DE102008015578A1

DE102008015578A1 - Zufallssignalgenerator und Zufallszahlengenerator

Info

Publication number: DE102008015578A1
Application number: DE102008015578A
Authority: DE
Inventors: Choong-Hoon Lee; Soon-Kyun Seongnam Shin
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2007-03-23
Filing date: 2008-03-18
Publication date: 2008-10-16
Also published as: US20080313250A1; KR100871810B1; KR20080086567A; US8301674B2; FR2914076A1

Abstract

Ein Zufallssignalgenerator (100) umfasst einen Differenzrauschgeneratorschaltkreis (110), welcher ein Eingabeknotenpaar und ein Ausgabeknotenpaar aufweist, wobei der Differenzrauschgeneratorschaltkreis (110) dazu konfiguriert ist, Rauschsignale am Eingabeknotenpaar zu empfangen und Differenzrauschsignale (NSa, NSb) am Ausgabeknotenpaar zu erzeugen, wobei der Differenzrauschgeneratorschaltkreis (110) selbstvorspannend ist, so dass das Eingabeknotenpaar mit dem Ausgabeknotenpaar gekoppelt ist; einen Verstärkungsschaltkreis (130), welcher dazu konfiguriert ist, die Differenzrauschsignale (NSa, NSb) zu verstärken, welche vom Differenzrauschgeneratorschaltkreis (110) ausgegeben werden, um verstärkte Differenzsignale (ASa, ASb) zu erzeugen; und einen unsymmetrischen Verstärker (150), welcher dazu konfiguriert ist, basierend auf den verstärkten Differenzsignalen (ASa, ASb) ein Zufallssignal (RS) zu erzeugen, wobei das Zufallssignal (RS) irreguläre Übergangszeitpunkte aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Zufallssignalgenerator und einen Zufallszahlengenerator.
Generell können sichere Datenkommunikationen, welche beispielsweise eine Smartcard involvieren, einen Verschlüsselungsschlüssel erfordern, um Benutzerinformationen zu schützen. Zufallszahlen werden typischerweise dazu verwendet, den Verschlüsselungsschlüssel zu erzeugen. Eine Zufallszahl kann als Pseudozufallszahl oder als physikalische Zufallszahl klassifiziert werden.
Eine Pseudozufallszahl wird künstlich durch logische Schaltkreise und Softwareprogramme erzeugt. Die Pseudozufallszahl kann beispielsweise unter Verwendung eines Rivest-Shamir-Adelman(RSA)-Verschlüsselungsalgorithmus und eines elliptischen Kurvenverschlüsselungssystems erzeugt werden. Die Pseudozufallszahl weist jedoch eine deterministische Sequenz auf, welche durch einen Hacker antizipiert werden kann, wenn eine Anfangsbedingung des Pseudozufallszahlensystems aufgedeckt wird.
Eine physikalische Zufallszahl, welche auch als echte Zufallszahl bezeichnet wird, kann basierend auf einem physikalischen Phänomen erzeugt werden, welches in der natürlichen Welt vorkommt. Thermisches Rauschen eines Widerstands, kurzzeitiges Rauschen eines PN-Übergangs eines Halbleiters und radioaktive Wellen sind Beispiele von solchen physikalischen Phänomenen. Da das physikalische Phänomen nicht vorhersagbar ist, ist die physikalische Zufallszahl besser zum Schützen von persönlichen Informationen geeignet. Eine Rauschintensität des zugrunde liegenden physikalischen Phänomens, auf welchem die Zufallszahl basiert, ist jedoch typischerweise klein und daher ist eine hohe Spannung erforderlich, um das geringe Rauschen in eine Zufallszahl zu konvertieren. Als Konsequenz treten viele Schwierigkeiten bei dem Versuch auf, eine physikalische Zufallszahl beispielsweise bei einem großtechnischen integrierten Schaltkreis (LSI) anzuwenden.
Ein Beispiel eines Zufallszahlengeneratorschaltkreises, welcher thermisches Rauschen verwendet, ist im Artikel von Holman et al. „An Integrated Analog/Digital Random Noise Source", IEEE Transactions an Circuits and Systems: Fundamental Theory and Applications, Vol. 44, No. 6 (June 1997) offenbart. Bei diesem Zufallszahlengeneratorschaltkreis ist ein Widerstand zum Erzeugen von thermischem Rauschen mit beiden Seiten eines Verstärkers gekoppelt. Zusätzlich umfasst der Zufallszahlengeneratorschaltkreis eine Struktur zum Vergleichen einer Ausgabe des Verstärkers mit einer Referenzspannung. Da der Zufallszahlengeneratorschaltkreis den Widerstand als Rückkopplungsbauelement verwendet, muss eine Ausgangsimpedanz des Verstärkers bemerkenswert klein sein. Daher ist der offenbarte Zufallszahlengeneratorschaltkreis aufgrund der Größe und des Energieverbrauchs des Schaltkreises beispielsweise nicht für komplementäre Metalloxidhalbleiter(CMOS)-Prozesse geeignet.
