（微电子学与固体电子学专业论文）真随机数发生器的vlsi实现研究.pdf

复旦大学硕士论文:典随机数发生器的v l s i 实现研究 摘 要 信m , 安全在现代生活中有越来越 重要的 作用， 而信息安全芯片， 特别是密码 芯 片是保证信息安全的重要工具。作为密码芯片中的重要组成部分，真随机数发生器 的 v l s i 设计受到人们越来越多的关注。本论文就是以密码芯片中的真随机数发生器 i p 核为研究对象，开展真随机数发生器的理论研究与 v l s i 实现时的结构设计。 为了解真随机数发生器在密码芯片中的重要作用，论文首先介绍了密码学理论 基础，以及随机数发生器的分类，并概述了真随机数发生器的实现途径:对噪声源 直接放大、采样振荡器抖动噪声、离散时间混沌映射。本论文主要针对前两种基本 方法的真随机数发生器进行了细致的理论分析、研究和 v l s i 设计;并对两个方案的 设计都进行了系统级分析建模、电路级分析设计、以及后端版图设计。 在论文的第二章中，主要研究基于放大电阻热噪声的真随机数发生器的设计方 案。 在此方案中，作者 设计了 噪声放大器、数 模转换器、比 较器、 失调控制系统、 电荷泵、后处理器。并且以上述模块的设计依据和电路结构设计方法为重点，进行 了详细的阐述和v l s i 实现分析。 在论文的第二章中，主要介绍基于采样振荡器抖动噪声的真随机数发生器的设 计。在对此种系统方案进行理论分析之后，从功能的角度，将整个系统主要分为 3 个部分;慢时钟电路、快时钟电路以及采样电路。并在相应章节中对此 3部分电路 的 v l s i 设计分别进行了描述。 实 现的两个真随机 数发生器电 路均采用 c h a r t e r e d - 0 3 5 u m - 3 .3 v工艺 用 h s p i c e对各 自的电路模块以及系统进行了仿真。仿真结果显示输出码流为随机数序 列。并且两个方案的v l s i 电路都参加了 “ 多项目晶圆计划 mp w)”。 关键词:真随机数发生器、噪声源、热噪声、抖动噪声 中图分类号:t n 4 0 2 t n 4 0 9 t n 7 0 9 摘要 复从大学硕士论文:真随机数发生器的 v l s i 实现研究 ab s t r a c t i n f o r m a t i o n s e c u r i t y is p l a y i n g a m o r e a n d m o r e i m p o r t a n t ro l e i n m o d e r n s o c i e t y . a n d t h e s e c u r i t y c h i p s , e s p e c i a l l y c ip h e r c h i p s , a r e t h e b a s i c a n d i m p o r t a n t t o o l s f o r i n f o r m a t i o n s e c u r i t y . t h e v l s i d e s i g n a n d i m p l e me n t a t i o n o f t r u ly r a n d o m n u m b e r g e n e r a t o r ( t r n g ) , w h i c h i s t h e s i g n if i c a n t p a r t o f c i p h e r c h i p , a r e a t t r a c t i n g m o r e a n d m o r e c o n c e r n s . a n d t h i s t h e s i s f o c u s e s o n t h e c i r c u it a r c h it e c t u r e d e s i g n a n d v l s i im p l e m e n t a t i o n o f t w o k i n d s o f t r n g f o r c i p h e r c h i p s . t o h i g h l i g h t t h e i m p o r t a n c e o f t r n g i n c r y p t o g r a p h y , t h e c r y p t o g r a p h y t h e o ry is fi r s t l y i n t rod u c e d . a n d t h i s t h e s i s a l s o i n t rod u c e s t h e c a t e g o r y o f r a n d o m n u m b e r g e n e r a t o r ( r n g ) a n d w a y s t o i m p le m e n t t r n g , w h i c h i n c lu d e d i r e c t a m p l i f y i n g n o i s e s o u r c e s , s a m p l i n g j i tt e r n o i s e o f o s c i l l a t o r a n d d i s c r e t e t i m e c h a o s m a p . t h i s t h e s i s a im s a t t h e t w o p re c e d in g w a y s . i n c h a p t e r 2 , t r n g b a s e d o n a m p l i f y i n g t h e r m a l n o i