EP1250642A1

EP1250642A1 - Zufallszahlengenerator

Info

Publication number: EP1250642A1
Application number: EP01913507A
Authority: EP
Inventors: Norbert Janssen
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2000-01-27
Filing date: 2001-01-12
Publication date: 2002-10-23
Also published as: JP2003521062A; DE10003472C1; US6667665B2; TW569134B; WO2001055836A1; US20030006849A1; CN1397034A

Abstract

Die Erfindung ist gerichtet auf einen Zufallszahlengenerator auf einem integrierten Schaltkreis (1) mit einer ersten Taktgeberschaltung (2) mit einer ersten Spannungsversorgung (4) zur Erzeugung eines ersten Signals einer ersten Frequenz oder eines ersten Frequenzbereichs; einer zweiten Taktgeberschaltung (13) mit einer zweiten Spannungsversorgung (15) zur Erzeugung eines zweiten Signals einer zweiten Frequenz oder eines zweiten Frequenzbereichs, die oder dessen Mittelwert niedriger als die erste Frequenz ist; und einem Generator (19), in dem das erste Signal vom zweiten Signal abtastbar ist und der in Abhängigkeit vom Ergebnis der Abtastung zumindest eine Zufallszahl erzeugen kann. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Taktgeberschaltungen (2, 13) auf dem integrierten Schaltkreis (1) möglichst weit voneinander entfernt angeordnet sind und/oder die beiden Spannungsversorgungen (4, 15) voneinander getrennt sind und/oder um jede der Taktgeberschaltungen (2, 13) zumindest ein Guardring (20, 21) gelegt ist.

Description

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korrelierte elektrische Schwingungen genutzt werden, deren Frequenzen sich mindestens um den Faktor 100 unterscheiden. Die Schwingungen werden von zwei unabhängigen Quellen erzeugt, und zwar derart, dass weder zwischen den Frequenzen noch zwischen den Phasenlagen der beiden Schwingungen eine Korrelation besteht. Die Schwingungen der höheren Frequenz werden von einem Zähler gezählt, der durch einen Mikrorechner gestartet wird, und die Schwingung der niedrigeren Frequenz wird zum Stoppen des Zählers genutzt. Die Zufallszahl steht dann nach dem Stoppen des Zählers als Zählerstand zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung.

In der US 5,859,540 ist ein Guard-Ring beschrieben, der zur Verringerung des Dunkelstroms einer Fotodiode vorgesehen ist. Es handelt sich dabei um einen ringförmigen hoch dotierten

Bereich in Halbleitermaterial, der gemäß der Beschreibung in Spalte 4 die Lage der Verarmungszone verändert und so den Dunkelstrom reduziert. Ein Guard-Ring ist allgemein ein dotierter Bereich in Halbleitermaterial, der ein Bauelement zum Zweck der Stromeingrenzung umgibt.

Der vorliegenden Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Zufallszahlengenerator bereitzustellen, bei dem Unabhängigkeit der beiden Signale besser gewährlei- stet ist als bislang vorbekannt. Diese Aufgabe löst der Zufallszahlengenerator gemäß dem unabhängigen Patenanspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Aspekte und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen.

Der vorliegenden Erfindung liegt das Prinzip zugrunde, eine Reihe von Maßnahmen bereitzustellen, die einzeln oder in Kombination die Unabhängigkeit der beiden Signale des Zufalls- zahlengenerator entscheidend verbessern können.

Die Erfindung ist daher allgemein gerichtet auf einen Zufallszahlengenerator auf einem integrierten Schaltkreis mit

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die Schaltung insgesamt vereinfachen, da weniger unterschiedliche Bauteile beziehungsweise Baugruppen, benötigt werden.