Wenn der Verstärker eines herkömmlichen Zufallszahlengeneratorschaltkreises einen Spannungsoffset aufweist, läuft die Verstärkeroperation aus einem Sättigungsbereich. Daher kann keine ausreichende Spannungsverstärkung erzielt werden. Zusätzlich kann, wenn eine Sourcespannung und/oder eine Massespannung, welche dem Zufallszahlengeneratorschaltkreis zugeführt werden, Rauschen aufweisen, die Zufälligkeit der erzeugten Sequenzen verschlechtert werden. Wenn ein Low-Dropout(LDO)-Regler enthalten ist, um eine Versorgungsspannung zu stabilisieren, wird die Struktur des Zufallszahlengeneratorschaltkreises komplexer. Zudem kann der LDO nicht zufriedenstellend die Probleme lösen, welche mit dem Rauschen der Massespannung verbunden sind.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, einen Zufallssignalgenerator und einen Zufallszahlengenerator bereitzustellen, welche ein Zufallssignal und Zufallszahlen mit einer relativ hohen Zufälligkeit und Unempfindlichkeit gegenüber Rauschen erzeugen, die Impedanzeinschränkungen reduzieren, einen reduzierten Energieverbrauch aufweisen und/oder welche mit niedrigen Kosten herstellbar sind.
Die Erfindung löst dieses Problem durch Bereitstellung eines Zufallssignalgenerators mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eines Zufallszahlengenerators mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben, deren Wortlaut hiermit durch Bezugnahme in die Beschreibung aufgenommen wird, um unnötige Textwiederholungen zu vermeiden.
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen einen Zufallssignalgenerator, welcher eine sich selbst vorspannende Differenzstruktur aufweist, und einen Zufallszahlengenerator bereit, welcher den Zufallssignalgenerator umfasst. Der Zufallszahlengenerator kann zur Reduzierung der Einschränkungen der Impedanzen und der Betriebsfähigkeit in niedrigen Spannungsbereichen eine offene Schleifenstruktur aufweisen. Zudem können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen einer Zufallszahl bereitstellen, welches unempfindlich gegenüber Rauschen und sehr zufällig ist. Das Verfahren kann mit einer relativ niedrigen Spannung ausgeführt werden und kann die Impedanzeinschränkungen reduzieren.
Bei einem Verfahren zum Erzeugen einer Zufallszahl gemäß beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird ein Differenzrauschsignal an einem Ausgabeknotenpaar eines MOS-Differenzpaars basierend auf Rauschsignalen erzeugt, welche an einem Eingabeknotenpaar des MOS-Differenzpaars empfangen werden. Das Eingabeknotenpaar und das Ausgabeknotenpaar sind miteinander gekoppelt, so dass die Eingabeknoten sich selbst vorspannen bzw. selbstvorspannend sind. Verstärkte Differenzsignale werden durch Verstärken der Differenzrauschsignale erzeugt. Ein Zufallsignal, welches irreguläre Übergangszeitpunkte aufweist, wird basierend auf dem verstärkten Differenzsignal erzeugt. Die Zufallszahl wird durch Verarbeiten des Zufallssignals erzeugt.
Um das Differenzrauschsignal zu erzeugen, kann ein Selbstvorspannwiderstandspaar zwischen dem Eingabeknotenpaar und dem Ausgabeknotenpaar eingeschleift sein. In diesem Fall können ein Rauschwiderstandspaar und ein Kondensatorpaar seriell mit dem Eingabeknotenpaar gekoppelt sein und eine Gleichspannung ist an das Kondensatorpaar angelegt.
Zum Verstärken des Differenzrauschsignals kann das Differenzrauschsignal Schritt für Schritt unter Verwendung einer Mehrzahl von kaskadierten Differenzverstärkern verstärkt werden. Des Weiteren kann zur schrittweisen Verstärkung des Differenzrauschsignals jeder der Differenzverstärker einen Selbstvorspannwiderstand umfassen, welcher zwischen dem Eingabeknotenpaar und dem Ausgabeknotenpaar eingeschleift ist, und eine DC-Komponente des Differenzsignals kann entfernt werden, um dem Eingabeknotenpaar des MOS-Differenzpaars eine AC-Komponente des Differenzsignals zur Verfügung zu stellen. Die DC-Komponente des Differenzsignals kann von einer vorherigen Stufe empfangen werden, welche mit dem Differenzrauschgeneratorschaltkreis oder dem vorherigen Differenzverstärker korrespondieren kann.
Bei der Verarbeitung des Zufallssignals kann das Zufallssignal abgetastet werden, um einen Zufallsbitstrom zu erzeugen. Der Zufallsbitstrom kann verarbeitet werden, um die Zufallszahl zu erzeugen.
Vorteilhafte, nachfolgend im Detail beschriebene Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigt/zeigen:
1 ein Blockdiagramm zur Darstellung eines Zufallszahlengenerators gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
2 ein Blockdiagramm zur Darstellung eines Zufallssignalgenerators gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
3 ein Schaltbild zur Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Differenzrauschgeneratorschaltkreises, welcher im Zufallssignalgenerator aus 2 enthalten ist, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
4 ein Schaltbild zur Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Verstärkungsschaltkreises, welcher im Zufallssignalgene rator aus 2 enthalten ist, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
5 ein Schaltbild zur Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Differenzverstärkers, welcher im Verstärkungsschaltkreis aus 4 enthalten ist, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
6 ein Ersatzschaltbild des Differenzverstärkers aus 5 zur Darstellung einer Verstärkung des Differenzverstärkers gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
7 ein Schaltbild zur Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines unsymmetrischen Verstärkers, welcher im Zufallssignalgenerator aus 2 enthalten ist, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
8 ein Diagramm zur Darstellung von Kennlinien von beispielhaften Signalen im Zufallssignalgenerator aus 2 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
9 ein Diagramm zur Darstellung einer Kennlinie eines beispielhaften Ausgabesignals in Bezug auf ein Rauschen im Zufallssignalgenerator aus 2 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
10 ein Schaltbild zur Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Abtastvorrichtung, welche im Zufallszahlengenerator aus 1 enthalten ist, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
11 ein Zeitablaufdiagramm zur Darstellung einer beispielhaften Operation der Abtastvorrichtung aus 10 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Es versteht sich, dass ein Element direkt mit einem anderen Element oder über Zwischenelemente mit dem anderen Element gekoppelt sein kann, wenn in der Beschreibung angegeben wird, dass ein Element mit einem anderen Element „verbunden" oder „gekoppelt" ist. Im Gegensatz dazu beschreiben die Ausdrücke „direkt verbunden" bzw. „direkt gekoppelt" jeweils Zustände, bei welchen ein Element ohne Zwischenelemente mit einem anderen Element verbunden bzw. gekoppelt ist. Andere Begriffe, die zur Beschreibung der Beziehung zwischen Elementen verwendet werden, z. B. „zwischen" und „direkt zwischen", „benachbart" und „direkt benachbart" usw., sind in entsprechender Weise zu verstehen.
