CN101819515A

CN101819515A - 基于环型振荡器的真随机数发生电路及真随机数发生器

Info

Publication number: CN101819515A
Application number: CN201010108937A
Authority: CN
Inventors: 白国强; 张晓峰; 陈弘毅
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2010-02-08
Filing date: 2010-02-08
Publication date: 2010-09-01
Anticipated expiration: 2030-02-08
Also published as: CN101819515B

Abstract

本发明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。

Description

基于环型振荡器的真随机数发生电路及真随机数发生器

技术领域

本发明属于集成电路设计技术领域，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。

背景技术

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。

本发明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。本发明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，发明中还设计了启动电路。

发明内容

本发明的目的在于，针对背景技术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。

本发明的技术方案是，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。

本发明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，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

实施例：

本发明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：

f_{OSC} = \frac{G_{M}}{{2 NC}_{G} (1 + G_{M} R_{V})} - - - (1)

其中，G_M：等效跨导，R_V：等效电阻，C_G：寄生电容，N：反相器级数。

图2是高频环形振荡电路的结构。第一高频环形振荡电路和第二高频环形振荡电路均采用如图2所示的结构。电路中可变电阻由CMOS开关来实现，CMOS开关的两个管子均工作在线性区，其等效导通电阻为：

R_{CMOS_on, eq} = R_{nmos_on, eq} | | R_{pmos_on, eq}

= \frac{1}{k_{n}^{'} {(\frac{W}{L})}_{n} (ck - V_{in} - V_{Tn})} | | \frac{1}{k_{p}^{'} {(\frac{W}{L})}_{p} (V_{in} - \overset{&OverBar;}{ck} - | V_{Tp} |)} - - - (2)

图2中，ck和

分别是CMOS开关中NMOS和PMOS管的栅极电压，Vin是开关的漏极输入电压。PMOS和NMOS分别表示图2中的晶体管，电阻R_V表示图2中反向器的等效电阻。

结合(1)、(2)两式可得出电压控制振荡频率的原理：开关的栅电压ck发生改变→等效导通电阻R_V改变→振荡器振荡频率改变。图2中电压控制输入端的控制电压V_ctr直接控制PMOS管栅极，同时经过源极跟随器转换电平后控制NMOS管栅极，因此只要控制电压在一定的范围内变化，那么开关的栅极电压也将在一定的范围内变化，从而达到通过电压来控制振荡器的振荡频率变化的目的。设计主要折衷考虑以下几点：(1)振荡器要有较高的振荡频率；(2)振荡器要有一定的频率变化范围；(3)振荡电路要获得尽量多的相位噪声；(4)反相器要有一定的驱动能力，输出波形摆率不能太低。

低频环形振荡电路采用固定频率的设计方案，其电路结构就是把图2中的CMOS开关换成了固定电阻，由(2)式看出，通过调整电阻R_V的阻值和反相器的级数N，可以调整低频环形振荡电路的振荡频率，进而调整电路的随机比特流输出速率。理论上，低频环形振荡电路的振荡频率可以达到它所采样的两个高频振荡器振荡频率的最低值。

图3是振荡采样电路的结构图。如图3所示，为了引入更多的相位噪声和相位抖动，在设计中把两个不同频率的高频环形振荡器产生的波形进行异或操作，异或操作能有效地把两个振荡器产生的相位抖动叠加。用低频环形振荡电路进行采样，用正沿触发的维持-阻塞D触发器作为采样电路，采样得到未处理的随机比特流，然后输入到后处理电路进行后处理。

CMOS反相器从原理上看就是一个电平反向放大电路，那么如果环形振荡器的初始状态处于中间电平，将导致振荡电路起振速度缓慢，使得随机数产生器在刚上电的很长一段时间内不能正常工作，不能得到随机比特流，最坏情况下电路甚至有可能完全无法起振。实践表明某些振荡器芯片的确存在起振问题。因此，设计一个启动电路来确保环形振荡电路的正常、快速地进入振荡状态是很有必要的。启动电路的结构如图2中虚线框所示，它由组合逻辑组成，其输入端是电路的使能信号EN。在EN为高电平的时候整体电路正常工作，反之振荡环路断开，电路停止工作。启动电路的作用是在EN的上升沿产生一个短脉冲信号，该信号输入到振荡器的环路节点中，给振荡器一个明确的高电平起振激励，在脉冲过后，启动电路自动关闭，输出节点悬空，不会对振荡电路内部产生影响。图4是启动电路的波形示意图。图4中，启动电路输出节点start-up的波形为虚线时表示该节点悬空。可以通过调整图2中启动电路部分与非门前面的缓冲器延时来调整激励短脉冲的宽度Δt。

