CN101833434B - 一种cmos随机数发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低功耗CMOS随机数发生器。该随机数发生器包括:偏置电路,用于为双漏极CMOS管噪声电流源提供直流工作点;双漏极CMOS管噪声电流源,利用双漏极互补式金属氧化层半导体CMOS管产生噪声电流信号;控制电路,将双漏极CMOS管噪声电流源输出的噪声电流信号转换为随机序列输出,同时检测噪声电流信号,并根据检测结果控制双漏极CMOS管噪声电流源输出或中止输出噪声电流信号。本发明利用双漏极CMOS管噪声大的特点,大大降低了随机数发生器的功耗,适合射频识别标签芯片使用。

Description

一种CMOS随机数发生器
技术领域
本发明涉及一种随机数发生器,尤其是一种射频识别标签芯片使用的低功耗CMOS随机数发生器。
背景技术
射频识别是一种非接触式的自动识别技术,它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。随机数发生器是射频识别标签的防碰撞算法里非常重要的部分。通常用于随机数产生的方法有电阻或普通CMOS管噪声放大,高低频率采样,混沌算法等。
射频识别标签对功耗的要求很苛刻,特别是无源射频识别标签,其电能取自天线接收到的无线电波能量,各单元的功耗一般要低于1μW。使用普通的CMOS管作噪声源组成的随机数发生器功耗都较大。因为普通CMOS管的噪声不够大,需要复杂的电路才能有效的把噪声放大到可用的范围,所以消耗更多的能量。
本发明的发明人此前设计的公开号为CN 101202532A的中国专利“一种互补式金属氧化层半导体噪声发生器”公开了一种低功耗CMOS噪声发生器。利用该噪声发生器制作的真随机数发生器,最低功耗能降至0.65μW。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种功耗低,适用于射频识别标签使用的低功耗CMOS随机数发生器。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下:一种CMOS随机数发生器,该随机数发生器包括:
偏置电路,用于为双漏极CMOS管噪声电流源提供直流工作点;
双漏极CMOS管噪声电流源,采用双漏极CMOS管产生噪声电流信号,所述双漏极CMOS管噪声电流源由一个P型双漏极CMOS管、一个N型双漏极CMOS管和一个N型普通CMOS管组成,所述P型双漏极CMOS管的栅极接至所述偏置电路的输出端,源极接至电源,第一漏极接至所述N型普通CMOS管的漏极,第二漏极接至所述N型双漏极CMOS管的第一漏极和栅极;所述N型双漏极CMOS管的源极接地,第二漏极接至所述N型普通CMOS管的源极,所述N型双漏极CMOS管的第二漏极为所述双漏极CMOS管噪声电流源的电流输出端;所述N型普通CMOS管的栅极接收所述控制电路的控制信号;
控制电路,用于将双漏极CMOS管噪声电流源产生的噪声电流信号转换为随机序列输出,所述控制电路包括:比较器、1位计数器和两个D触发器,比较器的同相输入端接参考电压源,反相输入端接所述双漏极CMOS管噪声电流源的电流输出端,比较器的输出端接至第一D触发器的输入端;比较器的控制端、第一D触发器的时钟信号输入端和1位计数器的输入端均接时钟输入信号;第一D触发器的第一输出端为控制电路的控制信号输出端,第二输出端接至第二D触发器的时钟信号输入端;1位计数器的输出端接至第二D触发器的输入端,第二D触发器的输出端为所述控制电路的随机序列输出端。
在上述技术方案的基础上,本发明还可以做如下改进。
进一步,所述控制电路检测双漏极CMOS管噪声电流源产生的噪声电流信号,并根据检测结果发出控制信号,控制双漏极CMOS管噪声电流源向外输出或中止输出噪声电流信号。
进一步,所述控制电路还包括电容,电容一端接比较器的反相输入端,另一端接地。
本发明提供的这种CMOS随机数发生器,采用广泛使用的CMOS工艺制作,利用双漏极CMOS管噪声大的特点,大大降低了随机数发生器的功耗,很好地解决无源标签芯片对低功耗的要求。特别适合射频识别(RFID)标签芯片使用。相对于公开号为CN 101202532A的中国专利“一种互补式金属氧化层半导体噪声发生器”,本发明的结构更简单,功耗更低,最低功耗能降至0.5μW。也有利于大规模生产制造。
由于双漏极CMOS管噪声电流源和控制电路构成一个回路,该回路能有效地稳定电路的工作点,从而避免了由于器件的工艺偏差对电路工作点所带来的过大的影响,相对于没有回路控制的电路(如公开号为CN 101202532A的专利)更有利于大规模生产制造。
由于双漏极CMOS管噪声电流源的P型双漏极CMOS管的栅极连接于所述偏置电路,栅极电压由偏置电路提供,能够有效控制双漏极CMOS管电流源的电流大小。
附图说明
图1为本发明CMOS随机数发生器的方框图;
图2为本发明实施例双漏极CMOS管噪声电流源的示意图;
图3为本发明实施例双漏极CMOS随机数发生器的电路图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述,所举实例只用于解释本发明,并非用于限定本发明的范围。
图1为本发明提供的CMOS(互补式金属氧化层半导体)随机数发生器的方框图。如图1所示,该CMOS随机数发生器包括三个部分:偏置电路1、双漏极CMOS管噪声电流源2、控制电路3。其中,偏置电路1用于为双漏极CMOS管噪声电流源2提供直流工作点;双漏极CMOS管噪声电流源2利用双漏极CMOS(互补式金属氧化层半导体)管产生噪声电流信号并输出;控制电路3用于将双漏极CMOS管噪声电流源2产生的噪声电流信号转换为随机序列输出,并检测双漏极CMOS管噪声电流源2产生的噪声电流信号,根据检测结果发出控制信号,控制双漏极CMOS管噪声电流源2向外输出或中止输出噪声电流信号。
