CN110554855B - 真随机数发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种真随机数发生器，该真随机数发生器包括低频时钟单元，所述低频时钟单元具有慢振荡器，该慢振荡器包括：跨阻放大器、迟滞比较器、电荷泵、跨导放大器、第一电容以及电压缓冲器。跨阻放大器包括：运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻以及第四电阻。该真随机数发生器的jitter值在低频时钟输出频率确定的情况下只与跨阻放大器的噪声电阻、噪声带宽、噪声电压增益这三个参数相关，在噪声电阻和噪声带宽在比较小的情况下，通过增大噪声电压增益得到比较大的噪声电压标准差，即可以设计出比较大的低频时钟jitter，增大随机数的性能，并且可以减少电路的功耗和面积。

Description

真随机数发生器
技术领域
本发明是关于电路设计领域，特别是关于一种真随机数发生器。
背景技术
随着大数据和5G技术的快速发展，数据安全变得越来越重要，而保障数据安全的最好方式之一是运用密码学对数据进行加密处理。在密码学应用中，无论是密码算法中密钥的生成或是密码协议中特定变量的随机初始化，都需要用到真随机数源。真随机数在统计学上具有随机性，包括时间上的独立性和空间上的均匀性，还具有不可重复性和不可预测性。随机数主要应用于密码算法协处理器中的密钥、身份认证和数字签名等，这些都需要真随机数发生器输出的随机系列具有熵源高，功耗低，面积小等特点。
真随机数电路结构如图1所示，电路由低频时钟单元1、高频时钟单元2、D触发器3、后处理单元4等电路构成。在真随机数电路设计过程中，通常要求低频时钟单元1中慢振荡器的jitter(抖动标准差)值在高频时钟单元2的高振荡器周期的10～20倍之间，以提高真随机数发生器的抗干扰能力以及输出序列的随机性能，低频时钟单元1中的慢振荡器的jitter值与随机数的随机性能正相关。
发明人在实现本发明的过程中发现，目前通常会采用增大低频时钟单元1的噪声电阻和噪声带宽来将低频时钟单元1中的慢振荡器的jitter值变大从而提高随机数的随机性能，但是增大噪声电阻会导致电路面积增加，增大噪声带宽会导致电路的功耗增加。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种真随机数发生器，其能够保证低频时钟有足够的jitter值和随机性的前提下，减少电路的面积和功耗。
为实现上述目的，本发明提供了一种真随机数发生器，该真随机数发生器包括低频时钟单元，所述低频时钟单元具有慢振荡器，该慢振荡器包括：跨阻放大器、迟滞比较器、电荷泵、跨导放大器、第一电容以及电压缓冲器。
跨阻放大器包括：运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻以及第四电阻。运算放大器的正输入端和负输入端之间存在失调电压；第一电阻的一端与所述运算放大器的正输入端相连，在所述第一电阻和所述运算放大器之间存在寄生电容；第二电阻的一端与所述运算放大器的负输入端相连；第三电阻的一端与所述运算放大器的输出端相连，所述第三电阻的另一端与所述第二电阻的另一端相连；第四电阻的一端与所述第二电阻的该另一端相连，所述第四电阻的另一端与所述第一电阻的另一端相连。
迟滞比较器的正输入端与所述运算放大器的输出端相连；电荷泵的一端与所述迟滞比较器的输出端相连；跨导放大器的正输入端与所述电荷泵的另一端相连，所述跨导放大器的输出端连接在所述第二电阻和所述第三电阻之间；第一电容的一端接地，所述第一电容的另一端与所述跨导放大器的正输入端相连；电压缓冲器的输出端连接在所述第一电阻和所述第四电阻之间，所述电压缓冲器的输出端还与所述跨导放大器的负输入端相连，所述电压缓冲器用于输出第一电压信号；其中，第二电压信号输入至所述迟滞比较器的负输入端，所述迟滞比较器的输出端输出低频时钟信号，所述跨阻放大器的噪声电压增益值设置在100～200之间，其中，所述噪声电压增益为所述第三电阻与所述第四电阻的比值。
在本发明的一实施方式中，所述跨阻放大器的输入阻抗与所述第四电阻的比值设置在2-20之间。
在本发明的一实施方式中，所述第四电阻的阻值小于3KΩ。