Um die Qualität der erzeugten Zufallszahlen weiter zu verbes- sern, kann es ebenfalls bevorzugt sein, daß die erste und/oder die zweite Taktgeberschaltung eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten spannungsgekoppelten Oszillatoren aufweist, wobei der Signalausgang jedes der spannungsgekoppelten Oszillatoren bis auf den letzten der Reihe mit dem Steuerein- gang des nächsten spannungsgekoppelten Oszillators verbunden ist. Auf diese Weise läßt sich ein noch komplexeres Frequenzmuster bei dem ausgegebenen ersten Signal erzielen, so daß die Periodizität der Abtastung mit dem zweiten Signal weiter wächst .

Im folgenden sollen konkrete Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben werden, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen folgendes dargestellt ist:

Figur 1 zeigt einen Zufallszahlengenerator mit zwei Taktgeberschaltungen in einer einfacheren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und Figur 2 zeigt eine komplexere Taktgeberschaltungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung.

Figur 1 zeigt allgemein einen integrierten Schaltkreis 1 mit einer ersten Taktgeberschaltung 2 und einer zweiten Taktgeberschaltung 13. Die erste Taktgeberschaltung 2 weist einen Taktgeber 3 für das erste Signal und eine Spannungsversorgung

4 für den ersten Taktgeber auf. In diesem Beispiel soll die von der ersten Taktgeberschaltung 2 erzeugte Frequenz des ersten Signals variabel sein, so daß der Taktgeber 3 für das erste Signal beispielsweise ein VCO ist, an dessen Steuerein- gang 10 ein Zusatzoszillator 5 der ersten Taktgeberschaltung 2 angeschlossen ist, der über den Signalausgang 9 und die Si- SM I d 1 n 1 i

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2 für das erste Signal ist im folgenden Beispiel ein p- dotierter oder ein N-dotierter Guardring 20 gelegt, während um die zweite Taktgeberschaltung 13 ein gleichdotierter Guardring 21 gelegt ist.

Schließlich können erfindungsgemäß die beiden Spannungsversorgungen 4 und 15 voneinander durch die oben erläuterten Maßnahmen getrennt werden (nicht dargestellt) .

Figur 2 zeigt ein komplexeres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die erste Taktgeberschaltung 2 weist hierbei insgesamt drei VCOs auf, nämlich den Taktgeber für das erste Signal 3, den zweiten VCO 23 für das erste Signal und den dritten VCO 24 für das erste Signal, welche alle über die Spannungsversorgungsleitung 6, 7 von der Spannungsversorgung 4 mit Spannung versorgt werden.

Der dritte VCO 24 gibt über einen Signalausgang 30 des dritten VCOs 24 und eine Signalleitung 29 ein Signal konstanter Frequenz an den Steuereingang 31 des zweiten VCOs 23 ab, welcher daraufhin am Signalausgang 9 ein Signal variabler Frequenz über die Signalleitung 8 an den Steuereingang 10 des ersten Taktgebers 3 ausgibt. Dieser erzeugt damit ein komplexeres Signal, das wie oben beschrieben an den Zufallszahlen- generator 19 weitergegeben wird. Die gleiche Anordnung wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel auch für die Erzeugung des zweiten Signals verwendet. Hier werden die drei VCOs 25, 26 und 27 verwendet, welche über die Spannungsversorgungsleitung 16 und 28 energieversorgt werden.

Der erfindungsgemäß angeordnete Zufallszahlengenerator ermöglicht die Erzeugung von Zufallszahlen von erheblich besserer Qualität als dies mit vorbekannten Schaltungen möglich war. Die überraschende Einfachheit der vorgeschlagenen Lösungen ermöglicht eine preisgünstigere Realisierung bei der konkreten Implementation von erfindungsgemäßen Zufallszahlengeneratoren.

