基于环型振荡器的真随机数发生电路及真随机数发生器制造技术

本发明专利技术公开了集成电路设计技术领域中的一种基于环型振荡器的真随机数发生电路及真随机数发生器。基于环型振荡器的真随机数发生电路，包括顺序连接的振荡采样电路、后处理电路和控制电压产生电路；振荡采样电路包括第一高频环形振荡电路、第二高频环形振荡电路和一个低频环形振荡电路；基于环型振荡器的真随机数发生器，包括三级基于环型振荡器的真随机数发生电路。本发明专利技术解决了随机比特流产生速度较慢的相位抖动累积问题，能够快速得到随机性更好的随机比特流。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于集成电路设计
，尤其涉及一种基于环型振荡器的真随机数发 生电路及真随机数发生器。
技术介绍
真随机数又称作数字物理噪声源，它是一切密码技术的安全源泉，可以认为它是 一种无限长的比特流。利用集成电路获取真随机数是当前真随机数最主要的获取方式之 一。能够产生真随机数输出的器件被称为真随机数产生器。通过集成电路实现真随机数产生器的方法主要有三类一是基于混沌的离散时间 序列法；二是直接放大热噪声法；三是基于振荡器的采样法。第一种基于混沌的离散时间 序列法虽然能得到较好的随机性，但是其设计复杂度和电路复杂度都很高，功耗和面积很 大，输出比特流的速率低。第二种直接放大法通常采用对电阻热噪声进行放大采样的方法， 但是集成电路里缺乏对来自电源和衬底噪声的屏蔽，使得随机数产生器对于信号的耦合非 常敏感，随机比特流的随机性也因此受到影响。相对于前面两种方法，第三种基于振荡器采 样法的电路复杂度大大降低，功耗和面积小，并且易于片上系统的实现。振荡器采样法通过 对振荡器的相位抖动采样来得到随机序列，相位抖动来源于电路中存在的各种噪声。典型 的方法是通过低频采样时钟对高频振荡电路产生的波形进行采样。由于相位抖动随着时间 的增加有累积的效果，因此可以通过调整采样时钟的频率来调整电路的随机性。然而实验 表明，经典的振荡器采样法产生的序列不足以满足随机性的要求，因此通常加入后处理电 路以改善随机序列的随机性。本专利技术以振荡器采样法为基础，提出一种高速、高性能、易于ASIC实现的真随机 数产生器。本专利技术摆脱了经典电路中随机比特流产生速度较慢的相位抖动累积方法，而是 把两个频率可控的高频环形振荡电路输出的波形进行异或操作，用一个低频环形振荡电路 对异或后的波形进行采样得到随机比特流。随机比特流经过电阻分压后产生的随机控制电 压反馈回高频环形振荡电路，进而控制振荡频率发生随机变化。整体电路的设计采用三级 结构，形成多级反馈控制环路，这种多级电路间振荡频率的相互控制使得整体电路能更快 进入不可预测的状态，从而得到随机性更好的随机比特流。为了使振荡电路能正常、快速起 振，专利技术中还设计了启动电路。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，针对
技术介绍
中介绍的目前使用振荡器采样法实现真随机数 电路存在的缺陷，提出一种基于环型振荡器的真随机数发生电路及真随机数发生器，用以 克服上述缺陷。本专利技术的技术方案是，一种基于环型振荡器的真随机数发生电路，其特征是所述 真随机数发生电路包括顺序连接的振荡采样电路、后处理电路和控制电压产生电路；所述振荡采样电路包括，带有第一电压控制输入端的第一高频环形振荡电路、带有第二电压控制输入端的第二高频环形振荡电路和一个低频环形振荡电路；所述第一高频环形振荡电路和第二高频环形振荡电路的振荡频率不同，并且第一高频环形振荡电路和第 二高频环形振荡电路的振荡频率可控；所述低频环形振荡电路的振荡频率固定；所述振荡采样电路，用于将第一高频环形振荡电路和第二高频环形振荡电路输出 的波形进行异或操作，再用低频环形振荡电路对异或操作后的波形进行采样得到随机比特 流；所述后处理电路，采用移位异或电路对所述振荡采样电路产生的随机比特流进行 处理，用以提高随机比特流的随机性；所述控制电压产生电路，通过分压电阻，将经过后处理电路处理的随机比特流分 压后产生的随机控制电压；并通过第一电压控制输出端和第二电压控制输出端，将产生的 所述随机控制电压反馈回所述第一高频环形振荡电路和第二高频环形振荡电路，控制振荡 频率发生随机变化。所述第一高频环形振荡电路、第二高频环形振荡电路和低频环形振荡电路采用差 分CMOS环形振荡器。所述第一高频环形振荡电路、第二高频环形振荡电路和低频环形振荡电路采用单 端互补CMOS环形振荡器。所述第一高频环形振荡电路和第二高频环形振荡电路使用可变电阻改变各自振 荡频率。所述可变电阻由CMOS开关管来实现，所述CMOS开关管工作在线性区。