1 ist ein Blockdiagramm zur Darstellung eines Zufallszahlengenerators gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bezugnehmend auf 1 umfasst ein Zufallszahlengenerator 10 einen Zufallssignalgenerator 100, eine Abtastvorrichtung 300 und einen Prozessor 500.
Der Zufallssignalgenerator 100 erzeugt Differenzrauschsignale unter Verwendung eines sich selbst vorspannenden Differenzverstärkers. Der Zufallssignalgenerator 100 verstärkt die Differenzrauschsignale und konvertiert die verstärkten Differenzrauschsignale in ein Zufallssignal RS unter Verwendung eines unsymmetrischen Verstärkers. Das Zufallssignal RS ist Single-Mode-Ausgabesignal und weist eine irreguläre bzw. aperiodische Zeitdauer für einen hohen logischen Pegel und einen niedrigen logischen Pegel auf.
Die Abtastvorrichtung 300 tastet das vom Zufallssignalgenerator 100 erzeugte Zufallssignal RS ab, um einen Zufallsbitstrom RBS zu erzeugen. Der Prozessor 500 erzeugt eine Zufallszahl durch Verarbeiten des Zufallsbitstroms RBS.
2 ist ein Blockdiagramm zur Darstellung eines Zufallssignalgenerators gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bezugnehmend auf 2 umfasst der Zufallssignalgenerator 100 einen Differenzrauschgeneratorschaltkreis 110, einen Verstärkungsschaltkreis 130 und einen unsymmetrischen Verstärker 150.
Der Differenzrauschgeneratorschaltkreis 110 kann selbstvorspannend ausgeführt sein, so dass ein Paar von Eingabeknoten bzw. ein Eingabeknotenpaar mit einem Paar von Ausgabeknoten bzw. einem Ausgabeknotenpaar gekoppelt ist. Rauschsignale werden jedem der Eingabeknoten zugeführt und Differenzrauschsignale NSa und NSb werden an den Ausgabeknoten erzeugt.
Der Differenzrauschgeneratorschaltkreis 110 kann beispielsweise durch Einschleifen eines Widerstandspaars zwischen dem Eingabeknotenpaar und dem Ausgabeknotenpaar selbstvorspannend ausgeführt sein. Der Differenzrauschgeneratorschaltkreis 110 kann weiter ein Rauschwiderstandspaar und ein Kondensatorpaar aufweisen, welche in Reihe zwischen dem Eingabeknotenpaar und einer Gleichspannungsquelle eingeschleift sind. Im Differenzrauschgeneratorschaltkreis kann beispielsweise eine Versorgungsspannung oder eine Massespannung eine Gleichspannungsquelle sein, welche dem Rauschwiderstandspaar zugeführt wird. Das Rauschwiderstandspaar, welches als eine Rauschquelle wirkt, erzeugt ein thermisches Rauschsignal an den Eingabeknoten. Die Kon densatoren trennen das Rauschwiderstandspaar von den Eingabeknoten und empfangen die Gleichspannung, um zu verhindern, dass ein Gleichstrom nach Masse abgeleitet wird.
Der Verstärkungsschaltkreis 130 verstärkt die Differenzrauschsignale NSa und NSb und gibt verstärkte Differenzsignale ASa und ASb aus. Der unsymmetrische Verstärker 150 verstärkt die verstärkten Differenzsignale ASa und ASb und gibt das Zufallssignal RS, welches zufällige Übergangszeitpunkte aufweist, basierend auf den verstärkten Differenzsignalen ASa und ASb aus.
3 ist ein Schaltbild zur Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Differenzrauschgeneratorschaltkreises, welcher im Zufallssignalgenerator aus 2 enthalten ist, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bezugnehmend auf 3 umfasst der Differenzrauschgeneratorschaltkreis 110 ein Metalloxidhalbleiter(MOS)-Differenzpaar, welches mit RN1, RN2, MN1, MN2 und MN3 bezeichnet ist, ein Selbstvorspannwiderstandspaar RN3 und RN4, ein Rauschwiderstandspaar RS1 und RS2 und ein Kondensatorpaar CS1 und CS2.
Wie aus 3 ersichtlich ist, kann das MOS-Differenzpaar eine symmetrische Struktur aufweisen, welche wenigstens ein MOS-Transistorpaar MN1 und MN2 und ein Widerstandspaar RN1 und RN2 aufweist, welche durch eine Stromquelle MN3 gemeinsam vorgespannt sind. Das MOS-Differenzpaar ist zwischen einer ersten Spannung und einer zweiten Spannung eingeschleift. Die erste Spannung kann beispielsweise eine Versorgungsspannung VDD sein und die zweite Spannung kann beispielsweise eine Massespannung VSS sein. Ein Eingabeknotenpaar NIa und NIb des MOS-Differenzpaars ist mit Gateelektroden der MOS-Transistoren MN1 bzw. MN2 gekoppelt. Ein Ausgabeknotenpaar NOa und NOb des MOS-Differenzpaars ist mit Drainelektroden der MOS-Transistoren MN1 bzw. MN2 gekoppelt.
