真随机数产生电路及芯片制造技术

本发明专利技术公开了一种真随机数产生电路及芯片，电路包括：电流积分器、二阶低通滤波器以及比较器。电流积分器用于在数据信号控制下输出积分电压；二阶低通滤波器用于对积分电压低通滤波而获得输入电压；比较器用于接收输入电压和参考电压并在输入电压的噪声、参考电压的噪声和比较器等效的输入噪声的作用下输出数据信号，输入电压的噪声、参考电压的噪声以及比较器等效的输入噪声之和在随机时间段内大于比较器的输入电压和参考电压的差值。根据本发明专利技术实施例的真随机数产生电路，通过电流积分器消除了数据信号死锁的问题，降低了二阶低通滤波器的带宽要求。二阶低通滤波器能够增强高频衰减，同时因为带宽较大反而能够减小了总的电容值和芯片面积。容值和芯片面积。容值和芯片面积。

【技术实现步骤摘要】
真随机数产生电路及芯片


[0001]本专利技术是关于集成电路领域，特别是关于一种真随机数产生电路及芯片。

技术介绍

[0002]随着半导体芯片技术和通信技术的进步，数字经济在世界各地蓬勃发展，为人们的日常生活带来了很大的方便和高效率。同时，数字储存和传输中的安全因素，也引起了人们极大的关注。
[0003]数字加密技术，不仅涉及传统信息的安全，更直接关系到所有团体和个人以数字为形式的金钱财富。产生真随机（true random）、不可重复或推测的数据，对于数据存储和传输安全具有十分重要的意义。
[0004]真随机数的产生，有非常多的机理和形式。图1是一种传统的真随机数产生电路图。为了获得毫伏级波动的低通滤波输出电压，两个电容和的比例通常需要高达1000倍以上。考虑到时钟耦合（clock feed
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through）和MOS开关管关闭时的沟道电荷注入（channel charge injection）等非理性因素的影响，电容不能太小。比如，当电容时，电容的值则必需高达以上。因此，电容会占太大的芯片面积，增加芯片成本。
[0005]另外，当在电源和地之间大幅波动的数据信号经一阶低通滤波器变成毫伏级波动的输出电压信号时，输出电压对数据信号的敏感度很低。此时一些非理想因素，如时钟耦合、沟道电荷注入、漏电等，都可能导致数据信号死锁在电源或地的电位。
[0006]公开于该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，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。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种真随机数产生电路及芯片，其能够防止数据信号被死锁以及避免使用过大的片上电容，减少成本。
[0008]为实现上述目的，本专利技术的实施例提供了一种真随机数产生电路，包括：电流积分器、二阶低通滤波器以及比较器。
[0009]电流积分器用于在数据信号的控制下输出积分电压；二阶低通滤波器用于对积分电压进行低通滤波而获得输入电压；比较器用于比较输入电压和参考电压并在输入电压的噪声、参考电压的噪声和比较器等效的输入噪声的作用下输出数据信号，所述输入电压的噪声、参考电压的噪声以及比较器等效的输入噪声之和在随机时间段内大于比较器的差分输入电压。
[0010]在本专利技术的一个或多个实施例中，所述电流积分器包括充电单元、放电单元和积分单元，所述充电单元用于在数据信号控制下提供积分单元充电的充电电流，所述放电单元用于在数据信号的控制下提供积分单元放电的放电电流，所述积分单元用于对不交叠的充电电流和放电电流的差值进行积分而获得积分电压。
[0011]在本专利技术的一个或多个实施例中，所述充电单元包括相连的第一恒流源和充电开关，所述充电开关的闭合和断开由数据信号控制。
[0012]在本专利技术的一个或多个实施例中，所述放电单元包括相连的第二恒流源和放电开关，所述放电开关的闭合和断开由数据信号控制。
[0013]在本专利技术的一个或多个实施例中，所述积分单元包括积分电容，所述积分电容的第一端与充电单元和放电单元相连，所述积分电容的第二端与地相连，所述积分电容通过充电电流进行充电，所述积分电容通过放电电流进行放电。
[0014]在本专利技术的一个或多个实施例中，所述电流积分器还包括反相器，所述反相器的输入端与比较器的输出端相连，所述反相器的输出端与充电单元或放电单元相连，以使得充电单元和放电单元不交叠工作。
[0015]在本专利技术的一个或多个实施例中，所述二阶低通滤波器包括多个开关和电容，所述开关依次串联于电流积分器的输出端与比较器的第一输入端之间，各相邻两个所述开关的相连接端以及开关与比较器的第一输入端的相连接端分别与电容的第一端相连，所述电容的第二端与地相连。
