CN107797789A - 一种可以消除失调的比较相等电阻热噪声的真随机数发生器电路 - Google Patents

一种可以消除失调的比较相等电阻热噪声的真随机数发生器电路 Download PDF

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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，本结构采用两组输入端接法相反的比较器同时比较，通过对同时产生的数据进行比对处理，筛选出并丢弃由于失调产生的无效数据，消除失调对于输出序列随机性的影响。

Description

一种可以消除失调的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，涉及一种可以消除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。
在本公司已经获得授权的《一种比较相等电阻热噪声的真随机数发生器电路》专利中，使用了一种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。但是实际应用中，比较器的分辨率和失调会影响输出序列的随机性。
发明内容
本发明公开了一种可以消除的比较两个相等电阻的热噪声的真随机数发生器电路，该电路包括两个相等电阻R1、R2，一组电流镜M1、M2、M3，两个接法相反的比较器，一个时钟处理电路，三个D触发器。其中，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两个比较器的两个输入端，接法相反，比较器的输出端作为D触发器D1、D2的输入。
采用的两组输入端接法相反的比较器同时对电阻热噪声进行比较，并各自使用同一个时钟对比较器输出进行采样。在理想情况下，两个D触发器的输出在每一拍都应该是相反的。在比较器存在失调的情况下，会有D触发器输出相同的情况。
时钟处理电路对触发器D1、D2的输出第一级随机数进行比较判定，并对输出级采样时钟进行处理。当触发器输出相同时，判定电路输出0，停掉当时的时钟，使用这个处理后时钟进行采样的D触发器D3会停止采样，不能输出到随机数序列之中。
时钟处理电路(第一级随机数)进行比对判定，相反作为有效数据输出，由于电路失调产生的相同数据作为无效数据丢弃，产生最终的随机数序列；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；同时该电路通过逻辑判定，丢弃由于电路失调产生的无效数据，保证输出序列的随机性。
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，使用两个接法相反的比较器产生第一级随机数序列。并对第一级随机数序列进行判定，筛选出并丢弃由于失调产生的无效数据。
本发明的随机数发生器电路中使用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。D触发器能够通过外部时钟控制随机数序列的频率。
本发明中使用两个输入端接法相反的比较器同时比较产生用于处理的第一级随机数，使用时钟处理电路对两组采样得到的序列进行比对判定，筛选出并丢弃由于失调产生的无效数据，产生最终的随机数序列。
附图说明
图1是可以消除失调的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是两个比较器比较两个电阻的热噪声分别得到的数字化噪声信号。
图4是两组数字化噪声序列比对生成的标志信号及处理过的时钟信号。
图5是最终得到的随机数序列。
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。因为实际的比较器必然会在比较较小低电压时产生失调误差，因此采用两个输入端连接相反的比较器，用组合逻辑对两个D触发器采样的输出进行比对，如果输出相同，判定此时的数据应该丢掉。丢掉数据的方法为停掉当时一拍的时钟，停止D触发器的采样动作。
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。当两个比较器输出不同时，数据是有效的，当两个比较器输出相同时，失调影响数据，本拍数据丢掉。
图4是使用组合逻辑对比较器输出进行判定和对时钟进行处理的波形，当比较器输出相同时，判定信号为0，停掉当时的时钟。
图5是最终输出的随机数序列。
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。使用两个比较器，输入端连接相反，对输出的数据进行判定，根据判定结果处理数据，消除电路必然存在的失调给随机性带来的影响。
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利要求限定。

Claims (4)

1.一种可以消除失调的比较相等电阻热噪声的真随机数发生器电路,其特征在于，主要包括两个相等电阻R1、R2，一组电流镜M1、M2、M3，两个接法相反的比较器，一个时钟处理电路，三个D触发器D1～D3，其中，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两个比较器的两个输入端，接法相反，比较器的输出端作为D触发器D1、D2的输入；使用时钟处理电路对触发器的输出(第一级随机数)进行比对判定，相反作为有效数据输出，由于电路失调产生的相同数据作为无效数据丢弃，产生最终的随机数序列；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；同时该电路通过逻辑判定，丢弃由于电路失调产生的无效数据，保证输出序列的随机性。
2.根据权利要求1所述的一种可以消除失调的比较相等电阻热噪声的真随机数发生器电路，其特征在于使用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所述的一种可以消除失调的比较相等电阻热噪声的真随机数发生器电路，其特征在于，使用所述D触发器能够通过外部时钟控制随机数序列的频率。
4.根据权利要求1所述的一种可以消除失调的比较相等电阻热噪声的真随机数发生器电路，其特征在于使用两个输入端接法相反的比较器同时比较产生用于处理的第一级随机数，使用时钟处理电路对两组采样得到的序列进行比对判定，筛选出并丢弃由于失调产生的无效数据，产生最终的随机数序列。
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