高精度、寬容限電源電壓檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

1、高精度、寬容限電源電壓檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)張穎 潘亮（北京中電華大電子設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司）摘要本文詳細(xì)介紹了電源電壓檢測(cè)電路從電路要求到電路設(shè)計(jì)，從電路仿真驗(yàn)證到版圖設(shè)計(jì)的整個(gè)模擬電路設(shè)計(jì)流程。著重討論了如何降低電源電壓、溫度及工藝等變化對(duì)電路精度的影響，使設(shè)計(jì)的電源電壓檢測(cè)電路具有精度高，電壓、工藝、溫度容限寬的特點(diǎn)。引言1根據(jù)電路要求，可以確定本電源電壓檢測(cè)電路由三部分組成:k控制信號(hào)圖1電源電壓檢測(cè)電路結(jié)構(gòu)框圖在集成電路的嵌入式系統(tǒng)中，為了保證芯片的安全工作，或者為了實(shí)現(xiàn)某種電路功能， 經(jīng)常需要檢測(cè)電源的電壓值，以確定芯片的工作狀態(tài)。 本文所設(shè)計(jì)的電源電壓檢測(cè)電路主要使用在IC智能卡中，通常IC

2、卡要求的電源電壓范圍為 2.7V 5.5V。當(dāng)電源電壓降至過(guò)低， 需要進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位，防止在低壓狀態(tài)下邏輯電路進(jìn)行誤操作，或?qū)⒎且资源鎯?chǔ)單元（如 EEPROM、FLASH等）的數(shù)據(jù)進(jìn)行誤改寫，造成數(shù)據(jù)丟失。因此需要電源電壓檢測(cè)電路判 斷電源電壓值，來(lái)決定是否進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位。二、電源電壓檢測(cè)電路設(shè)計(jì)要求所有應(yīng)用在IC智能卡中的電路，尤其是模擬電路，大都要求能工作在較大的電源電壓范圍內(nèi)和較大的溫度范圍內(nèi)，同時(shí)希望將電路功耗降至最低。由于電源電壓檢測(cè)電路一旦上電，就應(yīng)長(zhǎng)久處于工作狀態(tài)，因此該電路更受電源電壓、溫度、功耗等條件的約束。在本電 路的設(shè)計(jì)中，重點(diǎn)考慮低壓檢測(cè)，高壓檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)以此類推。電路

3、設(shè)計(jì)的具體要求如下：1. 采用華虹NEC 0.35um CMOS工藝的仿真模型進(jìn)行電路設(shè)計(jì)；2. 為了給正常工作時(shí)的電源電壓范圍留出足夠的余量，設(shè)計(jì)檢測(cè)的電源電壓值為VR=2.6V，要求誤差范圍小于土 0.04V。即,當(dāng)電源電壓 VDD大于2.6V 0.04V時(shí)輸出的控 制信號(hào)為邏輯高電平，當(dāng)電源電壓VDD小于2.6V 0.04V時(shí)輸出的控制信號(hào)為邏輯低電平；3. 要求電源電壓檢測(cè)電路在電源電壓為2.06.0V范圍內(nèi)均能正常工作，且5V正常工作時(shí)，電路功耗不能超過(guò) 0.4mW ；4. 為了節(jié)省功耗，在電路的standby狀態(tài)下不需要進(jìn)行電壓檢測(cè)時(shí)，能夠通過(guò)使能端（STOP）將本電路停掉，此時(shí)電

4、路功耗降至0.05mW以內(nèi)。三、電源電壓檢測(cè)電路設(shè)計(jì)參考電壓源、采樣電路和1. 參考電壓源電路根據(jù)電路設(shè)計(jì)要求發(fā)現(xiàn)，被檢測(cè)的電源電壓誤差范圍小(2.6V 0.04V)，所以決定了設(shè)計(jì)的電路要精密，最重要的是要有精準(zhǔn)的參考電壓源。因此，本電路選擇了對(duì)溫度、對(duì)電源 電壓、甚至對(duì)工藝條件影響均不敏感的帶隙源電路作為電壓參考源。圖2為帶隙源參考電壓電路的結(jié)構(gòu)框圖，它是由啟動(dòng)和控制電路、電流源電路和參考電壓生成電路三部分構(gòu)成。圖2 帶隙源參考電壓電路框圖A. 電流源電路的設(shè)計(jì)電流源電路可以為參考電壓生成電路及電壓比較器提供較 穩(wěn)定的偏置電流。理想情況下，這個(gè)電流應(yīng)與電源電壓無(wú)關(guān)， 即，得到的偏置電流不隨