Das Eingabeknotenpaar NIa und NIb des MOS-Differenzpaars ist über das Selbstvorspannwiderstandspaar RN3 und RN4 mit dem Ausgabeknotenpaar NOa und NOb des MOS-Differenzpaars gekoppelt. Das Rauschwiderstandspaar RS1 und RS2 ist mit dem Eingabeknotenpaar NIa und NIb verbunden und das Kondensatorpaar CS1 und CS2 ist zwischen dem Rauschwiderstandspaar RS1 und RS2 und der zweiten Spannung eingeschleift.
Das Rauschwiderstandspaar RS1 und RS2 wirkt als thermische Rauschquelle und stellt die Rauschsignale am Eingabeknotenpaar NIa und NIb zur Verfügung. Das thermische Rauschen ist eine Art weißes Rauschen. Entsprechend dem Widerstandswert weist das thermische Rauschen einen willkürlichen Wert in einem Gesamtfrequenzband auf und ist im Zeitbereich im Wesentlichen zufällig. Obwohl das Rauschwiderstandspaar RS1 und RS2 in 3 als eine thermische Rauschquelle bestimmt ist, versteht es sich, dass die Rauschquelle in verschiedenen anderen Ausführungsformen nicht auf eine thermische Rauschquelle beschränkt ist. Das bedeutet, dass Rauschsignale unter Verwendung von anderen unvorhersagbaren physikalischen Phänomenen als thermisches Rauschen dem Eingabeknotenpaar NIa und NIb zugeführt werden können. Das Kondensatorpaar CS1 und CS2 verhindert, dass ein Gleichstrom über das Rauschwiderstandspaar RS1 und RS2 nach Masse abfließt und entfernt einen Offset der Massespannung.
Der Differenzrauschgeneratorschaltkreis 110 kann das Widerstandspaar RN5 und RN6 aufweisen, um die Eingangsimpedanz und die Verstärkung zu steuern. Das Widerstandspaar RN5 und RN6 ist zwischen dem Eingabeknotenpaar NIa und NIb und den Gateelektroden der Transistoren MN1 und MN2 eingeschleift.
Das in 3 gezeigte Ausführungsbeispiel des Differenzrauschgeneratorschaltkreises 110 ist unter Verwendung eines N-Kanal-Metalloxidhalbleiter(NMOS)-Differenzpaars implementiert. Das NMOS-Differenzpaar umfasst Pfade, welche durch das Widerstandspaar RN1 und RN2 und das NMOS-Paar MN1 und MN2 gebildet werden. Das Widerstandspaar RN1 und RN2 ist zwischen der Versorgungsspannung VDD und dem Ausgabeknotenpaar NOa und NOb eingeschleift. Das NMOS-Paar MN1 und MN2 ist zwischen dem Ausgabeknotenpaar NOa und NOb und einem gemeinsamen Sourceknoten Nc2 eingeschleift. Eine Stromquelle ist zwischen der Massespannung VSS und dem gemeinsamen Sourceknoten Nc2 eingeschleift und erzeugt einen Bias- bzw. Vorstrom IBS.
Das Selbstvorspannwiderstandspaar RN3 und RN4 ist zwischen dem Eingabeknotenpaar NIa und NIb und dem Ausgabeknotenpaar NOa und NOb eingeschleift. Eine Ausgabespannung VOUT des Ausgabeknotens NOa im symmetrischen MOS-Differenzpaar kann beispielsweise aus einer nachfolgenden Gleichung 1 und einer nachfolgenden Gleichung 2 abgeleitet werden.
In den Gleichungen 1 und 2 bezeichnet μ_n eine Elektronenbeweglichkeit, C_ox bezeichnet eine Kapazität pro Einheitsbereich eines Gateoxids im MOS-Transistor MN1, W/L bezeichnet ein Formverhältnis oder Größen verhältnis, V_th bezeichnet eine Schwellwertspannung und V_x bezeichnet eine Sourcespannung des MOS-Transistors MN1, d. h. eine Spannung am Knoten Nc2.
Entsprechend einer Großsignalanalyse ist jeder Strom des Widerstandspaars RN1 und RN2 identisch mit dem Strom IBS/2, siehe Gleichung 1, und jede Spannung des Ausgabeknotenpaars NOa und NOb ist identisch mit der Spannung VOUT, siehe Gleichung 2. Das Rauschwiderstandspaar RS1 und RS2, welches mit dem Eingabeknotenpaar NIa und NIb verbunden ist, erzeugt jedoch das thermische Rauschen, und daher weisen die Differenzrauschsignale NSa und NSb, welche entsprechend vom Ausgabeknotenpaar NOa und NOb ausgegeben werden, zufällige Spannungspegel auf, wie beispielsweise in 8 dargestellt ist. Tatsächlich können die anderen in 3 dargestellten Widerstände RN1 bis RN6 zusätzlich zum Rauschwiderstandspaar RS1 und RS2 zum thermischen Rauschen beitragen. Das durch jeden der Widerstände verursachte Rauschen wird unkorreliert kombiniert, um die Differenzrauschsignale NSa und NSb zu erzeugen.
