KR101417887B1 - 2중 괘환 방식의 3상 클록 구동 카오스 발진기 - Google Patents

Abstract

카오스 발진기가 개시된다. 개시된 카오스 발진기는 레벨 쉬프터의 출력을 피드백 받는 제1 비선형 함수부 및 제1 비선형 함수부의 출력과 레벨 쉬프터의 출력을 피드백 받는 제2 비선형 함수부를 포함한다. 제1 비선형 함수부 및 제2 비선형 함수부는 레벨 쉬프터의 출력에 비선형 함수를 적용하여 각각의 출력을 산출하고, 레벨 쉬프터는 제1 비선형 함수부의 출력 및 제2 비선형 함수부의 출력에 기반하여 카오스 신호를 출력한다.

Description

2중 괘환 방식의 3상 클록 구동 카오스 발진기{THREE PHASE CLOCK DRIVEN CHAOTIC CIRCUIT WITH DUAL FEEDBACK LOOP}

하기의 실시예들은 카오스 신호를 출력하는 카오스 발진기에 관한 것으로, 좀더 구체적으로는 3상 클록을 이용하여 카오스 신호를 출력하는 카오스 발진기에 관한 것이다.

카오스 현상은 비선형 동력계에서 광범위하게 일어나는 현상이다. 카오스 현상은 비주기적인, 잡음성의 진동으로 서술될 수 있다. 지난 수십년간, 카오스 현상에 대한 많은 연구가 여러 학문 분야에서, 이론적, 실험적 또는 계산공학적으로 꾸준히 연구되어 왔다. 특히, 전기 또는 전자회로로 카오스 시스템의 하드웨어 구현에 대한 큰 관심이 있어왔다.

카오스 시스템은 크게, 카오스 신호의 특성에 따라, 연속형과 이산형으로 나뉠 수 있다. 추아회로 또는 로렌츠 회로가 연속형 카오스 시스템의 전형적이 예이다. 주로, 이러한 시스템은 수동소자인 인덕터, 저항, 커패시터 등과 연산증폭기 등으로 이루어지는 혼성 회로로 구현되어 왔다. 한편, 최근에, 스위치드 커패시터(SC) 또는 스위치드 커런트(SC) 방식 등의, 클럭신호로 구동되는 몇몇 집적화된 회로가 발표된 바 있다. 일반적으로 이러한 회로는 비겹침 2상 클럭신호에 의해 구동된다. 그러나, 이러한 카오스 시스템은 비선형 함수의 제어 문제 등으로 인하여, 정확히 제어하기가 어렵다. 그러므로, 좀더 제어가능하고 안정적인 카오스 회로가 카오스 응용을 위하여 필요하다.

하기의 실시예들은 카오스 신호생성시에 입력 신호에 따라 카오스 신호의 제어가 가능한 카오스 발진기를 제공한다.

하기의 실시예들은 암호화 통신에 사용가능한 독립적이고 안정적인 카오스 신호를 생성하는 카오스 발진기를 제공한다.

예시적 실시예에 따르면, 카오스 신호를 출력하는 레벨 쉬프터, 상기 레벨 쉬프터의 출력을 입력받아 제1 비선형 함수의 출력을 산출하는 제1 비선형 함수부 및 상기 제1 비선형 함수의 출력 및 상기 레벨 쉬프터의 출력을 입력받아 제2 비선형 함수의 출력을 산출하고, 상기 제2 비선형 함수의 출력을 상기 레벨 쉬프터의 입력으로 제공하는 제2 비선형 함수부를 포함하는 카오스 발진기가 제공된다.

여기서, 상기 제1 비선형 함수의 출력을 온/오프(On/Off) 제어하는 제1 스위치, 상기 제2 비선형 함수의 출력 및 상기 레벨 쉬프터의 출력 중에서 상기 제2 비선형 함수부로 입력되는 성분을 온/오프(On/Off) 제어하는 제2 스위치 및 상기 레벨 쉬프터의 출력을 온/오프(On/Off) 제어하는 제3 스위치를 더 포함할 수 있다.

그리고, 3상 클럭 신호를 생성하는 클럭 생성부를 더 포함하고, 상기 제1 스위치, 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치는 상기 3상 클럭 신호에 따라 온/오프 제어될 수 있다.

또한, 상기 3상 클럭 신호는 각각의 상에 대하여 미리 결정된 시간 구간 동안 높은 값을 가지고 다른 시간 구간 동안은 낮은 값을 가지는 구형 펄스를 포함하는 3개의 상 신호로 구성되고, 상기 각각의 스위치들은 각 스위치에 상응하는 상 신호의 값에 따라서 개폐동작을 수행할 수 있다.

여기서, 상기 스위치들은 NMOS 트랜지스터로 구성될 수 있다.