5、電源電壓的變化而變化。我們采用了 如圖3的電路形式。其中，設(shè)定K( W/L)m 1= (W/L) m2= K(W/L) n； (W/L) M3= (W/L) M4= (W/L) P。這里，K表示M2的寬長(zhǎng)比是 M 1的 K倍。如圖3可以寫出如下關(guān)系式：圖3 電流源電路VDDVGS1=VGS2 + 1 M2 R1(1)3#由于M1、M2均處于飽和狀態(tài)，且(W/L) M3= (W/L) M4，則M1、M2漏源電流相等，即lM1=lM2，因此上式得_21 M1V gCox(W/L)N+ VT1_ I2I M 2 gCoxK(W/L)N+ Vt2 + I M 2 R1(2)#假設(shè)Vt1_Vt2，得到(

6、3)2比 Cox (W / L) N正如所希望的，式(3)表示的電流源電流Im2與電源電壓VDD無(wú)關(guān)(但仍舊與工藝和 溫度有關(guān))。而鏡像電流IM2即可得到偏值電流Ibias。這里還沒(méi)有計(jì)入 MOS器件的溝道調(diào)制效應(yīng)，為了將這種效應(yīng)降至最小，本電流源電路 中設(shè)置了較大的溝道長(zhǎng)度(L)，在0.35um工藝中，取L_4um。因?yàn)閺脑搭^防止誤差源比在 后級(jí)調(diào)整有效得多。最后可采用迭代的方法，調(diào)整(W/L) n、R1及K值，來(lái)最終確定Im2，以得到合適的偏置電流Ibias。B. 啟動(dòng)控制電路的設(shè)計(jì)在這種與電源無(wú)關(guān)的偏置電路中有一個(gè)很重要的問(wèn)題是兩個(gè)簡(jiǎn)并偏置點(diǎn)的存在。一個(gè)是在正常工作狀態(tài)時(shí)，達(dá)到的電流穩(wěn)定

7、而產(chǎn)生的簡(jiǎn)并點(diǎn)，這是我們需要的；另一個(gè)，如圖 3電路中，當(dāng)電源上電時(shí)，所有的晶體管均傳輸零電流，因?yàn)镸M2、M3和M4構(gòu)成的環(huán)路允許零電流，則所有 MOS管可以無(wú)限期的保持關(guān)斷，這種情況是我們不想要的。因 此需要一個(gè)電路給零電流的簡(jiǎn)并狀態(tài)一個(gè)刺激，使其進(jìn)入正常工作的簡(jiǎn)并狀態(tài)。這就需要啟動(dòng)電路的工作。啟動(dòng)電路的通常方法是在上電過(guò)程中給圖3中的X點(diǎn)一個(gè)低電平1，或給Y點(diǎn)一個(gè)高電平2，均能使電流源電路渡過(guò)零簡(jiǎn)并點(diǎn)。本電路中，選擇了前一種方法，并 經(jīng)過(guò)了 SPICE嚴(yán)格的瞬態(tài)仿真和直流仿真，確定在各種工藝條件、溫度條件和上電條件下#啟動(dòng)電路均能使電流源電路啟動(dòng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。而控制電路恰恰將啟動(dòng)電路

8、的原理反向使用。它是利用STOP信號(hào)將X點(diǎn)拉高，使電流源電路不能工作，以實(shí)現(xiàn)電流源電路及相關(guān)電路的關(guān)斷。C. 參考電壓生成電路的設(shè)計(jì)電流源電路生成了基本與電源電壓無(wú)關(guān)的偏置 電流送給參考電壓生成電路，則參考電壓生成電路 的更主要作用就是克服溫度變化對(duì)輸出的參考電壓 的影響。而且，因?yàn)榇蠖鄶?shù)工藝參數(shù)是隨溫度變化 的，所以如果一個(gè)參考電壓是與溫度無(wú)關(guān)的，那么 通常它與工藝也無(wú)關(guān)。采用帶隙源結(jié)構(gòu)生成的參考 電壓就是幾乎與溫度無(wú)關(guān)，或者說(shuō)幾乎零溫度系數(shù) 的Vref。它是將分別具有正溫度系數(shù)和負(fù)溫度系數(shù) 的兩個(gè)電壓值按適當(dāng)權(quán)重相加，理想的就會(huì)顯示成 零溫度系數(shù)的電壓。本電路采用了圖4中參考電壓生成電路的