在本发明的一实施方式中，所述失调电压小于6mV。
在本发明的一实施方式中，所述电压缓冲器的驱动能力大于2uA。
在本发明的一实施方式中，所述寄生电容小于100fF。
与现有技术相比，根据本发明的真随机数发生器，对现有的真随机数发生器中的低频时钟单元进行了改进，使得在低频时钟输出频率确定的情况下jitter值只与跨阻放大器的噪声电阻、噪声带宽、噪声电压增益这三个参数相关，在噪声电阻和噪声带宽在比较小的情况下，通过增大噪声电压增益(设置在100～200之间)得到比较大的噪声电压标准差，即可以设计出比较大的低频时钟jitter，增大随机数的性能，并且可以减少电路的功耗和面积。
附图说明
图1是根据现有技术的一种真随机数电路结构；
图2是根据本发明一实施方式的真随机数发生器中的低频时钟单元；
图3是根据本发明一实施方式的跨阻放大器输出信号的波形图；
图4是根据本发明一实施方式的跨阻放大器的原理图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
为了克服现有技术的问题，本发明公开了一种真随机数发生器，对现有的真随机数发生器中的低频时钟单元进行了改进，在保证低频时钟有足够的jitter值和随机性的前提下，通过减少噪声电阻和噪声带宽来减少电路的面积和功耗。
图2是根据本发明一实施方式的真随机数发生器中的低频时钟单元。该低频时钟单元具有抖动的慢振荡器，该慢振荡器包括：跨阻放大器10、迟滞比较器11、电荷泵12、跨导放大器13、第一电容14以及电压缓冲器15。其中，跨阻放大器10包括运算放大器op、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3以及第四电阻R4。
第一电阻R1的一端与运算放大器op的正输入端相连，在第一电阻R1和运算放大器op之间存在寄生电容C1；第二电阻R2的一端与运算放大器op的负输入端相连；在运算放大器op的正输入端和负输入端之间存在失调电压；第三电阻R3的一端与运算放大器op的输出端相连，第三电阻R3的另一端与第二电阻R2的另一端相连；第四电阻R4的一端与第二电阻R2的该另一端相连，第四电阻R4的另一端与第一电阻R1的另一端相连。迟滞比较器11的正输入端与运算放大器op的输出端相连。电荷泵12的一端与迟滞比较器11的输出端相连。跨导放大器13的正输入端与电荷泵12的另一端相连，跨导放大器13的输出端连接在第二电阻R2和第三电阻R3之间；第一电容14的一端接地，第一电容14的另一端与跨导放大器13的正输入端相连；电压缓冲器15的输出端连接在第一电阻R1和第四电阻R4之间，电压缓冲器15的输出端还与跨导放大器13的负输入端相连，电压缓冲器15用于输出第一电压信号；其中，第二电压信号输入至迟滞比较器11的负输入端，迟滞比较器11的输出端输出低频时钟信号。
跨阻放大器10的噪声电压增益值设置在100～200之间，噪声电压增益为第三电阻R3与第四电阻R4的比值。
具体而言，本实施方式中，跨阻放大器输出信号SCLK_OUT是一个在迟滞比较器11的高低电压阈值VTH与低电压阈值VTL间来回摆动的三角波，如图3所示。噪声电阻为第一电阻R1和第二电阻R2。噪声电阻的热噪声经过运算放大器op后叠加在该三角波上，得到SCLK_OUT的时钟沿抖动信号与热噪声一样，满足正态分布。
低频时钟频率与迟滞比较器11的迟滞范围VTH+VTL、电容C、信号增益A1、电荷泵12充放电电流Icharge相关，如果低频时钟频率确定，其相应的参数也会确定。低频时钟jitter的标准差σ{Tclkslow}的算法如下：
Figure BDA0002199169240000051
其中，
Figure BDA0002199169240000052
代表噪声源的平均功率，Bw是跨阻放大器10的带宽，Rnoise是噪声电阻值，k代表玻尔兹曼常数，T为噪声电阻的绝对温度。
从图2可知，噪声电阻(第一电阻R1和第二电阻R2)在跨阻放大器10的两端，噪声是通过跨阻放大器10放大的，跨阻放大器10的带宽即噪声带宽。当低频时钟频率确定之后，其参数迟滞范围VTH+VTL、电容C2、信号增益A1、电荷泵12充放电电流Icharge会跟着确定，要改变σ{Tclkslow}值，只有噪声电阻Rnoise、噪声带宽Bw、噪声电压增益A2可以改变，这三个参数都和跨阻放大器10相关。