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。为使得输出序列的‘0’、‘1’分布更加均匀，从而达到随机性要求，设计中采用了如图5左边部分所示的三级移位异或后处理电路。其原理表述如下：假设输入比特流中‘1’的概率为p，‘0’的概率为1-p。由数学归纳法，序列经过n级移位异或后出现‘1’的概率是：P(1)＝0.5-2^n-1(p-0.5)ⁿ，出现‘0’的概率是：P(0)＝0.5+2^n-1(p-0.5)ⁿ。因此随着级数n的增加，序列趋向于均匀分布，随机性得到提高。n的确定由电路随机性和电路的功耗、面积来折衷考虑。仿真表明，设计中采用三级移位异或电路能得到随机性较好的序列。

控制电压在控制电压产生电路中，由经过后处理的随机序列通过电阻分压产生，如图5右边虚线框所示。利用这组随机电压作为高频环形振荡电路的控制电压，可以把随机性通过反馈的形式引回振荡采样电路中，使得高频环形振荡电路的振荡频率随机变化。控制电压的变化范围可以通过调整电阻R1和R2的比值以及R1和R2的比值来调整。V_ctr-out1和V_ctr-out2分别为真随机数发生电路的第一电压控制输出端和第二电压控制输出端。

图6是基于环型振荡器的真随机数发生器结构图。上述图3和图5拼合后的电路是本发明的基于环型振荡器的真随机数发生电路。如果只用一级拼合后的电路来完成自反馈频率控制，会产生很大的相关性，破坏了生成序列的随机性。基于以上考虑，整体真随机数发生器的设计采用如图6所示的三级电路的结构，形成多级反馈控制环路，使噪声的影响在环内被不断积累放大，噪声产生的抖动和电路的初始状态混合在一起，经过迭代以后电路进入完全无法预测的状态。图6中，Stage1、Stage2、Stage3分别代表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。Stage1的V_{ctr_in1}、V_{ctr_in2}、V_{ctr_out1}、V_{ctr_out2}和out1分别代表第一级真随机数发生电路的第一电压控制输入端、第二电压控制输入端、第一电压控制输出端、第二电压控制输出端和第一级真随机数发生电路后处理随机比特流。Stage2的V_{ctr_in1}、V_{ctr_in2}、V_{ctr_out1}、V_{ctr_out2}和out2分别代表第二级真随机数发生电路的第一电压控制输入端、第二电压控制输入端、第一电压控制输出端、第二电压控制输出端和第二级真随机数发生电路后处理随机比特流。Stage3的V_{ctr_in1}、V_{ctr_in2}、V_{ctr_out1}、V_{ctr_out2}和out3分别代表第三级真随机数发生电路的第一电压控制输入端、第二电压控制输入端、第一电压控制输出端、第二电压控制输出端和第三级真随机数发生电路后处理随机比特流。三级真随机数发生电路的连接关系是：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。

由于同一级电路输出的两个控制电压具有相关性，因此我们并不是把本级电路的两个控制电压输出端直接连接到下一级电路相应的两个控制电压输入端，而是采取了图6的连接方式，从而避免这种相关性的引入。

整体电路理论上能够同时输出三路随机比特流。但是仿真结果表明：将三个序列作两两异或操作后得到最终的两个输出序列，即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，这样可以进一步提高每个序列的随机性，同时消除三个序列之间的交叉相关性。

本发明的效果在于，使用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，再用一个低频环形振荡器对异或后的波形进行采样得到随机比特流，解决了随机比特流产生速度较慢的相位抖动累积问题；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器，进而控制振荡频率发生随机变化，从而提高了电路的随机性；多级反馈控制环路的设计结构，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。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一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；

2.根据权利要求1所述的一种基于环型振荡器的真随机数发生电路，其特征是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。

3.根据权利要求1所述的一种基于环型振荡器的真随机数发生电路，其特征是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。

4.根据权利要求3所述的一种基于环型振荡器的真随机数发生电路，其特征是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。

5.根据权利要求4所述的一种基于环型振荡器的真随机数发生电路，其特征是所述可变电阻由CMOS开关管来实现，所述CMOS开关管工作在线性区。

6.根据权利要求1、2或3所述的一种基于环型振荡器的真随机数发生电路，其特征是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。

7.根据权利要求1、2或3所述的一种基于环型振荡器的真随机数发生电路，其特征是所述后处理电路采用三级移位异或后处理电路。

8.根据权利要求1、2或3所述的一种基于环型振荡器的真随机数发生电路，其特征是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。

9.一种如权利要求1所述的基于环型振荡器的真随机数发生电路组成的真随机数发生器，其特征是所述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，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；

10.根据权利要求9所述的一种基于环型振荡器的真随机数发生电路，其特征是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。