一种基于电阻热噪声的真随机数发生器制造技术

本发明专利技术涉及一种基于电阻热噪声的真随机数发生器，其中，反馈电阻R3和第一反相器构成第一单级放大器，反馈电阻R4和第二反相器构成另第二单级放大器，第一单级放大器和第二单级放大器用于热噪声源的电压放大，第二反相器输出带有热噪声源噪声信息的电压信号；比较器通过比较热噪声源噪声信息的电压信号与参考电压，在比较器的输出端输出随机信号。本发明专利技术相对于传统的基于热噪声的真随机数发生器的改进之处在于采用CMOS单级放大器，没有采用传统的低噪声放大器，因此设计结构简单，而且放大倍数高，稳定性好，并可以有效的节约芯片面积，降低功耗。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及集成电路设计领域，更具体地说，涉及一种基于电阻热噪声的真随机数发生器。
技术介绍
近年来，利用硬件来构造真随机数产生器(TRNG)已经逐渐成为新的发展方向。目前世界上已经研发出一些真随机数产生器：基于混沌的真随机数产生器、基于电阻热噪声的真随机数产生器和基于振荡器的真随机数产生器。下面将分别介绍以上三种真随机数产生器一、基于混沌的真随机数产生器目前基于分段线性离散映射的混沌RNG技术已趋于成熟，现在此类研究多利用Pipeline-ADC同时产生多位的二进制随机数。主要是利用如下的分段线性一维离散映射实现： f ( x ) = - A + B x , x > 0 A + B x , o t h e r w i s e ]]>通过选取适当的A、B值可以使得上述映射具有混沌特性，而且满足随机性的要求。该映射主要包括以下几个操作：加、减运算，倍乘运算和采样/保持。基于分段线性映射的RNG电路实现方法主要有两种：开关电容技术和开关电流技术。采用开关电容技术的实现方法如图1所示。由于采用开关电容的方法不可避免的要使用到运放和比较器，在多级的Pipeline ADC结构时会占用很大的芯片面积且功耗很大。二、基于振荡器的真随机数产生器这种随机数产生器是利用CMOS环形振荡器中的定时抖动或振荡频率漂移作为随机源。定时抖动是由环形振荡器中晶体管表现出的热噪声引起的一种随机现象。用振荡器产生随机数的方法如图2所示。利用一个D触发器来实现低频振荡器对高频振荡器的采样，如果振荡器的频率在每个周期(抖动的)都是漂移的，那么输出位流将是随机的。随机的级别依赖于振荡器的平均频率分离和可得到的频率漂移量。三、传统的基于电阻热噪声的真随机数产生器基于混沌的RNG虽然可以满足随机性测试，但是对于密码学家来说，这并不能符合他们的要求。原因很简单，因为该类随机数发生器的随机源不是直接来源于自然界的(如：白噪声源)，而是利用混沌函数。由于电子的布朗运动，电阻两端的电压会随机波动。这种电阻电压的波动被称为电阻热噪声，只与温度和阻值有关，与通过的电流无关。这是一种正态分布的白噪声，它的功耗频谱密度为：S(f)＝4kRT。作为一个非确定性的连续时间随机噪声源，白噪声可以用来产生随机序列。在给定频率带宽范围内，有均匀噪声谱密度的白噪声源的输出幅值将会展示高斯分布。在任意给定的时间，噪声电压值高于或低于平均值的概率相同。基于电阻热噪声直接放大的RNG的基本结构如图3所示。从上图可以看出该随机数发生器包含三部分：物理噪声源、噪声放大器和比较器，后者用来量化噪声并产生随机序列。对于物理噪声源的选取来说，白噪声可以用来作为随机源产生输出序列。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于，提供一种基于电阻热噪声的真随机数发生器。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基于电阻热噪声的真随机数发生器，包括：电阻R1、电阻R2、反馈电阻R3、反馈电阻R4、电容C1、电容C2、第一反相器、第二反相器、比较器，其中，热噪声源的正极AVDD通过串联所述电阻R1和所述电阻R2接地，所述电阻R1和所述电阻R2的连接点通过所述电容C1连接所述第一反相器的输入端，所述第一反相器的输入端通过所述反馈电阻R3连接所述第一反相器的输出端，所述第一反相器的输出端通过所述电容C2连接所述第二反相器的输入端，所述第二反相器的输入端通过所述反馈电阻R4连接所述第二反相器的输出端，所述第二反相器的输出端连接所述比较器的同相输入端，所述比较器的反相输入端连接参考电压，所述比较器的输出端输出随机信号。在本专利技术所述的基于电阻热噪声的真随机数发生器中，所述反馈电阻R3和所述第一反相器构成第一单级放大器，所述反馈电阻R4和所述第二反相器构成另第二单级放大器，所述第一单级放大器和所述第二单级放大器用于热噪声源的电压放大。