CN110808728B - 基于高速动态比较器的随机信号发生方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电路设计技术领域，具体涉及一种基于高速动态比较器的随机信号发生方法，其利用高速动态比较器在精度范围内输入信号的随机性原理，并利用时钟信号对比较器输入信号产生的噪声干扰，实现在比较器输出端得到一个随机信号。利用多个同样的电路模块设计可以组成任意位数的随机数发生电路，并用于芯片设计使用。本发明的技术优势在于：采用高速动态比较器电路在输入信号与参考信号之间信号差小于比较器精度时，高速动态比较器输出电平随机翻转的特性产生真随机信号。采用数字电路开关噪声对比较器输入端进行干扰，通过引入随机噪声干扰，提高整个电路工作的稳定性和结果的真随机性。

Description

基于高速动态比较器的随机信号发生方法
技术领域
本发明属于电路设计技术领域，具体涉及一种基于高速动态比较器的随机信号发生方法。
背景技术
随机信号理论在它形成的初期，便在通信、雷达、导航及密码学等领域获得了广泛的应用。近年来，随着对随机信号理论研究进一步深入，人们对随机信号有了更多的认识，随机信号的实际应用也越来越多。尤其在各种安全芯片、通信芯片等各类芯片产品中，随机数发生电路设计优劣直接影响这些芯片产品性能的好坏。传统在芯片中实现随机数发生受制于芯片设计复杂程度，大量采用伪随机数的方案。但随着芯片指标要求越来越高，芯片设计中对于采用真随机数的需求也不断提高，利用各种物理随机机制产生随机信号的方式也不断增加。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何提供用于芯片设计所需的真随机数发生器电路设计方案。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于高速动态比较器的随机信号发生方法，所述随机信号发生方法基于随机信号发生电路来实施，所述随机信号发生电路包括多个相同的1bit随机信号发生电路；其中，每个1bit随机信号发生电路均包括：高速动态比较器、带隙基准源、电压跟随器、输出控制电路、噪声源电路；
所述随机信号发生方法包括如下步骤：
步骤1：所述带隙基准源产生一个电压信号；
步骤2：所述电压跟随器接收所述电压信号，进行电压跟随处理，生成参考电压信号，以保证源信号的稳定，提高信号的负载能力；
所述电压跟随器产生的参考电压信号用于高速动态比较器的两路输入；其中一路输入为：参考电压信号作为参考电平直接接入高速动态比较器；另一路输入为：参考电压信号经过一布线路径，并且在布线路径上接近噪声源电路，从而将噪声源电路的开关噪声引入到参考电压信号中，作为输入信号接入高速动态比较器；
步骤3：所述高速动态比较器接收参考电平和输入信号，在时钟的控制下产生随机比较信号；在信号差比小于高速动态比较器精度的情况，使得输出结果为随机反转，输出随机反转的随机信号；
步骤4：所述输出控制电路接收高速动态比较器产生的随机反转的随机信号，根据芯片系统需求输出随机信号。
其中，所述输出控制电路输出的随机信号为1bit随机信号。
其中，所述随机信号发生电路还包括Mbit随机信号存储器；
所述多个相同的1bit随机信号发生电路分别在不同的控制时钟下产生M个1bit随机信号，同时输入Mbit随机信号存储器，形成最终的Mbit随机信号发生器。
其中，所述多个相同的1bit随机信号发生电路的数量为M个。
其中，所述带隙基准源输出的电压信号为1.2V的电压信号。
其中，所述带隙基准源输出的电压信号为1.2V的高精度、纯净的电压信号。
其中，所述噪声源电路为数字电路。
其中，所述噪声源电路的开关噪声为随机噪声干扰。
其中，通过所述多个相同的1bit随机信号发生电路，输出得到并行的多位随机信号。
其中，通过所述多个相同的1bit随机信号发生电路，结合Mbit随机信号存储器，输出得到任意位的随机信号。
(三)有益效果
与现有技术相比较，本发明提供一种基于高速动态比较器的随机数发生方法，其利用高速动态比较器在精度范围内输入信号的随机性原理，并利用时钟信号对比较器输入信号产生的噪声干扰，实现在比较器输出端得到一个随机信号。利用多个同样的电路模块设计可以组成任意位数的随机数发生电路，并用于芯片设计使用。
本发明的技术优势在于：
(1)采用高速动态比较器电路在输入信号与参考信号之间信号差小于比较器精度时，高速动态比较器输出电平随机翻转的特性产生真随机信号。
(2)采用数字电路开关噪声对比较器输入端进行干扰，通过引入随机噪声干扰，提高整个电路工作的稳定性和结果的真随机性。
