèi)變化。采用鋰電池供電（供電范圍為3.3～4.3 V），或者家電上的5 V 供電，這種結(jié)構(gòu)就非常適用；如果電路供電為1.8 V，就需要采用低壓工藝（例如華潤微電子1.8 V 工藝中，NMOS 和PMOS 的閾值電壓均在0.45 V 左右，若采用本設(shè)計，其復(fù)位電壓在0.9 V 左右，也能滿足1.8 V 下的復(fù)位電壓要求）。

3.2 具體設(shè)計實例

實際的設(shè)計方案如圖4 所示。左側(cè)的微電流偏置通過4 個倒比的PMOS 管構(gòu)成，單個的寬長比為0.5 μm/20 μm，其柵通過電阻R0接地；NM11和NM12均是寬長比為1 μm/2 μm 的NMOS 管，PM16是寬長比為1 μm/3 μm 的倒比管。PM14的寬長比為4 μm/0.5 μm，NM15和NM16以及NM13構(gòu)成正反饋網(wǎng)絡(luò)。右上角的PM10為一個寬長比為10 μm/10 μm 的PMOS 管構(gòu)成的小電容，其作用主要是在電源出現(xiàn)瞬間的脈沖時，確保不會經(jīng)常性進入復(fù)位狀態(tài)。采用該尺寸的電容，當電源出現(xiàn)200 ns 以內(nèi)的低壓毛刺時，輸出不會產(chǎn)生復(fù)位信號。在電源電壓為3.3 V、25 ℃、TT 模型下，此時電路處于正常工作狀態(tài)，工作時對地通路的電流情況如下：左側(cè)微電流源的持續(xù)電流為268 nA，復(fù)位結(jié)構(gòu)中，只有NM12和PM16處于工作狀態(tài)，整體的工作電流為554 nA。

圖4 設(shè)計實例

電源電壓從0～5 V 進行DC 掃描，不同模型和溫度下復(fù)位電壓仿真波形如圖5 所示，具體數(shù)值如表1所示。

圖5 不同模型和溫度下復(fù)位電壓仿真波形

表1 不同溫度和模型下復(fù)位電壓仿真結(jié)果

不同溫度、模型、上電時間的瞬態(tài)仿真波形如圖6所示，電源從0 V 開始，經(jīng)過10 μs 上升到5 V，各種不同條件下復(fù)位時間不小于2 μs。

圖6 不同溫度、模型、上電時間的瞬態(tài)仿真波形

4 產(chǎn)品應(yīng)用

4.1 實際產(chǎn)品設(shè)計

圖7為采用華潤微電子5 V、0.25 μm 工藝繪制的實際版圖，包含預(yù)留的濾波電容等器件，總體尺寸在25 μm×25 μm 左右（為便于觀察，只保留了底層金屬走線）。

圖7 實際設(shè)計版圖

4.2 測試結(jié)果

對3 個樣品在3 種溫度條件下進行了測試，具體數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 樣品相關(guān)測試數(shù)據(jù)

初始狀態(tài)下，整個電路只有復(fù)位模塊處于工作狀態(tài)，其他所有的結(jié)構(gòu)都處于關(guān)閉狀態(tài)，數(shù)字電路則處于靜態(tài)工作狀態(tài)，測試的電流結(jié)果要略大于仿真值，這是由于仿真值僅限于本模塊，而測試的則是整個電路關(guān)斷狀態(tài)下的漏電，因此整個電路的工作電流符合實際預(yù)期。

5 結(jié)論

本文論述了一種超低功耗復(fù)位電路結(jié)構(gòu)，基于MOS 管自身的開啟電壓，輔以微電流偏置和正反饋結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了上電和下電時的復(fù)位功能，性能可靠，成本低廉，適于工程上的大規(guī)模運用。

本結(jié)構(gòu)在上下電復(fù)位功能、可靠性以及成本上具有較大的優(yōu)勢，但同時也存在一定的弱點：復(fù)位電壓調(diào)節(jié)的余地較小，約等于NMOS 管和PMOS 管的開啟電壓之和，當工藝條件確定時，很難大幅度調(diào)整復(fù)位電壓值。為解決這個問題，可能需要增加器件的類型或者更換工藝條件，有可能會提高成本。