9、結(jié)構(gòu)。假設(shè)A1為理想運(yùn)算放大器，即假 設(shè)其增益Av足夠大，輸入失調(diào)電壓 Vos為零，這樣運(yùn)放的輸入端 Vx=Vy ;且令R仁R2，則最右側(cè)的兩路對(duì)地通路的電流相等，11=12 ;另外，設(shè)雙極晶體管 Q2的面積為Q1面積的n倍，根據(jù)文獻(xiàn)3，兩個(gè)晶體管的基極-發(fā)射極電壓差 為=Vbe1 - Vbe2 = Vt In n = R312#(5)則，I2=VtI nn.R3在參考電壓生成電路示意結(jié)構(gòu)的最右側(cè)通路中，并利用上式，可得(6)VT In nR2Vref = VbE2 +b) =Vbe2 + (Vt In n)(1+2)R3R3得出式(6)的目的，就是說(shuō)明負(fù)溫度系數(shù)的Vbe2和正溫度系數(shù)的 Vt

10、可以通過(guò)給 Vt乘上一個(gè)系數(shù)的方法得到零溫度系數(shù)的Vref。接下來(lái)就是確定 Vt乘上的這個(gè)系數(shù)大小是多少，會(huì)恰使Vref為零溫度系數(shù)。利用SPICE讓Vref對(duì)溫度進(jìn)行直流掃描，使Vref在室溫條件下為零溫度系數(shù)，此時(shí)的In n(1 + R2 R )即為理想的系數(shù)。仍可用迭代的方法確定各變量。 我們采用n=24 , R2=85k Q , R3=13.5k Q時(shí)，基本實(shí)現(xiàn)了 27C時(shí)的Vref為零溫度系數(shù)，且此 時(shí)的 Vref=1.2V。另外，值得注意的是，帶隙源參考電壓理論的成立，一定要求A1運(yùn)放的增益足夠大，才能實(shí)現(xiàn)Vx=Vy。本電路中運(yùn)放的增益約為80db。因此帶隙源參考電路中的運(yùn)放設(shè)計(jì)也

11、是很重要的，在這里就不再贅述。2. 電源電壓采樣電路帶隙源電路只提供了一個(gè)參考電壓，而電源采樣電路時(shí)時(shí)監(jiān)控電源電壓的變化，將變化的電源電壓轉(zhuǎn)化為可以與參考電壓相比較的電壓值，與參考電壓同時(shí)送到比較器中進(jìn)行比 較。由于參考電壓為1.2V，所以要求在電源電壓為2.6V時(shí)采樣電壓也為1.2V左右。為了簡(jiǎn)單起見，電源采樣電路采用了電阻分壓的形式。同時(shí)，為了降低功耗，選用了分壓電阻阻 值和約為IM Q的兩個(gè)大電阻。這兩個(gè)大電阻選用了溫度系數(shù)小、寄生效應(yīng)小、占用芯片面 積小、精度高的高阻多晶作為版圖設(shè)計(jì)的電阻類型。3. 電壓比較器電路電壓比較器用以將參考電壓和采樣電壓進(jìn)行比較。它采用了一個(gè)差分輸入和一個(gè)單

12、端輸出的高增益放大器（此比較器增益約為77db），加上輸出緩沖器的電路形式，使模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。當(dāng)采樣電壓大于參考電壓時(shí)（此時(shí)電源電壓高于2.6V），輸出邏輯高電平;反之（電源電壓低于 2.6V），輸出邏輯低電平。四、電源電壓檢測(cè)電路SPICE仿真結(jié)果利用SPICE驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果。對(duì)電源進(jìn)行06V的直流電壓掃描，并主要觀察帶隙源參考電壓值、電源采樣電壓值、輸出邏輯信號(hào)和電路電流四個(gè)參數(shù)。由仿真的波形圖（圖5）可見，帶隙源參考電壓值在電源電壓為1.8V時(shí)基本穩(wěn)定在1.2V，并且此電壓值不隨電源升高而變化。參考電壓值穩(wěn)定了，電源電壓檢測(cè)電路才進(jìn)入正常工作狀態(tài)。而在電源電壓低于1.8V時(shí)，參考電