图4为跨阻放大器10的原理图，电流信号通过电阻R3转换成电压信号，跨阻放大器10的闭环增益A＝R3，噪声电阻为R1、R2，电流输入信号分成两路，一路I1通过R3转换成电压信号，一路I2通过电阻R4，流向VREF的buffer电路中。跨阻放大器10放大后噪声电压的标准差
Figure BDA0002199169240000053
即噪声电压增益
Figure BDA0002199169240000054
本实施方式中，将噪声电压增益可以取100-200倍之间，这样可以在噪声电阻和噪声带宽在比较小的情况下，得到比较大的噪声电压标准差，即可以设计出比较大的低频时钟jitter，增大随机数的性能，并且可以减少功耗和面积。优选地，寄生电容的电容值应该小于100fF，寄生电容过大，会导致噪声带宽很小，从而噪声电压标准差比较小，影响随机数的性能。
跨阻放大器10电路中的电阻R4将噪声电阻R1和R2上的噪声电压转化为噪声电流，叠加到输入电流中，通过跨阻放大器10进行放大。电阻R4会对跨阻放大器10的输入阻抗Rin产生影响，从而影响流过电阻R3的电流，所以R4会影响低频时钟的输出频率，Rin与R4的比值范围应对在2-20倍之间。其中，
Figure BDA0002199169240000061
其中ao是跨阻放大器10中运算放大器op的低频增益，Ro是运算放大器op的输出阻抗。R4的阻值应小于3KΩ，避免跨阻放大器10产生自激振荡。跨阻放大器10两端的失调电压(±3σ)Vm应小于±6mV，如果Vm电压过大，Vm会加载在电阻R4上产生电流，这个电流会流进或流出跨导放大器13，从而对跨导放大器13产生重要的影响，甚至引起跨导放大器13不工作，从而使低频时钟停振。其中，σ为失调电压的标准差。I2电流经第四电阻R4流向VREF1的缓冲器，因此，电压缓冲器需要一定的驱动能力，驱动能力要大于2uA。
另外，在本实施方式的随机数发生器中，还通过减少高频时钟的频率来进一步减少电路功耗和面积。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (6)

1.一种真随机数发生器，该真随机数发生器包括低频时钟单元，所述低频时钟单元具有慢振荡器，其特征在于，该慢振荡器包括：
跨阻放大器，其包括：
运算放大器，其正输入端和负输入端之间存在失调电压；
第一电阻，其一端与所述运算放大器的正输入端相连，在所述第一电阻和所述运算放大器之间存在寄生电容；
第二电阻，其一端与所述运算放大器的负输入端相连；
第三电阻，其一端与所述运算放大器的输出端相连，所述第三电阻的另一端与所述第二电阻的另一端相连；和
第四电阻，其一端与所述第二电阻的该另一端相连，所述第四电阻的另一端与所述第一电阻的另一端相连；
迟滞比较器，其正输入端与所述运算放大器的输出端相连；
电荷泵，其一端与所述迟滞比较器的输出端相连；
跨导放大器，其正输入端与所述电荷泵的另一端相连，所述跨导放大器的输出端连接在所述第二电阻和所述第三电阻之间；
第一电容，其一端接地，所述第一电容的另一端与所述跨导放大器的正输入端相连；以及
电压缓冲器，其输出端连接在所述第一电阻和所述第四电阻之间，所述电压缓冲器的输出端还与所述跨导放大器的负输入端相连，所述电压缓冲器用于输出第一电压信号；
其中，第二电压信号输入至所述迟滞比较器的负输入端，所述迟滞比较器的输出端输出低频时钟信号，所述跨阻放大器的噪声电压增益值设置在100～200之间，其中，所述噪声电压增益为所述第三电阻与所述第四电阻的比值。
2.如权利要求1所述的真随机数发生器，其特征在于，所述跨阻放大器的输入阻抗与所述第四电阻的比值设置在2-20之间。
3.如权利要求1所述的真随机数发生器，其特征在于，所述第四电阻的阻值小于3KΩ。
4.如权利要求1所述的真随机数发生器，其特征在于，所述失调电压小于6mV。
5.如权利要求1所述的真随机数发生器，其特征在于，所述电压缓冲器的驱动能力大于2uA。
6.如权利要求1所述的真随机数发生器，其特征在于，所述寄生电容小于100fF。
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