CN101751240B - 一种比较相等电阻热噪声的真随机数发生器电路 - Google Patents

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Abstract

本发明用于真随机数序列的产生，主要原理基础是两个相等电阻热噪声的比较。这样可以增大热噪声函数的方差，降低对后续电路的要求即设计难度。比较器处于开环应用的状态也比运算放大器更容易稳定。同时，本结构可以通过外部时钟灵活控制随机数序列的速率。

Description

一种比较相等电阻热噪声的真随机数发生器电路
技术领域
本发明属于基本电路设计技术领域，涉及一种比较相等电阻热噪声的真随机数发生器电路结构。
背景技术
在智能卡的应用中，通常都会使用随机数发生器电路为卡片的安全验证提供密钥，真随机数发生器作为安全验证的密钥产生模块是必不可少的。随着安全性能的要求越来越高，随机数序列不可预测的真随机数发生器得到广泛采用。真随机数发生器主要有三种基本结构：基于电阻热噪声、基于混沌原理、低频时钟采样高频时钟。电阻热噪声符合均匀分布，并且与频率无关，也没有混沌电路游程长度有固定限制的缺点，因此优势非常明显。
在常规的基于电阻热噪声的随机数发生器中，是采用放大电阻热噪声然后与固定的基准电压比较，产生随机数序列的方法。但是这种结构对放大器的精度和稳定性要求很高，基准电压与电阻热噪声分布方程的均值的匹配也很难实现，这些限制都会直接影响产生的随机数序列的随机性。
发明内容
本发明公开了一种比较两个相等电阻的热噪声的真随机数发生器电路，如图1所示，该电路包括两个相等电阻R1、R2，一组电流镜M1、M2、M3，一级或多级比较器，一个D触发器。电流镜的两个输出端给两个电阻提供偏置，电阻与PMOS管之间的节点分别接到比较器的两个输入端，一级或多级比较器的输出端作为D触发器的输入。本发明使用一级或多级比较器比较两个电阻的热噪声产生随机数序列。R1、R2的阻值相等，两个电流镜输出端比例相等。一个无偏置的阻值为R的电阻的热噪声服从(μ，σ2)的均匀分布，μ＝0，σ24KTR*BW，也就是热噪声有为负的可能。式中，K为波尔兹曼常数(1.381E-23J/K)，T为环境温度(绝对温度)，R为电阻阻值，BW为后继电路的带宽。加上电流为I的偏置，分布函数的均值变为IR，方差不变。两个相同的分布函数相减，均值为0，方差加倍，即μ＝0，σ28KTR*BW。这里方差μ取值为正或负的物理意义表示vn1大于或小于vn2。通过比较器的处理，即可得到由0、1组成的随机数序列。
在带宽相同的情况下，分布函数的带宽加倍。由于使用比较器，式中的BW也可以得到比使用运算放大器更大的值，因此本结构对比较器的分辨精度的要求进一步降低，从而更容易得到统计特性很好的随机数序列。
触发器的加入，可以通过外部时钟灵活控制随机数序列的速率。
本发明利用两个相同的均匀分布相减，得到均值为0，方差加倍的特性，使用比较器产生随机数序列。
附图说明
图1是比较相等电阻产生真随机数的电路结构图。
图2是两个电阻在相同的电流偏置下产生的热噪声波形图。
图3是比较器比较两个电阻的热噪声得到的数字化噪声信号。
图4是使用20MHz外部时钟得到的随机数序列。
图5是使用5MHz外部时钟得到的随机数序列。
具体实施方式
下面结合附图具体介绍本发明工作原理：
图1是比较相等电阻产生真随机数的电路结构图。给两个相等的电阻R1、R2加上相等电流偏置，调整参数到IR符合比较器共模输入电压的要求。两个电阻的热噪声之间的差值(大小关系)是随机的，并符合μ＝0，σ2＝8KTR*BW的均匀分布。因此比较器的输出就由0、1组成的随机数序列，并输入D触发器，由外部时钟控制随机数序列的速率。
图2是仿真得到的两个电阻在相同的电流偏置下产生的热噪声波形图，可以看到其数值完全适合作为比较器的电压。
图3是比较器比较两个电阻的热噪声得到的数字化噪声信号。如果不想控制随机数序列的速率，可以直接输出。
图4和图5是使用20MHz和5MHz外部时钟得到的随机数序列。
本发明直接应用比较器处理噪声信号，增大热噪声函数的方差，降低了对比较器分辨精度的要求。开环结构的应用可以降低设计难度，并在有限的电源电压和功耗下提高增益和带宽，带宽的增加一方面提高了电路工作的速度，另一方面也增加了噪声分布方程的方差，可以进一步降低比较器分辨精度的要求。同时不需要外部输入基准电压，避免了常规结构中基准电压与电阻热噪声均值很难匹配的问题。
应当理解的是，本实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制。有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变化，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴由各权力要求限定。

Claims (3)

1.一种基于电阻热噪声的真随机数发生器电路，其特征在于该电路包括两个相等电阻R1、R2，一组电流镜M1、M2、M3，一级或多级比较器，一个D触发器，一组电流镜M1、M2、M3的两个输出端给两个电阻R1、R2提供偏置，电阻R1、R2与PMOS管之间的节点分别接到一级或多级比较器的两个输入端，一级或多级比较器的输出端作为D触发器的输入，该电路使用两个相等电阻的热噪声绝对值大小的比较作为产生随机数序列的源，把噪声分布方程的方差从σ2增大到2σ2，降低对一级或多级比较器分辨精度的要求，所述电路不需要外部输入基准电压。
2.根据权利要求1所述的一种基于电阻热噪声的真随机数发生器电路，其特征在于使用一级或多级比较器把噪声信号直接处理成随机数序列，而不使用运算放大器。
3.根据权利要求1所述的一种基于电阻热噪声的真随机数发生器电路，其特征在于使用D触发器能够通过外部时钟控制随机数序列的频率。
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