(3)采用带隙基准源和电压跟随器产生一个稳定的、纯净的电平信号。
(4)利用多个相同单元的组合形成任意位数的随机数发生器，设计灵活。
附图说明
图1为本发明技术方案的1bit随机信号电路架构框图。
图2为本发明技术方案的Mbit随机信号电路架构框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于高速动态比较器的随机信号发生方法，所述随机信号发生方法基于随机信号发生电路来实施，所述随机信号发生电路包括多个相同的1bit随机信号发生电路；其中，每个1bit随机信号发生电路均包括：高速动态比较器、带隙基准源、电压跟随器、输出控制电路、噪声源电路；
所述随机信号发生方法包括如下步骤：
步骤1：所述带隙基准源产生一个电压信号；
步骤2：所述电压跟随器接收所述电压信号，进行电压跟随处理，生成参考电压信号，以保证源信号的稳定，提高信号的负载能力；
所述电压跟随器产生的参考电压信号用于高速动态比较器的两路输入；其中一路输入为：参考电压信号作为参考电平直接接入高速动态比较器；另一路输入为：参考电压信号经过一布线路径，并且在布线路径上接近噪声源电路，从而将噪声源电路的开关噪声引入到参考电压信号中，作为输入信号接入高速动态比较器；
步骤3：所述高速动态比较器接收参考电平和输入信号，在时钟的控制下产生随机比较信号；在信号差比小于高速动态比较器精度的情况，使得输出结果为随机反转，输出随机反转的随机信号；
步骤4：所述输出控制电路接收高速动态比较器产生的随机反转的随机信号，根据芯片系统需求输出随机信号。
其中，所述输出控制电路输出的随机信号为1bit随机信号。
其中，所述随机信号发生电路还包括Mbit随机信号存储器；
所述多个相同的1bit随机信号发生电路分别在不同的控制时钟下产生M个1bit随机信号，同时输入Mbit随机信号存储器，形成最终的Mbit随机信号发生器。
其中，所述多个相同的1bit随机信号发生电路的数量为M个。
其中，所述带隙基准源输出的电压信号为1.2V的电压信号。
其中，所述带隙基准源输出的电压信号为1.2V的高精度、纯净的电压信号。
其中，所述噪声源电路为数字电路。
其中，所述噪声源电路的开关噪声为随机噪声干扰。
其中，通过所述多个相同的1bit随机信号发生电路，输出得到并行的多位随机信号。
其中，通过所述多个相同的1bit随机信号发生电路，结合Mbit随机信号存储器，输出得到任意位的随机信号。
此外，本发明还提供一种基于高速动态比较器的随机信号发生电路，所述随机信号发生电路包括多个相同的1bit随机信号发生电路；其中，每个1bit随机信号发生电路均包括：高速动态比较器、带隙基准源、电压跟随器、输出控制电路、噪声源电路；其中，
所述带隙基准源用于产生一个1.2V左右的高精度、纯净的电压信号；
所述电压跟随器用于接收所述电压信号，进行电压跟随处理，生成一个可以带较大负载的参考电压信号，以保证源信号的稳定，提高信号的负载能力；
所述电压跟随器产生的1.2V参考电压信号用于高速动态比较器的两路输入；其中一路输入为：参考电压信号作为参考电平直接接入高速动态比较器；另一路输入为：参考电压信号经过一较长布线路径，并且在布线路径上接近噪声源电路，从而将噪声源电路的开关噪声引入到参考电压信号中，作为输入信号接入高速动态比较器；
所述高速动态比较器用于接收参考电平和输入信号，在时钟的控制下不断产生随机比较信号；在信号差比小于高速动态比较器精度的情况，使得输出结果为随机反转，输出随机反转的随机信号；
所述输出控制电路用于接收高速动态比较器产生的随机反转的随机信号，根据芯片系统需求输出随机信号。
其中，所述输出控制电路输出的随机信号为1bit随机信号。
其中，所述随机信号发生电路还包括Mbit随机信号存储器；
所述多个相同的1bit随机信号发生电路分别在不同的控制时钟下产生M个1bit随机信号，同时输入Mbit随机信号存储器，形成最终的Mbit随机信号发生器。
其中，所述多个相同的1bit随机信号发生电路的数量为M个。
其中，所述带隙基准源输出的电压信号为1.2V的电压信号。
其中，所述带隙基准源输出的电压信号为1.2V左右的高精度、纯净的电压信号。
其中，所述噪声源电路为数字电路。
其中，所述噪声源电路的开关噪声为随机噪声干扰。
其中，通过所述多个相同的1bit随机信号发生电路，输出得到并行的多位随机信号。
其中，通过所述多个相同的1bit随机信号发生电路，结合Mbit随机信号存储器，输出得到任意位的随机信号。
实施例1