图2为本发明实施例双漏极CMOS管噪声电流源的示意图。如图2所示,该双漏极CMOS管噪声电流源2由一个P型双漏极CMOS管、一个N型双漏极CMOS管和一个用作开关的N型普通CMOS管组成。
其中,P型双漏极CMOS管的栅极连接到偏置电路1的输出端,P型双漏极CMOS管的一个漏极连接到N型普通CMOS管的漏极,而P型双漏极CMOS管的另一个漏极连接到N型双漏极CMOS管的一个漏极,该漏极同时连接着N型双漏极CMOS管的栅极,N型双漏极CMOS管的另一个漏极与N型普通CMOS管的源极相连,该连接点形成噪声电流源2的电流输出端,向控制电路3输出噪声电流信号。N型普通CMOS管的栅极接受所述控制电路3返回的控制信号。N型普通CMOS管在此充当了电路开关的作用。当N型普通CMOS管的栅极接受到低电平输入时,此处电路处于断开状态,噪声电流源2的电流信号从N型双漏极CMOS管的漏极输出。当N型普通CMOS管的栅极收到控制电路3发出的高电平信号时,此处电路连通,电流经N型普通CMOS管流向P型双漏极CMOS管的一个漏极,噪声电流源2停止向外输出噪声电流信号。
图3是本发明实施例双漏极CMOS随机数发生器的电路图。其中控制电路3包括:比较器U1,1位计数器S1和两个D触发器D1、D2,还有电容C1。
比较器U1的控制端、第一D触发器D1的时钟信号输入端分别接入时钟输入信号。比较器U1的反相输入端接电容C1,电容C1另一端接地。噪声电流源2的电流输出端接比较器U1的反相输入端,参考电压源UR接比较器U1的同相输入端,比较器U1通过对比噪声电流源2的电压和参考电压源UR电压的高低,输出高电平或低电平。比较器U1的输出端接第一D触发器D1的数据输入端。第一D触发器D1的第一输出端接到所述噪声电流源N型普通CMOS管的栅极,向噪声电流源2发出控制信号。噪声电流源2输出噪声电流信号时,其输出电压逐步降低,降至低于参考电压源UR的电压时,第一D触发器D1根据比较器U1提供的信号,向N型普通CMOS管的栅极输出高电平信号,噪声电流源2的电流输出端停止输出噪声电流信号。此后电流输出端电压逐步上升,升至高于参考电压源UR的电压时,第一D触发器D1根据比较器U1提供的信号,向N型普通CMOS管的栅极输出低电平信号,噪声电流源2的电流输出端重新开始输出噪声电流信号。
第一D触发器D1的第二输出端接第二D触发器D2的时钟信号输入端,为其提供时钟输入信号。1位计数器S1的输入端接入时钟输入信号,1位计数器S1的输出端接至第二D触发器D2的输入端。第二D触发器D2的输出端为所述控制电路3的随机序列输出端,根据1位计数器S1提供的数据信号和第一D触发器D1提供的时钟信号输出随机序列。
根据本发明提供的这种低功耗CMOS随机数发生器进行电路设计以及版图设计,测试的结果为随机数发生器所产生的随机数序列能通过NIST(美国国家标准和技术研究所)对随机数序列的要求,最低功耗为0.5μW。这证明本发明是切实可行的,特别适合应用于射频识别(RFID)标签芯片。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种CMOS随机数发生器,其特征在于,该随机数发生器包括:
偏置电路(1),用于为双漏极CMOS管噪声电流源(2)提供直流工作点;
双漏极CMOS管噪声电流源(2),采用双漏极CMOS管产生噪声电流信号,所述双漏极CMOS管噪声电流源(2)由一个P型双漏极CMOS管、一个N型双漏极CMOS管和一个N型普通CMOS管组成,所述P型双漏极CMOS管的栅极接至所述偏置电路的输出端,源极接至电源,第一漏极接至所述N型普通CMOS管的漏极,第二漏极接至所述N型双漏极CMOS管的第一漏极和栅极;所述N型双漏极CMOS管的源极接地,第二漏极接至所述N型普通CMOS管的源极,所述N型双漏极CMOS管的第二漏极为所述双漏极CMOS管噪声电流源的电流输出端;所述N型普通CMOS管的栅极接收所述控制电路(3)的控制信号;
控制电路(3),用于将双漏极CMOS管噪声电流源(2)产生的噪声电流信号转换为随机序列输出,所述控制电路(3)包括:比较器(U1)、1位计数器(S1)和两个D触发器(D1、D2),比较器(U1)的同相输入端接参考电压源,反相输入端接所述双漏极CMOS管噪声电流源(2)的电流输出端,比较器(U1)的输出端接至第一D触发器(D1)的输入端;比较器(U1)的控制端、第一D触发器(D1)的时钟信号输入端和1位计数器(S1)的输入端均接时钟输入信号;第一D触发器(D1)的第一输出端为控制电路(3)的控制信号输出端,第二输出端接至第二D触发器(D2)的时钟信号输入端;1位计数器(S1)的输出端接至第二D触发器(D2)的输入端,第二D触发器(D2)的输出端为所述控制电路(3)的随机序列输出端。
2.根据权利要求1所述的CMOS随机数发生器,其特征在于,所述控制电路(3)检测双漏极CMOS管噪声电流源(2)产生的噪声电流信号,并根据检测结果发出控制信号,控制双漏极CMOS管噪声电流源(2)向外输出或中止输出噪声电流信号。
3.根据权利要求1所述的CMOS随机数发生器,其特征在于,所述控制电路(3)还包括电容(C1),电容(C1)一端接比较器(U1)的反相输入端,另一端接地。
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