그리고, 상기 클럭 생성부는 상기 각 상 신호의 높은 값들이 시간적으로 서로 겹치지 않도록 상기 상 신호들을 생성할 수 있다.

하기의 실시예들에 따르면 카오스 신호생성시에 입력 신호에 따라 카오스 신호의 제어를 할 수 있다.

하기의 실시예들에 따르면, 독립적이고 안정적인 카오스 신호를 생성하여 암호화 통신에도 적용 할 수 있다.

도 1은 예시적 실시예에 따른 카오스 발진기의 구조를 도시한 블록도이다.
도 2는 예시적 실시예에 따른 카오스 발진기의 회로도를 도시한 도면이다.
도 3은 예시적 실시예에 따른 비선형 함수의 응답을 도시한 도면이다.
도 4는 예시적 실시예에 따른 3상 클럭 신호를 도시한 도면이다.
도 5는 정상 상태에서 예시적 실시예에 따른 카오스 발진기의 출력을 도시한 도면이다.
도 6은 카오스 상태에서 예시적 실시예에 따른 카오스 발진기의 출력을 도시한 도면이다.

이하, 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 예시적 실시예에 따른 카오스 발진기의 구조를 도시한 블록도이다.

예시적 실시예에 따른 카오스 발진기는 제1 비선형 함수부(110), 제2 비선형 함수부(120), 레벨 쉬프터(130) 및 클럭 생성부(140)를 포함한다.

레벨 쉬프터(130)는 카오스 신호를 출력한다.

제1 비선형 함수부(110)는 레벨 쉬프터(130)의 출력을 입력받는다. 제1 비선형 함수부(110)는 레벨 쉬프터(130)의 출력을 제1 비선형 함수에 입력하여 출력을 산출한다. 산출된 제1 비선형 함수의 출력은 제2 비선형 함수부(120)의 입력으로 제공된다.

제2 비선형 함수부(120)는 제1 비선형 함수의 출력 및 레벨 쉬프터(130)의 출력을 입력 받는다. 제2 비선형 함수부(120)는 제1 비선형 함수의 출력 및 레벨 쉬프터(130)의 출력을 제2 비선형 함수에 입력하여 출력을 산출한다. 제2 비선형 함수의 출력은 레벨 쉬프터(130)의 입력으로 제공된다.

일측에 따르면, 제1 비선형 함수와 제2 비선형 함수는 입력 값에 따라서 출력 값이 결정되는 비선형 함수일 수 있다. 제1 비선형 함수 및 제2 비선형 함수의 응답에 대해서는 도 3에서 상세히 설명하기로 한다.

일측에 따르면, 각 신호의 전송은 스위치들(151, 152, 153, 154)에 온/오프(On/Off)동작에 따라서 제어된다. 여기서, 스위치들(151, 152, 153, 154)의 '온' 상태는 폐쇄(close) 상태이고, '오프' 상태는 개방(open) 상태이다. 일측에 따르면, 각 스위치들(151, 152, 153, 154)은 NMOS 트랜지스터로 구성될 수 있다. 또한, 각 스위치들(151, 152, 153, 154)은 그에 상응하는 캐패시터들(161, 162, 163)과 함께 설계된다.

제1 스위치(151)는 제2 비선형 함수부(120)로 입력되는 제1 비선형 함수의 출력이 전송되는 것을 제어한다. 예를 들어, 제1 스위치(151)가 온 상태인 경우, 제1 비선형 함수의 출력은 제2 비선형 함수부(120)로 입력되나, 제1 스위치(151)가 오프 상태인 경우, 제1 비선형 함수의 출력은 제2 비선형 함수부(120)로 입력되지 못한다.

제2 스위치(152, 153)는 제2 비선형 함수의 출력을 제어한다. 또한, 레벨 쉬프터(130)의 출력 중에서 제2 비선형 함수부(120)로 입력되는 성분의 전송을 제어한다. 예를 들어, 스위치(152)가 온 상태인 경우 제2 비선형 함수의 출력은 레벨 쉬프터(130)로 입력되나, 스위치(152)가 오프 상태인 경우 제2 비선형 함수의 출력은 레벨 쉬프터(130)로 입력되지 못한다. 또한, 스위치(153)이 온 상태인 경우 레벨 쉬프터(130)의 출력은 제2 비선형 함수부(120)로 입력되나, 스위치(153)이 오프 상태인 경우 레벨 쉬프터(130)의 출력은 제2 비선형 함수부(120)로 입력되지 못한다.

제3 스위치(154)는 레벨 쉬프터(130)의 출력이 제1 비선형 함수부(110) 또는제2 비선형 함수부(120)로 전송되는 것을 제어한다. 예를 들어, 스위치(154)가 온 상태인 경우 레벨 쉬프터(130)의 출력은 제1 비선형 함수부(110) 또는 제2 비선형 함수부(120)로 입력되나, 스위치(154)가 오프 상태인 경우 레벨 쉬프터(130)의 출력은 제1 비선형 함수부(110) 또는 제2 비선형 함수부(120)로 입력되지 못한다.

