聊聊芯片中的上電檢測（por）

**1. **por的必要性

①有些簡單的異步SRAM芯片為了與CPU配合使用可能只需要一個3.3V的電源，但為了減小面積（或者說提高容量）芯片內(nèi)部存儲陣列可能會選用coredevice，core device的電源（如0.8V）要遠低于IO電源（3.3V），這就需要內(nèi)置一個3.3V轉(zhuǎn)0.8V的LDO，SRAM陣列檢測到0.8V電源trigger到一定閾值（如0.6V）再進行后續(xù)的讀寫操作，按順序完成整個上電過程，否則會出現(xiàn)讀寫錯誤。

②對于規(guī)模比較大的FPGA芯片，往往需要3、4個甚至更多電源。FPGA正常工作之前要經(jīng)過上電檢測、數(shù)字模塊的復位清零、內(nèi)部SRAM輸出使能、阻抗校正、全局寫使能等一系列操作。

因此，上電檢測是芯片正常工作的第一道保障，其重要性不言而喻。

2. por****舉例

假設芯片包含vdd09、vdd1p2、vdd1p8和vddio，其中vdd09為芯片內(nèi)部coredevice供電；vdd1p2為輸入輸出buffer供電；vdd1p8為內(nèi)部模擬電路（如bandgap，ldo等）供電；vddio為IO電源，IO電源需要兼容1.8V、2.5V和3.3V。

當4路電源達到trigger閾值后，por電路產(chǎn)生por_b信號，指示上電完成，可以進行后續(xù)操作。下面介紹一下4路電源的por電路如何實現(xiàn)。

2.1 vdd09 por****電路

vdd09por電路如圖1所示，圖中所有管子均為0.9V的低壓管，Mp2Mp4和Mn3Mn5構(gòu)成Schmitt觸發(fā)器 ^[1-3]^ ，Schmitt觸發(fā)器有兩個重要的特性：①對于一個變化很慢的輸入波形，在輸出端有一個快速翻轉(zhuǎn)響應；②對正向和負向變化的輸入信號有不同的開關閾值。Schmitt觸發(fā)器的一個主要用途是把一個含噪聲或緩慢變化的輸入信號轉(zhuǎn)變成一個“干凈”的數(shù)字信號。

Fig1. vdd09的por電路

我們把vdd09的上電過程分三步進行解析：

①當vdd09A = vdd09，porb_vdd09 = 0；

②當vdd09上升到Vth,n附近時，M1和M2開始導通，此時V A = vdd09 - IR1，porb_vdd09= 0，I為流過R1的電流，由于I很小，隨著vdd09的抬高VA繼續(xù)增大，但此時VA變化的斜率逐漸變緩；

③當vdd09繼續(xù)升高到大于Vth,n時，I急劇增大，此時隨著vdd09的變高VA將快速變小，當VA減小到Schmitt觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)閾值時，porb_vdd09由低變高輸出vdd09。

整個上下電過程中A點和B點電壓和Schmitt觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)閾值變化如圖2所示，兩條曲線的交點即為上下電時的trigger電壓（V H ，V L ），圖中A1、A2、A3區(qū)域?qū)?、②、③步。下電過程與上電過程類似，這里不再贅述。

Fig2. vdd09上下電過程各點波形

2.2 vdd1p2 por****電路

vdd1p2 por電路如圖3所示，圖中除Mp5和Mn8為0.9V的低壓管，其余均為1.2V device。

Fig3. vdd1p2的por電路

對比圖1和圖3結(jié)構(gòu)，可以看出vdd1p2的por電路與vdd09的por電路結(jié)構(gòu)基本一致，只是增加了1.2V的device。

2.3 vdd1p8 por****電路

vdd1p8 por電路如圖4所示，圖中除Mp6和Mn8為0.9V的低壓管，其余均為1.8V device。

Fig4. vdd1p8的por電路

對比圖1和圖4結(jié)構(gòu)，可以看出vdd1p8的por電路與vdd09的por電路類似，唯一不同的是Mn1和Mn2柵極的連接方式，由于0.9V低壓管和1.8V高壓管閾值電壓差別不大，但設計時vdd1p8的trigger電壓要比vdd09的trigger電壓高，若Mn1和Mn2仍接到vdd1p8，此時vdd1p8的por電路trigger電壓很難做高，將Mn1和Mn2的柵極與B點相連，可以抬高vdd1p8的trigger電壓。

2.4 vddio por****電路

vddio por電路如圖5所示，圖中除Mp7和Mn8為0.9V的低壓管，其余均為1.8V device。

Fig5. vdd1p8的por電路

vddio por電路是設計難點，因為PDK里沒有高于1.8V的device且vddio要兼容1.8V/2.5V/3.3V電平標準，要考慮器件耐壓問題。假設vddio開始上電時vdd1p8已經(jīng)完成上電，此時Schmitt觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)閾值保持不變，A點電壓為：

隨著vddio的抬高，A點電壓上升到Schmitt觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)閾值，此時的vddio電壓即為上電時刻的trigger電壓。

在實際電路設計時要注意以下兩點：

①為了保證電路的可靠性，應確保VA不高于1.8V，取R2+R3+R4≈R1從而保證了VA最高為1.65V左右。

②當溫度升高時，Schmitt觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)閾值會減小，若VA由純電阻分壓得到，在溫度變化時VA將基本保持不變，從而使得trigger電壓發(fā)生較大的偏移。為了補償溫度對trigger電壓的影響，電路引入了Mn1管，這樣A點電壓將隨著溫度的升高而降低，從而補償了施密特觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)閾值隨溫度的變化。

**3. **總結(jié)

2.1~2.4節(jié)完成了vdd09/vdd1p2/vdd1p8/vddio的上電檢測，檢測完成后經(jīng)過與邏輯后，產(chǎn)生整體的por_b信號，指示后續(xù)電路完成4路電源的上電檢測。