在本专利技术所述的基于电阻热噪声的真随机数发生器中，所述第二反相器输出带有热噪声源噪声信息的电压信号；所述比较器通过比较热噪声源噪声信息的电压信号与所述参考电压，在所述比较器的输出端输出随机信号。优选地，在本专利技术所述的基于电阻热噪声的真随机数发生器中，所述第一反相器和所述第二反相器为CMOS反相器。优选地，在本专利技术所述的基于电阻热噪声的真随机数发生器中，所述第一反相器和所述第二反相器内的CMOS管都工作在饱和区。优选地，在本专利技术所述的基于电阻热噪声的真随机数发生器中，所述CMOS反相器包括NMOS管和PMOS管，且所述NMOS管和所述PMOS管都工作在饱和区。在本专利技术所述的基于电阻热噪声的真随机数发生器中，所述CMOS反相器的输入端Vin分别连接所述NMOS管和所述PMOS管的栅极，所述PMOS管的漏极连接热噪声源的正极AVDD，所述PMOS管的源极连接所述NMOS管的漏极，所述NMOS管的源极接地，所述CMOS反相器的输入端Vin通过反馈电阻Rf连接所述CMOS反相器的输出端Vout。优选地，在本专利技术所述的基于电阻热噪声的真随机数发生器中，若所述NMOS管和所述PMOS管参数一致，则所述CMOS反相器的直流工作点为AVDD/2。在本专利技术所述的基于电阻热噪声的真随机数发生器中，所述第一单级放大器和所述第二单级放大器的闭环增益为：Af＝Xo/Xs＝A/(1+βA)其中，X代表电压或电流信号，Xo为输出信号,Xs为源信号，A为开环增益，β为反馈系数。在本专利技术所述的基于电阻热噪声的真随机数发生器中，所述开环增益A为：A＝-2gm(Rs//Rf)(ron//rop//Rf)其中，所述gm为MOS管跨导，所述Rs为电流源内阻，所述Rf为反馈电阻，所述ron为NMOS小信号输出电阻，所述rop为PMOS小信号输出电阻，所述反馈系数β＝-1/Rf，所述Rf为反馈电阻。实施本专利技术的基于电阻热噪声的真随机数发生器，具有以下有益效果：本专利技术相对于传统的基于热噪声的真随本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于电阻热噪声的真随机数发生器，其特征在于，包括：电阻R1、电阻R2、反馈电阻R3、反馈电阻R4、电容C1、电容C2、第一反相器、第二反相器、比较器，其中，热噪声源的正极AVDD通过串联所述电阻R1和所述电阻R2接地，所述电阻R1和所述电阻R2的连接点通过所述电容C1连接所述第一反相器的输入端，所述第一反相器的输入端通过所述反馈电阻R3连接所述第一反相器的输出端，所述第一反相器的输出端通过所述电容C2连接所述第二反相器的输入端，所述第二反相器的输入端通过所述反馈电阻R4连接所述第二反相器的输出端，所述第二反相器的输出端连接所述比较器的同相输入端，所述比较器的反相输入端连接参考电压，所述比较器的输出端输出随机信号。

【技术特征摘要】
1.一种基于电阻热噪声的真随机数发生器，其特征在于，包括：电阻R1、电阻R2、反馈电阻R3、反馈电阻R4、电容C1、电容C2、第一反相器、第二反相器、比较器，其中，热噪声源的正极AVDD通过串联所述电阻R1和所述电阻R2接地，所述电阻R1和所述电阻R2的连接点通过所述电容C1连接所述第一反相器的输入端，所述第一反相器的输入端通过所述反馈电阻R3连接所述第一反相器的输出端，所述第一反相器的输出端通过所述电容C2连接所述第二反相器的输入端，所述第二反相器的输入端通过所述反馈电阻R4连接所述第二反相器的输出端，所述第二反相器的输出端连接所述比较器的同相输入端，所述比较器的反相输入端连接参考电压，所述比较器的输出端输出随机信号。2.根据权利要求1所述的基于电阻热噪声的真随机数发生器，其特征在于，所述反馈电阻R3和所述第一反相器构成第一单级放大器，所述反馈电阻R4和所述第二反相器构成另第二单级放大器，所述第一单级放大器和所述第二单级放大器用于热噪声源的电压放大。3.根据权利要求1所述的基于电阻热噪声的真随机数发生器，其特征在于，所述第二反相器输出带有热噪声源噪声信息的电压信号；所述比较器通过比较热噪声源噪声信息的电压信号与所述参考电压，在所述比较器的输出端输出随机信号。4.根据权利要求1所述的基于电阻热噪声的真随机数发生器，其特征在于，所述第一反相器和所述第二反相器为CMOS反相器。5.根据权利要求4所述的基于电阻热噪声的真随机数发生器，其特征在于，所述第一反相器和所述第二反相器内的...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐枋，曾广旺，舒洲，叶楷，周喜川，胡盛东，甘平，李世平，殷鹏，陈卓，陈银晖，谭跃，王忠杰，黄莎琳，李明东，
申请(专利权)人：深圳华视微电子有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44