In alternativen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann der Differenzrauschgeneratorschaltkreis 110 durch ein nicht dargestelltes P-Kanal-Metalloxidhalbleiter(PMOS)-Differenzpaar implementiert werden. In diesem Fall würden die NMOS-Transistoren MN1, MN2 und MN3 aus 3 durch PMOS-Transistoren ersetzt werden und die Versorgungsspannung VDD würde durch die Massespannung VSS ersetzt werden. Das PMOS-Differenzpaar umfasst zwei Pfade, welche durch ein Widerstandspaar (z. B. RN1 und RN2) und das PMOS-Paar gebildet werden. Das Widerstandspaar ist zwischen der Massespannung VSS und dem Ausgabeknotenpaar (z. B. NOa und NOb) eingeschleift. Das PMOS-Paar ist zwischen dem Ausgabeknotenpaar und einem gemeinsamen Sourceknoten (z. B. Nc2) eingeschleift.
Die Stromquelle ist zwischen der Versorgungsspannung VDD und dem gemeinsamen Sourceknoten eingeschleift und erzeugt den Biasstrom.
Zudem kann das Differenzpaar des Differenzrauschgeneratorschaltkreises 110 unter Verwendung von anderen Bauteilen als MOS-Transistoren implementiert werden, welche ähnlich wie die MOS-Transistoren funktionieren, wie beispielsweise bipolare Transistoren (BJTs) usw.
4 ist ein Schaltbild zur Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Verstärkungsschaltkreises, welcher im Zufallssignalgenerator aus 2 enthalten ist, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bezugnehmend auf 4 umfasst der Verstärkungsschaltkreis 130 kaskadierte Differenzverstärker 131a, 131b ... 131n. Die kaskadierten Differenzverstärker 131a, 131b und 131n geben verstärkte Differenzsignale ASa1, ASb1, ASa2, ASb2 bzw. ASa und ASb aus, welche sukzessive verstärkt werden. Mit anderen Worten, der Verstärkungsschaltkreis 130 verstärkt eingegebene Differenzrauschsignale NSa und NSb in aufeinanderfolgenden Schritten und gibt die verstärkten Differenzsignale ASa und ASb aus.
Jeder der kaskadierten Differenzverstärker 131a, 131b und 131n kann eine DC-Komponente des von einer vorherigen Stufe, d. h. vom Differenzrauschgeneratorschaltkreis oder vom vorherigen Differenzverstärker, ausgegebenen Differenzsignals entfernen. Zudem kann jeder der kaskadierten Differenzverstärker 131a, 131b und 131n nur eine AC-Komponente des Differenzsignals an die nächste Stufe, d. h. an den unsymmetrischen Verstärker 150 oder einen nachfolgenden Differenzverstärker, ausgeben.
5 ist ein Schaltbild zur Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Differenzverstärkers, welcher im Verstärkungsschaltkreis aus 4 enthalten ist, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bezugnehmend auf 5 umfasst ein Differenzverstärker 131k ein MOS-Differenzpaar, welches Komponenten RA1, RA2, MA1, MA2 und MA3 und ein Selbstvorspannwiderstandspaar RA3 und RA4 umfasst. Das MOS-Differenzpaar RA1, RA2, MA1, MA2 und MA3 ist zwischen der ersten Spannung und der zweiten Spannung eingeschleift. Das MOS-Differenzpaar empfängt Differenzsignale ASa(k – 1) und ASb(k – 1) von der vorherigen Stufe über ein Eingabeknotenpaar Na bzw. Nb. Das MOS-Differenzpaar gibt verstärkte Differenzsignale ASa(k) und ASb(k) über ein Ausgabeknotenpaar NAa und NAb an die nächste Stufe aus. Das Selbstvorspannwiderstandspaar RA3 und RA4 ist zwischen dem Eingabeknotenpaar Na und Nb des MOS-Differenzpaars und dem Ausgabeknotenpaar NAa und NAb des MOS-Differenzpaars eingeschleift.
Der in 5 dargestellte Differenzverstärker 131k arbeitet zusätzlich zur Verstärkung der Differenzsignale ASa(k – 1) und ASb(k – 1), um einen Offset aus den eingegebenen Differenzsignalen ASa(k – 1) und ASb(k – 1) zu entfernen. Der Differenzverstärker 131k kann einen winzigen Offset aufweisen, da es schwierig ist, perfekt identische Eigenschaften der Widerstände und der Transistoren zu erzielen, welche eine symmetrische Struktur bilden. Der Offset im Differenzverstärker 131k kann bewirken, dass eine korrespondierende Ausgabe knapp über der Versorgungsspannung VDD oder der Massespannung VSS liegt, so dass die Zufälligkeit des Ausgabesignals verschlechtert wird. Um diese Verschlechterung zu vermeiden, kann der Differenzverstärker 131k außerdem ein Kondensatorpaar Ca und Cb aufweisen, welches mit dem Eingabeknotenpaar Na und Nb gekoppelt ist. Das Kondensatorpaar Ca und Cb kann DC-Komponenten der von der vorherigen Stufe eingegebenen Diffe renzsignale ASa(k – 1) und ASb(k – 1) entfernen und dem Eingabeknotenpaar Na bzw. Nb die AC-Komponenten der Differenzsignale ASa(k – 1) und ASb(k – 1) zur Verfügung stellen.
Die beispielhafte Struktur aus 5 kann für jeden der kaskadierten Differenzverstärker 131a, 131b und 131n verwendet werden. Die kaskadierten Differenzverstärker 131a, 131b und 131n führen wiederholend die Funktionen zur Verstärkung und zur Offsetentfernung aus und erzeugen daher verstärkte Differenzsignale ASa und ASb, welche vollständig zwischen der Versorgungsspannung VDD und der Massespannung VSS schwingen können.