所述第一高频环形振荡电路、第二高频环形振荡电路和低频环形振荡电路还包括 启动电路。所述后处理电路采用三级移位异或后处理电路。所述随机控制电压的变化范围通过调整分压电阻的比值实现。一种基于环型振荡器的真随机数发生器，其特征是所述发生器包括三级基于环型 振荡器的真随机数发生电路，分别为第一级真随机数发生电路、第二级真随机数发生电路 和第三级真随机数发生电路；其中，第一级真随机数发生电路的第一电压控制输出端与第三级真随机数发生电 路的第一电压控制输入端连接，第一级真随机数发生电路的第二电压控制输出端与第二级 真随机数发生电路的第二电压控制输入端连接，第二级真随机数发生电路的第一电压控制 输出端与第二级真随机数发生电路的第一电压控制输入端连接，第三级真随机数发生电路 的第一电压控制输出端与第一级真随机数发生电路的第一电压控制输入端连接，第三级真 随机数发生电路的第二电压控制输出端与第一级真随机数发生电路的第二电压控制输入 端连接。所述第一级真随机数发生电路后处理随机比特流与第二级真随机数发生电路后 处理随机比特流异或输出，第二级真随机数发生电路后处理随机比特流与第三级真随机数 发生电路后处理随机比特流异或输出。本专利技术解决了随机比特流产生速度较慢的相位抖动累积问题；提高了电路的随机 性；整体电路能更快进入不可预测的状态，从而得到随机性更好的随机比特流。附图说明图1是压控环形器振荡示意图；图2是高频环形振荡电路的电路图；图3是振荡采样电路的结构图；图4是启动电路的波形示意图；图5是三级移位异或后处理电路和控制电压产生电路结构图；图6是基于环型振荡器的真随机数发生器结构图。具体实施例方式下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本专利技术的范围及其应用。实施例本专利技术提出的基于环型振荡器的真随机数发生电路包括顺序连接的振荡采样电 路、后处理电路和控制电压产生电路。振荡采样电路包括，带有第一电压控制输入端的第一高频环形振荡电路、带有第 二电压控制输入端的第二高频环形振荡电路和一个低频环形振荡电路。第一高频环形振荡电路、第二高频环形振荡电路和低频振荡采样电路均采用环形 振荡电路结构。最常见的经典环形振荡器的结构有两种第一种是差分CMOS环形振荡器， 其双端输入、双端输出的差分结构对噪声起到了一定的抑制作用，经典结构中每一个差分 级需要5个MOS管；第二种是单端互补CMOS环形振荡器，这种振荡器由奇数级的CMOS反相 器组成，而每一级只需要两个MOS管。相对于差分结构而言，单端结构需要的MOS管少，面 积小，功耗低，受到电源和衬底噪声的影响大，能够以更小的代价获得更好的随机性。因此， 本实施例中选用单端互补CMOS环形振荡器。为了使整体电路有效进入混沌状态以便能更快、更好地获得随机性，第一高频环 形振荡电路和第二高频环形振荡电路采用改变电阻阻值的方法来改变各自振荡电路的振 荡频率。图1是压控环形器振荡示意图，图1中，可变电阻阻值和振荡器的振荡频率之间的 关系如下 <formula>formula see original document page 6</formula>⑴其中，Gm 等效跨导，Rv 等效电阻，Cg 寄生电容，N 反本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于环型振荡器的真随机数发生电路，其特征是所述真随机数发生电路包括顺序连接的振荡采样电路、后处理电路和控制电压产生电路；所述振荡采样电路包括，带有第一电压控制输入端的第一高频环形振荡电路、带有第二电压控制输入端的第二高频环形振荡电路和一个低频环形振荡电路；所述第一高频环形振荡电路和第二高频环形振荡电路的振荡频率不同，并且第一高频环形振荡电路和第二高频环形振荡电路的振荡频率可控；所述低频环形振荡电路的振荡频率固定；所述振荡采样电路，用于将第一高频环形振荡电路和第二高频环形振荡电路输出的波形进行异或操作，再用低频环形振荡电路对异或操作后的波形进行采样得到随机比特流；所述后处理电路，采用移位异或电路对所述振荡采样电路产生的随机比特流进行处理，用以提高随机比特流的随机性；所述控制电压产生电路，通过分压电阻，将经过后处理电路处理的随机比特流分压后产生的随机控制电压；并通过第一电压控制输出端和第二电压控制输出端，将产生的所述随机控制电压反馈回所述第一高频环形振荡电路和第二高频环形振荡电路，控制振荡频率发生随机变化。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：白国强，张晓峰，陈弘毅，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]