Claims

Patentansprüche

1. Zufallszahlengenerator auf einem integrierten Schaltkreis (1) mit

einer ersten Taktgeberschaltung (2) mit einer ersten Spannungsversorgung (4) zur Erzeugung eines ersten Signals einer ersten Frequenz oder eines ersten Frequenzbereichs;

einer zweiten Taktgeberschaltung (13) mit einer zweiten Spannungsversorgung (15) zur Erzeugung eines zweiten Signals einer zweiten Frequenz oder eines zweiten Frequenzbereichs, die oder dessen Mittelwert niedriger als die erste Frequenz ist; und

einem Generator (19) , in dem das erste Signal vom zweiten Signal abtastbar ist und der in Abhängigkeit vom Ergebnis der Abtastung zumindest eine Zufallszahl erzeugen kann;

dadurch gekennzeichnet, daß die Taktgeberschaltungen (2, 13) auf dem integrierten Schaltkreis (1) möglichst weit voneinander entfernt angeordnet sind und/oder die beiden Spannungs- versorgungen (4, 15) voneinander getrennt sind und/oder um jede der Taktgeberschaltungen (2, 13) zumindest ein Guardring (20, 21) gelegt ist.

2. Zufallszahlengenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktgeberschaltungen (2, 13) auf dem integrierten Schaltkreis (1) möglichst weit voneinander entfernt angeordnet sind und die beiden Spannungsversorgungen (4, 15) voneinander getrennt sind und um jede der Taktgeberschaltungen (2, 13) zumindest ein Guardring (20, 21) gelegt ist.

3. Zufallszahlengenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge- kennzeichnet, daß die Taktgeberschaltungen auf dem integrierten Schaltkreis in einander diagonal gegenüberliegenden Eckbereichen des integrierten Schaltkreises (1) angeordnet sind.

4. Zufallszahlengenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennung der Spannungsversorgungen (4, 15) durch zumindest ein RC-Glied erfolgt.

5. Zufallszahlengenerator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß beide Spannungsversorgungen (4, 15) durch jeweils ein RC-Glied getrennt sind.

6. Zufallszahlengenerator nach Anspruch 4 oder 5, dadurch ge- kennzeichnet, daß eine Entkoppelungsfrequenz des eine der

Taktgeberschaltungen (2, 13) abtrennenden RC-Glieds dem Mittelwert des Frequenzbereichs des Signals der jeweiligen oder der anderen Taktgeberschaltung (2, 13) entspricht.

7. Zufallszahlengenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennung der Spannungsversorgungen (4, 15) durch zumindest einen Spannungsregler erfolgt.

8. Zufallszahlengenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Signal eine variable

Frequenz aufweist .

9. Zufallszahlengenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Signal eine variable Frequenz aufweist.

10. Zufallszahlengenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Signal eine Frequenz hat, die zumindest zehnmal niedriger ist als die Frequenz des ersten Signals.

11. Zufallszahlengenerator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Signal eine Frequenz hat, die zumindest einhundertmal niedriger ist als die Frequenz des ersten Signals.

12. Zufallszahlengenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (19) eine Abfolge von Zufallszahlen erzeugt.

13. Zufallszahlengenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (19) weiterhin aufweist eine Ausgleichsschaltung (32) zur Kompensation einer nichtkonstanten Leistung und/oder einer Gewichtung bei der Zufallszahlenerzeugung.

14. Zufallszahlengenerator nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsschaltung (32) ein linear rückgekoppeltes Schieberegister aufweist.

15. Zufallszahlengenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und/oder die zweite Taktgeberschaltung (2, 13) zumindest einen spannungsgekoppelten Oszillator (3, 23, 25, 26) und einen weiteren Oszillator (5, 24, 27) aufweist, dessen Signalausgang (9) mit einem Steuereingang (10) des spannungsgekoppelten Oszillators (3, 23, 25, 26) verbunden ist.

16. Zufallszahlengenerator nach einem Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Oszillator ein spannungsge- koppelter Oszillator ( 23, 24, 26, 27) ist, dessen Steuereingang mit einer konstanten Spannung beschaltet ist.

17. Zufallszahlengenerator nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und/oder die zweite Taktgeber- Schaltung eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten spannungsgekoppelten Oszillatoren aufweist, wobei der Signalausgang jedes der spannungsgekoppelten Oszillatoren bis auf den letzten der Reihe mit dem Steuereingang des nächsten spannungsgekoppelten Oszillators verbunden ist.