本实施例的理论基础在于高速动态比较器电路在输入信号与参考信号之间信号差小于比较器精度时，高速动态比较器输出电平随机翻转的特性。同时，为了确保输入出结果不会因为电路设计中的工艺偏差、失配、噪声等问题导致比较器输出常0或常1的情况，利用数字电路开关噪声对比较器输入端进行干扰，通过引入随机噪声干扰，提高整个电路工作的稳定性和结果的真随机性。
本实施例的电路设计包括多个相同的1bit随机信号发生电路，每1bit随机信号发生电路包括：高速动态比较器、带隙基准源、电压跟随器、输出控制电路、噪声源电路；
本实施例的高速动态比较器电路主要用于产生随机信号，因此，对于比较器的分辨率要求不高，可以根据实际芯片设计的其他约束要求进行设计。高速动态比较器电路采用精度设计拓扑结构即可，无特殊要求。
本实施例利用带隙基准源和电压跟随器产生一个稳定的、纯净的电平信号，用于比较器输入和参考电平。
本实施例的控制电路主要用于控制动态比较器的工作及产生随机信号的输出。同时利用多路控制电路输出时间的差异，增加整体随机数发生电路的产生随机数分布的概率更加均衡。
本实施例的噪声干扰电路设计根据芯片设计方案和外围电路情况可以灵活处理。主要是让比较器输入信号与参考信号同源发出，参考信号直接接入高速动态比较器，输入信号则采用较长布线路径，并且载布线路径上接近噪声源电路，从而将数字电路的开关噪声引入到输入信号中。除了输入信号外，其他电路及模块应于数字电路部分隔离。
本实施例通过多个相同单元的组合形成任意位数的随机数发生器，多个上述1bit随机信号产生单元并行输出，可以形成任意位随机信号。同时也可以采用1bit随机信号发生电路串行输出得到并行多位随机信号的方案。具体可以根据芯片整体设计方案确定。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于高速动态比较器的随机信号发生方法，其特征在于，所述随机信号发生方法基于随机信号发生电路来实施，所述随机信号发生电路包括多个相同的1bit随机信号发生电路；其中，每个1bit随机信号发生电路均包括：高速动态比较器、带隙基准源、电压跟随器、输出控制电路、噪声源电路；
所述随机信号发生方法包括如下步骤：
步骤1：所述带隙基准源产生一个电压信号；
步骤2：所述电压跟随器接收所述电压信号，进行电压跟随处理，生成参考电压信号，以保证源信号的稳定，提高信号的负载能力；
所述电压跟随器产生的参考电压信号用于高速动态比较器的两路输入；其中一路输入为：参考电压信号作为参考电平直接接入高速动态比较器；另一路输入为：参考电压信号经过一布线路径，并且在布线路径上接近噪声源电路，从而将噪声源电路的开关噪声引入到参考电压信号中，作为输入信号接入高速动态比较器；
步骤3：所述高速动态比较器接收参考电平和输入信号，在时钟的控制下产生随机比较信号；在信号差比小于高速动态比较器精度的情况，使得输出结果为随机反转，输出随机反转的随机信号；
步骤4：所述输出控制电路接收高速动态比较器产生的随机反转的随机信号，根据芯片系统需求输出随机信号。
2.如权利要求1所述的基于高速动态比较器的随机信号发生方法，其特征在于，所述输出控制电路输出的随机信号为1bit随机信号。
3.如权利要求2所述的基于高速动态比较器的随机信号发生方法，其特征在于，所述随机信号发生电路还包括Mbit随机信号存储器；
所述多个相同的1bit随机信号发生电路分别在不同的控制时钟下产生M个1bit随机信号，同时输入Mbit随机信号存储器，形成最终的Mbit随机信号发生器。
4.如权利要求3所述的基于高速动态比较器的随机信号发生方法，其特征在于，所述多个相同的1bit随机信号发生电路的数量为M个。
5.如权利要求1所述的基于高速动态比较器的随机信号发生方法，其特征在于，所述带隙基准源输出的电压信号为1.2V的电压信号。
6.如权利要求5所述的基于高速动态比较器的随机信号发生方法，其特征在于，所述带隙基准源输出的电压信号为1.2V的高精度、纯净的电压信号。
7.如权利要求1所述的基于高速动态比较器的随机信号发生方法，其特征在于，所述噪声源电路为数字电路。
8.如权利要求1所述的基于高速动态比较器的随机信号发生方法，其特征在于，所述噪声源电路的开关噪声为随机噪声干扰。
9.如权利要求1所述的基于高速动态比较器的随机信号发生方法，其特征在于，通过所述多个相同的1bit随机信号发生电路，输出得到并行的多位随机信号。
10.如权利要求2所述的基于高速动态比较器的随机信号发生方法，其特征在于，通过所述多个相同的1bit随机信号发生电路，结合Mbit随机信号存储器，输出得到任意位的随机信号。
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