클럭 생성부(140)는 3상 클럭 신호를 생성한다. 3상 클럭 신호는 미리 결정된 시간 구간 동안 높은 값을 가지고, 다른 시간 동안은 낮은 값을 가지는 구형 펄스를 포함하는 3개의 상 신호로 구성된다.

일측에 따르면, 각 스위치(151, 152, 153, 154)들은 각 스위치(151, 152, 153, 154)들에 상응하는 상 신호에 따라서 온/오프 동작을 수행할 수 있다. 예를 들어, 각 스위치(151, 152, 153, 154)들은 각 스위치(151, 152, 153, 154)들에 상응하는 상 신호의 값이 높은 값인 경우에 온 상태를 유지하고, 상 신호의 값이 낮은 값인 경우에는 오프 상태를 유지할 수 있다.

일측에 따르면, 클럭 생성부(140)는 각 상 신호의 높은 값들이 시간적으로 서로 겹치지 않도록 상 신호들을 생성할 수 있다. 3상 클럭 신호에 대해서는 도 4에서 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 예시적 실시예에 따른 카오스 발진기의 회로도를 도시한 도면이다.

도 2에서, 도 1의 제1 비선형 함수부(110)는 수정된 CMOS 인버터의 형태이다. 한 개의 CMOS 인버터에 2개의 MOS 트랜지스터가 역으로 배치된 부하와 병렬로 연결된다.

도 1의 제2 비선형 함수부(120)는 하나의 NMOS 트랜지스터 및 2개의 PMOS 트랜지스터로 구성된다. 여기서, 아래쪽 NMOS 트랜지스터 M5는 부하로서, 윗부분의 PMOS 트랜지스터 M6와 함께 공통 소스 증폭기(common source amplifier)로 동작한다.

도 2에서, 제1 비선형 함수부 및 제2 비선형 함수부는 모두 제어 전압 Vc1에 의하여 제어될 수 있다. 또한, 레벨 쉬프터는 레벨 쉬프터의 출력 전압이 적절한 피드백 범위에 포함되도록 제어 전압 Vc2에 의하여 제어될 수 있다.

도 3은 예시적 실시예에 따른 비선형 함수의 응답을 도시한 도면이다.

도 3의 (a)는 제1 비선형 함수의 응답을 도시한 것이고, 도 3의 (b)는 제2 비선형 함수의 응답을 도시한 것이다. 각각의 그래프에서 가로축은 비선형 함수에 입력되는 신호의 전압을 나타내고, 세로축은 비선형 함수에서 출력되는 신호의 전압을 나타낸다.

도 3의 (a)에 도시된 제1 비선형 함수는 입력 신호의 전압이 증가함에 따라서, 출력 전압도 대체로 증가하는 추세를 보이며, 도 3의 (b)에 도시된 제2 비선형 함수는 종(bell)모양의 응답을 보이며, 입력 신호의 전압이 증가함에 따라서, 출력 전압이 대체적으로 감소하는 추세를 보인다.

도 4는 예시적 실시예에 따른 3상 클럭 신호를 도시한 도면이다.

3상 클럭 신호는 3개의 상 신호들로 구성된다. 각각의 상 신호 들은 서로 다른 시간에 위치하여 서로 겹치지 않는 구형 펄스(rectangular pulse)들을 포함한다. 또한, 각 상 신호에 포함된 구형 펄스들은 일정한 주기마다 반복될 수 있다.

도 4에서는 제1 상 신호의 펄스가 종료된 이후에, 제2 상 신호의 펄스가 시작된다. 또한, 제2 상 신호의 펄스가 종료된 이후에 제3 상 신호의 펄스가 시작된다. 따라서, 각 상신호의 높은 값들은 시간적으로 서로 겹치지 않는다.

도 4에서는 시간 축에서 각 펄스의 길이가 동일한 실시예가 도시되었으나, 다른 실시예에 따르면, 각 펄스의 길이는 상이할 수도 있다.

도 5는 정상 상태에서 예시적 실시예에 따른 카오스 발진기의 출력을 도시한 도면이다. 도 5에 도시된 출력은 예시적 실시예에 따른 카오스 발진기를 SPICE로 시뮬레이션하여 산출된 것이다.

도 5에 도시된 출력은 5V의 전력이 공급되고, 클럭 주파수가 20kHz인 경우를 가정한 것이다. 또한, 제어 전압 Vc1의 값은 3V 이고, 제어 전압 Vc2의 값은 1.5V로 설정되었다.