6 ist ein Ersatzschaltbild des Differenzverstärkers aus 5 zur Darstellung einer Verstärkung des Differenzverstärkers gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bezugnehmend auf 6 korrespondieren Knoten Nc3 und Nc4 in 5 mit einer gemeinsamen Masse in 6. Eine Spannungsverstärkung des Differenzverstärkers 131k aus 5 kann durch das Verhältnis einer Spannung Va am Eingabeknoten Na und einer Spannung VOUTa am Ausgabeknoten NAa ausgedrückt werden. Die Spannungsverstärkung VOUTa/Va des Differenzverstärkers 131k aus 5 wird durch eine nachfolgende Gleichung 3 repräsentiert.
In Gleichung 3 bezeichnet g_m einen Übertragungsleitwert des MOS-Transistors MA1.
Die Anzahl der im Verstärkungsschaltkreis 130 enthaltenen Differenzverstärker kann beispielsweise entsprechend der Spannungsverstärkung der entsprechenden Differenzverstärker variieren, wie durch Gleichung 3 repräsentiert wird.
7 ist ein Schaltbild zur Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines unsymmetrischen Verstärkers, welcher im Zufallssignalgenerator aus 2 enthalten ist, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bezugnehmend auf 7 kann der unsymmetrische Verstärker 150 PMOS-Paare M1 und M2, M3 und M4 in einer Stromspiegelkonfiguration, ein NMOS-Paar M8 und M9 in einer Stromspiegelkonfiguration, ein NMOS-Paar M5 und M6, welches die verstärkten Differenzsignale ASa und ASb an korrespondierenden Gateelektroden empfängt, und einen NMOS-Transistor M7 umfassen, welcher einen Biasstrom bereitstellt. Es versteht sich, dass die Struktur des unsymmetrischen Verstärkers 150 nicht auf die in 7 dargestellte Struktur beschränkt ist und die Struktur des unsymmetrischen Verstärkers 150 variiert werden kann. Es kann beispielsweise ein Paar von komplementären Metalloxidhalbleiter(CMOS)-Invertern am Ende des unsymmetrischen Verstärkers 150 hinzugefügt werden.
8 ist ein Diagramm zur Darstellung von Kennlinien von beispielhaften Signalen im Zufallssignalgenerator aus 2 gemäß einer, beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8 zeigt Simulationsergebnisse eines positiven Signals NSa, einer Differenz NSa-NSb zwischen dem positiven Signal NSa und einem negativen Signal NSb und eines Zufallssignals RS, welche alle im Differenzrauschgeneratorschaltkreis 110 aus 2 erzeugt werden. Nur das positive Signal NSa der Differenzsignale NSa und NSb ist in 8 dar gestellt. Die Differenz NSa-NSb zwischen dem positiven Signal und dem negativen Signal wechselt zufällig zwischen verschiedenen Pegeln im Bereich von –200 nV (Nanovolt) und +200 nV. Die Differenzrauschsignale NSa und NSb werden durch den Verstärkungsschaltkreis 130 verstärkt und das Zufallssignal RS wird vom unsymmetrischen Verstärker 150 ausgegeben. Wie aus 8 ersichtlich ist, weist das Zufallssignal RS irreguläre bzw. aperiodische Übergangszeitpunkte auf.
9 ist ein Diagramm zur Darstellung einer Kennlinie eines beispielhaften Ausgabesignals in Bezug auf Rauschen im Zufallssignalgenerator aus 2 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
9 zeigt ein Zufallssignal RS1, welches vom Zufallssignalgenerator 100 ausgegeben wird, wenn die Versorgungsspannung VDD mit einem Sinuswechselsignal mit 10 MHz und einer Spitze-zu-Spitze-Spannung von ungefähr 100 mV (Millivolt) korrespondiert, welches um ungefähr 1,5 V schwingt, und ein Zufallssignal RS2, welches vom Zufallssignalgenerator 100 ausgegeben wird, wenn die Massespannung VSS mit einem Sinuswechselsignal mit 10 MHz und einer Spitze-zu-Spitze-Spannung von ungefähr 100 mV (Millivolt) korrespondiert, welches um 0 V schwingt. Die Sinuswechselsignale werden zum Testen des Falls angelegt, in welchem die Versorgungsspannung und/oder die Massespannung Rauschen aufweisen.
Gemäß 9 kann der Zufallssignalgenerator 100 das Zufallssignal, z. B. RS1, RS2, erzeugen, welche stabiler und unempfindlicher gegenüber Rauschen sind, was durch die sich selbst vorspannende Differenzstruktur erzielt werden kann, auch wenn die Versorgungsspannung VDD sowie die Massespannung VSS Rauschen aufweisen.
10 ist ein Diagramm zur Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Abtastvorrichtung, welche im Zufallszahlengenerator aus 1 enthalten ist, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bezugnehmend auf 10 tastet die Abtastvorrichtung 300 das Zufallssignal RS ab, welches vom Zufallssignalgenerator 100 ausgegeben wird, und erzeugt den Zufallsbitstrom RBS. Die Abtastvorrichtung 300 kann mit einem Flip-Flop implementiert werden, wie in 10 dargestellt ist. Ein Taktsignal CLK ist an einen Taktknoten CK angelegt und das Zufallssignal RS ist an einem Datenknoten D angelegt. Das Flip-Flop empfängt das Zufallssignal RS und tastet das Zufallssignal RS synchronisiert mit den Übergängen des Taktsignals CLK ab, um den Zufallsbitstrom RBS am Ausgabeknoten Q zu erzeugen. Der Übergang des Taktsignals CLK kann mit einer ansteigenden Flanke und/oder einer abfallenden Flanke korrespondieren.
11 ist ein Zeitablaufdiagramm zur Darstellung einer beispielhaften Operation der Abtastvorrichtung aus 10 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bezugnehmend auf 11 schwingt das Zufallssignal RS zwischen einem hohen logischen Pegel „H" und einem niedrigen logischen Pegel „L" und die Zeitdauer eines Pegel ist irregulär.