[0016]在本专利技术的一个或多个实施例中，所述开关和电容均设置有四个，分别为第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第一电容、第二电容、第三电容和第四电容，所述第一开关的第一端与电流积分器的输出端相连，所述第一开关的第二端与第二开关的第一端相连，所述第二开关的第二端与第三开关的第一端相连，所述第三开关的第二端与第四开关的第一端相连，所述第四开关的第二端与比较器的第一输入端相连，所述第一电容的第一端与第一开关的第二端和第二开关的第一端相连，所述第一电容的第二端与地相连，所述第二电容的第一端与第二开关的第二端和第三开关的第一端相连，所述第二电容的第二端与地相连，所述第三电容的第一端与第三开关的第二端和第四开关的第一端相连，所述第三电容的第二端与地相连，所述第四电容的第二端与第四开关的第二端和比较器的第一输入端相连，所述第四电容的第二端与地相连。
[0017]在本专利技术的一个或多个实施例中，所述电流积分器包括积分电容，所述二阶低通滤波器与积分电容相连组成三阶低通滤波器。
[0018]本专利技术还公开了一种芯片，包括所述真随机数产生电路。
[0019]与现有技术相比，根据本专利技术实施例的真随机数产生电路及芯片，通过电流积分器既消除了数据信号死锁的问题，又降低了后续二阶低通滤波器的带宽要求。通过二阶低通滤波器能够增强高频衰减，同时因为带宽较大反而能够减小了总的电容值和芯片面积。
[0020]本专利技术实施例的真随机数产生电路产生的随机数与芯片上电子器件的噪声、电特性、相对失配、芯片的电源电压及其噪声、芯片温度、甚至芯片外部的电磁干扰都有关系，从而增加了产生的真随机数对上述随机因素的敏感性，输出数据的随机性更强，频谱具有白噪声的特点。
[0021]本专利技术实施例的真随机数产生电路相比于传统的电路结构，不受漏电、开关的时钟耦合及电荷注入等非理想因素的影响，避免了输出数据死锁，增加了电路功能和性能的可靠性。
[0022]本专利技术实施例的真随机数产生电路具有结构简单、功耗低以及面积小等优点。
附图说明
[0023]图1是现有技术的真随机数产生电路的电路原理图。
[0024]图2是根据本专利技术一实施例的真随机数产生电路的电路原理图。
[0025]图3是根据本专利技术一实施例的改变比较器输出结果的随机噪声电压示意图。
[0026]图4是根据传统真随机数产生电路与本专利技术真随机数产生电路中的低通滤波器的传输频率特性的仿真结果图。
[0027]图5是根据传统真随机数产生电路中的比较器差分输入电压值的分布示意图。
[0028]图6是根据本专利技术真随机数产生电路中的比较器差分输入电压值的分布示意图。
[0029]图7是根据传统真随机数产生电路产生的真随机数的频谱图。
[0030]图8是根据本专利技术真随机数产生电路产生的真随机数的频谱图。
具体实施方式
[0031]下面结合附图，对本专利技术的具体实施例进行详细描述，但应当理解本专利技术的保护范围并不受具体实施例的限制。
[0032]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”等等将被理解为包本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种真随机数产生电路，其特征在于，包括：电流积分器，用于在数据信号的控制下输出积分电压；二阶低通滤波器，用于对积分电压进行低通滤波而获得输入电压；以及比较器，用于比较输入电压和参考电压并在输入电压的噪声、参考电压的噪声和比较器等效的输入噪声的作用下输出数据信号，所述输入电压的噪声、参考电压的噪声以及比较器等效的输入噪声之和在随机时间段内大于比较器的差分输入电压。2.如权利要求1所述的真随机数产生电路，其特征在于，所述电流积分器包括充电单元、放电单元和积分单元，所述充电单元用于在数据信号控制下提供积分单元充电的充电电流，所述放电单元用于在数据信号的控制下提供积分单元放电的放电电流，所述积分单元用于对不交叠的充电电流和放电电流的差值进行积分而获得积分电压。3.如权利要求2所述的真随机数产生电路，其特征在于，所述充电单元包括相连的第一恒流源和充电开关，所述充电开关的闭合和断开由数据信号控制。4.如权利要求2所述的真随机数产生电路，其特征在于，所述放电单元包括相连的第二恒流源和放电开关，所述放电开关的闭合和断开由数据信号控制。5.如权利要求2所述的真随机数产生电路，其特征在于，所述积分单元包括积分电容，所述积分电容的第一端与充电单元和放电单元相连，所述积分电容的第二端与地相连，所述积分电容通过充电电流进行充电，所述积分电容通过放电电流进行放电。6.如权利要求2所述的真随机数产生电路，其特征在于，所述电流积分器还包括反相器，所述反相器的输入端与比较器的输出端相连，所述反相器的输出端...

【专利技术属性】
技术研发人员：束克留，万海军，韩兴成，
申请(专利权)人：苏州聚元微电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：