도 5의 (a)는 카오스 발진기의 출력을 시간에 따라 도시한 것으로 가로축은 시간을 나타내고, 세로축은 출력된 카오스 신호의 전압을 나타낸다. 도 5의 (a)를 참고하면, 제어 전압 Vc1의 값은 3V 이고, 제어 전압 Vc2의 값은 1.5V인 경우에, 카오스 발진기의 출력은 3가지 값 중에서 어느 하나의 값을 가지며, 동일한 패턴이 주기적으로 반복된다.

도 5의 (b)는 카오스 발진기의 출력을 주파수에 따라 도시한 것으로, 가로축은 주파수 대역을 나타내고, 세로축은 전력을 나타낸다. 도 5의 (b)를 참고하면, 제어 전압 Vc1의 값은 3V 이고, 제어 전압 Vc2의 값은 1.5V인 경우에, 카오스 발진기의 출력은 20kHz내의 범위에 두 개의 스파이크(spike)를 가진다는 점을 알 수 있다. 또한, 백그라운드 노이즈도 많지 않음을 알 수 있다.

도 5를 참고하면, 제어 전압 Vc1과 Vc2가 특정한 값을 가지는 경우에, 카오스 발진기의 출력은 일정한 주기에 따라서 반복되는, 예측할 수 있는 패턴을 가진다. 이 경우에, 카오스 발진기의 출력이 3가지 값 중에서 어느 하나의 값을 가지므로 도 5에서 설명된 카오스 발진기의 동작 상태를 3-주기 상태(3-periodic state)라고 할 수 있다.

도 6은 카오스 상태에서 예시적 실시예에 따른 카오스 발진기의 출력을 도시한 도면이다. 도6에 도시된 출력은 예시적 실시예에 따른 카오스 발진기를 SPICE로 시뮬레이션하여 산출된 것이다.

도 6에 도시된 출력은 5V의 전력이 공급되고, 클럭 주파수가 20kHz인 경우를 가정한 것이다. 또한, 제어 전압 Vc1의 값은 1.8V로 설정되었다.

도 6의 (a)는 카오스 발진기의 출력을 시간에 따라 도시한 것으로 가로축은 시간을 나타내고, 세로축은 출력된 카오스 신호의 전압을 나타낸다. 도 6의 (a)를 참고하면, 제어 전압 Vc1의 값이 1.8V인 경우에, 카오스 발진기의 출력은 임의의 값 중에서 선택되며, 예상할 수 없는 패턴을 보인다.

도 6의 (b)는 카오스 발진기의 출력을 주파수에 따라 도시한 것으로, 가로축은 주파수 대역을 나타내고, 세로축은 전력을 나타낸다. 도 6의 (b)를 참고하면, 제어 전압 Vc1의 값이 1.8V인 경우에, 카오스 발진기의 출력은 관찰된 주파수 대역 전체에 대하여 주파수 스펙트럼이 존재함을 알 수 있다.

도 6을 참고하면, 제어 전압 Vc1과 Vc2가 특정한 값을 가지는 경우에, 카오스 발진기의 출력은 예상할 수 없는 패턴을 가진다. 따라서, 도 6에서 설졍된 카오스 발진기의 동작 상태를 카오스 상태(chaos state)라고 할 수 있다.

도 5, 6에서 시뮬레이션된 바를 종합하면, 사용자는 제어 전압 Vc1, Vc2를 특정한 값으로 설정함에 따라서 카오스 발진기의 동작 상태를 3-주기 상태 및 카오스 상태로 선택할 수 있다.

실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

110: 제1 비선형 함수부
120: 제2 비선형 함수부
130: 레벨 쉬프터
140: 클럭 생성부

Claims (6)

1. 카오스 신호를 출력하는 레벨 쉬프터;
   상기 레벨 쉬프터의 출력을 입력받아 제1 비선형 함수의 출력을 산출하는 제1 비선형 함수부; 및
   상기 제1 비선형 함수의 출력 및 상기 레벨 쉬프터의 출력을 입력받아 제2 비선형 함수의 출력을 산출하고, 상기 제2 비선형 함수의 출력을 상기 레벨 쉬프터의 입력으로 제공하는 제2 비선형 함수부
   를 포함하는 카오스 발진기.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 비선형 함수의 출력을 온/오프(On/Off) 제어하는 제1 스위치;
   상기 제2 비선형 함수의 출력 및 상기 레벨 쉬프터의 출력 중에서 상기 제2 비선형 함수부로 입력되는 성분을 온/오프(On/Off) 제어하는 제2 스위치; 및
   상기 레벨 쉬프터의 출력을 온/오프(On/Off) 제어하는 제3 스위치
   를 더 포함하는 카오스 발진기.
   
3. 제2항에 있어서,
   3상 클럭 신호를 생성하는 클럭 생성부
   를 더 포함하고,
   상기 제1 스위치, 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치는 상기 3상 클럭 신호에 따라 온/오프 제어되는 카오스 발진기.
   
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제

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