11 zeigt ein Abtastbeispiel des Zufallssignals RS an einer ansteigenden Flanke des Taktsignals CLK. Wenn das Zufallssignal RS an der ansteigenden Flanke des Taktsignals CLK den niedrigen logischen Pegel „L" aufweist, bleibt der Zufallsbitstrom RBS bis zur nächsten ansteigenden Flanke auf dem niedrigen Pegel, d. h. auf einem Bitwert von „0". Wenn das Zufallssignal RS an der ansteigenden Flanke des Taktsignals CLK den hohen logischen Pegel „H" aufweist, bleibt der Zufallsbitstrom RBS bis zur nächsten ansteigenden Flanke auf dem hohen Pegel, d. h. auf einem Bitwert von „1". Entsprechend können die Bitwerte „0" und „1" zufällig je Taktperiode bestimmt werden.
Der Zufallsbitstrom RBS kann durch den in 1 dargestellten Prozessor 500 verarbeitet werden und in einem nicht dargestellten Speicherbauelement als Zufallszahl gespeichert werden oder einer externen Vorrichtung zur Verfügung gestellt werden. Der Prozessor 500 kann beispielsweise ein digitaler Prozessor sein, welcher durch ein Programm zur Abarbeitung von digitalen Signalen betrieben wird und welcher das Speicherbauelement zum Speichern der erzeugten Zufallszahl aufweisen kann.
Der Zufallssignalgenerator und der Zufallszahlgenerator können gemäß beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Strukturen implementiert sein, welche denen der hier beschriebenen Ausführungsformen ähnlich sind, ohne vom Inhalt und Geist der Erfindung abzuweichen. Die Verstärker können beispielsweise unter Verwendung von anderen Elementen als MOS-Transistoren implementiert werden, wie beispielsweise Bipolarübergangstransistoren, welche ähnliche Funktionalitäten wie die MOS-Transistoren aufweisen.
Analog ist die Rauschquelle im Differenzverstärkerschaltkreis nicht auf eine thermische Rauschquelle beschränkt. Jede beliebige Rauschquelle, welche ein irreguläres Signal, beispielsweise basierend auf einem unvorhersehbaren physikalischen Phänomen, zur Verfügung stellt, kann die thermische Rauschquelle ersetzen, ohne vom Inhalt und Geist der Erfindung abzuweichen.
In Abhängigkeit von den Eigenschaften des Zufallssignalgenerators können die Anzahl von Differenzverstärkern, welche im Verstärkungsschaltkreis enthalten sind, die Anzahl von Kondensatoren zum Entfernen von DC-Komponenten der Differenzsignale, eine symmetrische Struktur des NMOS-Differenzpaars, welches im Differenzrauschgeneratorschaltkreis enthalten ist, und der Differenzverstärker variieren.
Wie oben ausgeführt ist, können der Zufallssignalgenerator und der Zufallszahlengenerator gemäß beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein Zufallssignal und Zufallszahlen mit einer relativ hohen Zufälligkeit und Unempfindlichkeit gegenüber Rauschen erzeugen. Zusätzlich können der Zufallssignalgenerator und der Zufallszahlengenerator gemäß beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Impedanzeinschränkungen reduzieren und in einem niedrigen Spannungsbereich arbeiten, wodurch der Energieverbrauch reduziert wird. Des Weiteren sind der Zufallssignalgenerator und der Zufallszahlengenerator gemäß beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung für einen CMOS-Prozess geeignet und können daher kostengünstig hergestellt werden.

Claims

Zufallssignalgenerator (100), umfassend: – einen Differenzrauschgeneratorschaltkreis (110) mit einem Eingabeknotenpaar (NIa, NIb) und einem Ausgabeknotenpaar (NOa, NOb), wobei der Differenzrauschgeneratorschaltkreis (110) dazu konfiguriert ist, Rauschsignale am Eingabeknotenpaar (NIa, NIb) zu empfangen und Differenzrauschsignale (NSa, NSb) am Ausgabeknotenpaar (NOa, NOb) zu erzeugen, wobei der Differenzrauschgeneratorschaltkreis (110) selbstvorspannend ist, so dass das Eingabeknotenpaar (NIa, NIb) mit dem Ausgabeknotenpaar (NOa, NOb) gekoppelt ist, – einen Verstärkungsschaltkreis (130), welcher dazu konfiguriert ist, die Differenzrauschsignale (NSa, NSb) zu verstärken, welche vom Differenzrauschgeneratorschaltkreis (110) ausgegeben werden, um verstärkte Differenzsignale (ASa, ASb) zu erzeugen, und – einen unsymmetrischen Verstärker (150), welcher dazu konfiguriert ist, basierend auf den verstärkten Differenzsignalen (ASa, ASb) ein Zufallssignal (RS) zu erzeugen, wobei das Zufallssignal (RS) irreguläre Übergangszeitpunkte aufweist.
Zufallssignalgenerator nach Anspruch 1, wobei der Differenzrauschgeneratorschaltkreis weiter umfasst: – ein Selbstvorspannwiderstandspaar, welches zwischen dem Eingabeknotenpaar und dem Ausgabeknotenpaar eingeschleift ist.
Zufallssignalgenerator nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Differenzrauschgeneratorschaltkreis weiter umfasst: – ein Rauschwiderstandspaar und ein Kondensatorpaar, welche seriell zwischen dem Eingabeknotenpaar und einer Versorgungsspannung eingeschleift sind.
Zufallssignalgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Differenzrauschgeneratorschaltkreis weiter umfasst: – ein Metalloxidhalbleiter(MOS)-Differenzpaar, welches zwischen einer ersten Spannung und einer zweiten Spannung eingeschleift ist, wobei Gateelektroden des MOS-Differenzpaars mit dem Eingabeknotenpaar gekoppelt sind und Drainelektroden des MOS-Differenzpaars mit dem Ausgabeknotenpaar gekoppelt sind, – ein Selbstvorspannwiderstandspaar, welches zwischen dem Eingabeknotenpaar und dem Ausgabeknotenpaar eingeschleift ist, – ein Rauschwiderstandspaar, welches mit dem Eingabeknotenpaar gekoppelt ist, und – ein Kondensatorpaar, welches zwischen dem Rauschwiderstandspaar und der zweiten Spannung eingeschleift ist.
Zufallssignalgenerator nach Anspruch 4, wobei das MOS-Differenzpaar ein NMOS-Differenzpaar oder ein PMOS-Differenzpaar umfasst.
Zufallssignalgenerator nach Anspruch 4 oder 5, wobei der Differenzrauschgeneratorschaltkreis weiter umfasst: – ein Eingabewiderstandspaar, welches zwischen dem Eingabeknotenpaar und den Gateelektroden des MOS-Differenzpaars eingeschleift ist.
Zufallssignalgenerator nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei das MOS-Differenzpaar umfasst: – ein Widerstandspaar, welches zwischen der ersten Spannung und dem Ausgabeknotenpaar eingeschleift ist, wobei die erste Spannung mit einer Versorgungsspannung korrespondiert, – ein N-Kanal-Metalloxidhalbleiter(NMOS)-Transistorpaar, welches zwischen dem Ausgabeknotenpaar und einem gemeinsamen Sourceknoten eingeschleift ist, und – eine Stromquelle, welche zwischen der zweiten Spannung und dem gemeinsamen Sourceknoten eingeschleift ist, wobei die zweite Spannung mit einer Massespannung korrespondiert.
Zufallssignalgenerator nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei das MOS-Differenzpaar umfasst: – ein Widerstandspaar, welches zwischen der ersten Spannung und dem Ausgabeknotenpaar eingeschleift ist, wobei die erste Spannung mit einer Massespannung korrespondiert, – ein P-Kanal-Metalloxidhalbleiter(PMOS)-Transistorpaar, welches zwischen dem Ausgabeknotenpaar und einem gemeinsamen Sourceknoten eingeschleift ist, und – eine Stromquelle, welche zwischen der zweiten Spannung und dem gemeinsamen Sourceknoten eingeschleift ist, wobei die zweite Spannung mit einer Versorgungsspannung korrespondiert.
Zufallssignalgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Verstärkungsschaltkreis umfasst: – eine Mehrzahl von kaskadierten Differenzverstärkern.
Zufallssignalgenerator nach Anspruch 9, wobei ein jeweiliger Differenzverstärker umfasst: – ein MOS-Differenzpaar, welches zwischen einer ersten Spannung und einer zweiten Spannung eingeschleift ist, wobei ein Eingabeknotenpaar des MOS-Differenzpaars Differenzsignale empfängt, welche von einer vorherigen Stufe ausgegeben werden, welche mit dem Differenzrauschgeneratorschaltkreis oder einem vorherigen Differenzverstärker korrespondiert, und wobei ein Ausgabeknotenpaar des MOS-Differenzpaars verstärkte Differenzsignale an eine nachfolgende Stufe ausgibt, welche mit einem nachfolgenden Differenzverstärker oder dem unsymmetrischen Verstärker korrespondiert, und – ein Selbstvorspannwiderstandspaar, welches zwischen dem Eingabeknotenpaar des MOS-Differenzpaars und dem Ausgabeknotenpaar des MOS-Differenzpaars eingeschleift ist.
Zufallssignalgenerator nach Anspruch 10, wobei das MOS-Differenzpaar umfasst: – ein Widerstandspaar, welches zwischen der ersten Spannung und dem Ausgabeknotenpaar eingeschleift ist, wobei die erste Spannung mit einer Versorgungsspannung korrespondiert, – ein NMOS-Transistorpaar, welches zwischen dem Ausgabeknotenpaar und einem gemeinsamen Sourceknoten eingeschleift ist, und – eine Stromquelle, welche zwischen der zweiten Spannung und dem gemeinsamen Sourceknoten eingeschleift ist, wobei die zweite Spannung mit einer Massespannung korrespondiert.
Zufallssignalgenerator nach Anspruch 10 oder 11, wobei ein jeweiliger Differenzverstärker weiter umfasst: – ein Kondensatorpaar, welches mit dem Eingabeknotenpaar gekoppelt ist, wobei das Kondensatorpaar dazu konfiguriert ist, eine DC-Komponente des Differenzsignals zu entfernen, welches von der vorherigen Stufe empfangen wird, und eine AC-Komponente des Differenzsignals am Eingabeknotenpaar des MOS-Differenzpaars zur Verfügung zu stellen.
Zufallszahlengenerator, umfassend: – einen Zufallssignalgenerator (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, – eine Abtastvorrichtung (300), welche dazu konfiguriert ist, das Abtastsignal (RS) abzutasten und einen Zufallsbitstrom (RBS) zu erzeugen, und – einen Prozessor (500), welcher dazu konfiguriert ist, den Zufallsbitstrom (RBS) zu verarbeiten, um Zufallszahlen zu erzeugen.
Zufallszahlengenerator nach Anspruch 13, wobei die Abtastvorrichtung umfasst: – ein Flip-Flop, welches dazu konfiguriert ist, den Zufallsbitstrom basierend auf dem Zufallssignal und einem Taktsignal zu erzeugen, wobei der Zufallsbitstrom mit Übergängen des Taktsignals synchronisiert ist.