13、壓未進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，輸出的邏輯信號(hào)為不可用信號(hào)。電源電壓為2.6V時(shí)，電源采樣電壓在與參考電壓相等，輸出邏輯信號(hào)準(zhǔn)備跳變，電源電壓高于2.6V時(shí)，輸出邏輯信號(hào)跳變?yōu)楦?，且隨電源電壓上升一直維持高電平；電路在電源電壓為5V時(shí)，工作電流為79uA，被STOP信號(hào)關(guān)斷時(shí)電流為 5uA。圖6是在不同工藝角（tt、ss、ff、sf、fs）以及不同的溫度（-40C、25C、85C）組合條件下，輸出邏輯信號(hào)的變化的波形。從圖（a）中可見，工藝角只對(duì)電源電壓小于1.8V時(shí)的輸出邏輯信號(hào)有影響，而對(duì)正常工作了的輸出信號(hào)沒(méi)有影響，因此可以認(rèn)為工藝角對(duì)此電源電壓檢測(cè)電路沒(méi)有影響。另外從圖（b）所示，輸出邏輯信號(hào)隨溫度

14、變化有變化，即當(dāng)溫度為-40C時(shí)，檢測(cè)的電源電壓值為VR=2.62V ; 25 C時(shí)，VR=2.60V ; 85C時(shí)，VR=2.57V。也即，向高偏差 0.02V，向低偏差0.03V。因此，從以上的仿真結(jié)果來(lái)看，完全滿足開始制定的電路功能、性能要求。i1r1電路被STOP信號(hào)關(guān)斷時(shí)總電流輸出邏輯信號(hào)電源采樣電壓帶隙源參考電壓電路工作時(shí)總電流5#圖5電源電壓檢測(cè)電路仿真波形#采樣電壓生成部分(b)圖6工藝條件和溫度對(duì)電源電壓檢測(cè)電路輸出邏輯信號(hào)的影響五、電源電壓檢測(cè)電路版圖設(shè)計(jì)作為一個(gè)模擬電路模塊，電源電壓檢測(cè)電路的版圖為全定制設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)電路性能最優(yōu)、芯片面積最小的目的。以下為對(duì)模擬電路版圖設(shè)

15、計(jì)基本要求：1. 對(duì)稱設(shè)計(jì)。本電路中大量使用電流鏡電路，用作電流鏡的器件要與用作電流源的器 件在版圖上要保持相互對(duì)稱，且位置應(yīng)相互平行擺放。同時(shí)，電阻的版圖也要求擺 放規(guī)則。因?yàn)椴灰?guī)則的電阻有可能與計(jì)算得到的電阻值相去甚遠(yuǎn)，增加電路誤差。2. 冗余設(shè)計(jì)。由于電流大小的要求，使得形成電流鏡的器件與形成電流源的器件不能 對(duì)齊擺放，這就要求將電流鏡器件用冗余器件補(bǔ)齊，使其與電流源器件完全對(duì)應(yīng)。 另外，在設(shè)計(jì)電阻版圖時(shí)，也往往做好冗余電阻，并用金屬搭接起來(lái)，以便于改版 或做其他修改，如 FIB(FOCUS-ION-BEAM)。注意，在做冗余設(shè)計(jì)時(shí)，要將電路圖 和版圖對(duì)應(yīng)冗余，防止版圖驗(yàn)證時(shí)報(bào)錯(cuò)。3.

16、間隔擺放。在運(yùn)放和電壓比較器電路中，都要用到差分對(duì)作為輸入。差分對(duì)本身有 很強(qiáng)的抗干擾能力，但差分對(duì)的輸入失調(diào)電壓恰恰是由于工藝影響造成的差分對(duì)管 不完全相同造成的。如果將這兩個(gè)差分對(duì)管如梳狀間隔擺放，可以減小工藝原因引 入的輸入失調(diào)電壓。同時(shí)，還要在這兩只管子周圍做好封閉的保護(hù)環(huán)和良好的襯底 接觸。4. 在模擬電路的版圖中，盡量不要在晶體管和電阻、電容上走金屬線，由此引入的噪 聲是無(wú)法用仿真發(fā)現(xiàn)的。電源電壓檢測(cè)電路的版圖如圖7所示。版圖設(shè)計(jì)并非簡(jiǎn)單的堆積器件的過(guò)程，必須完全理解電路設(shè)計(jì)意圖，完成的版圖才滿足功能、性能的要求。該版圖經(jīng)過(guò)DRC和LVS驗(yàn)證通過(guò)，已實(shí)際應(yīng)用于一款32Kbyte的高性能IC卡產(chǎn)品中。比較器1T帶隙源參考電壓生成部分六、結(jié)論至此， 完成了電源電壓檢測(cè)電路從電路要求到電路設(shè)計(jì)過(guò)程，從電路仿真驗(yàn)證到版圖設(shè)計(jì)的全流程， 此即為模擬模塊電路的設(shè)計(jì)流程。 在設(shè)計(jì)各種模擬電路模塊時(shí)， 可以遵循同樣 的