s e o f r e s i s t o r s i s m a in l y d i s c u s s e d . i n t h i s s c h e m e , s y s t e m t h e o ry a n a l y s i s a n d c i r c u i t s a r c h it e c t u r e d e s i g n a re d e s c r i b e d c a r e f u l l y f o r t h e s y s t e m a n d m o d u l e s , i n c l u d i n g n o i s e a m p l i f i e r , d a c , c o m p a r a t o r , o f f s e t c o n t r o l s y s t e m ( o c s ) , c h a r g e p u mp , p o s t p r o c e s s o r . v l s i i m p l e m e n t a t i o n is s u e s i n c l u d i n g c i r c u i t s s i m u l a t i o n s a n d c i r c u i t s l a y o u t a r e a l s o t h e m a i n w o r k i n t h i s c h a p t e r i n c h a p t e r 3 , t h e s i s m a i n l y f o c u s e s o n t h e c i r c u it s d e s i g n a n d v l s i i m p l e m e n t a t i o n o f t h e t r n g b a s e d o n s a m p l i n g j itt e r n o i s e o f o s c i l la t o r . f i r s t l y , t h e t h e o r y o f t h e t r n g s y s t e m i s a n a l y z e d ; t h e n , t h e t r n g s y s t e m is f u n c t io n a l l y d i v i d e d i n t o t h re e p a rt s , w h i c h a re s l o w c l o c k g e n e r a t o r , f a s t c l o c k g e n e r a t o r a n d t h e s a mp l i n g c i r c u i t . i n t h e e n d o f t h i s c h a p t e r , t h e v l s i i m p l e m e n t a t i o n s o f t h e t r n g a r e d e s c r ib e d b a s e d o n t h e c h a r t e r e d - 0 . 3 5 u m- 3 . 3 v c mo s t e c h n o lo g y , t h e t w o t r n g s , i n c l u d i n g t h e i r m o d u l e s a n d s y s t e m s c i r c u i t s a re s im u la t e d b y h s p i c e . a n d t h e s i m u la t i o n r e s u lt s s h o w t h a t t h e o u t p u tt i n g b i t s - s t re a m o f t h e t w o t r n g s i s r a n d o m . a n d b o t h p r o j e c t s h a v e t a p e - p u t f o r t h e mp w h o s t e d b y s h i c c . k e y wo r d s : t r u l y r a n d o m n u m b e r g e n e r a t o r , n o i s e s o u r c e , t h e r m a l n o i s e , j i tt e r n o i s e 复旦大学硕士论文:真随抓数发生器的v l s 盆 实现研究 第一章现代密码学与真随机数发生器 。 i引言 密 码学是一门古 老而又年轻的 科学。早 在公元前 一世纪， 凯撒大帝就曾用 过一 种代换式 密码。而直 到 1 9 4 9 年， 信息论 之父c . e . s h a n n o n 发表了 密 码系统的通 信 理论， 密码学才 走上科学和理性之 路. 现代信息社会 迫切需要现代 密码学。目 前，各 种通信网 络极大地改变了 人们的 生活与 工作方式。随 着信息化 社会的 不断发 展，信息 在社会中的地 位越来 越重要， 每个人的 生活都与 信息的产生、 存储、处 理和传递密 切相关， 信息的安全 与保密问 题成了 人 人都 关心的事情。 商 业和金融领 域也由于i n t e m e t , 特别是e - b u s i n e s s 的发 展而更 加 关注信息安全问 题。当 然， 密 码学在 传统 应用领域 军 事上仍 起着重要 而且是日 益关 键的 作用。电子 对抗， 从1 9 9 1 年的 海湾战 争到 阿富汗反恐战争，已 经 发展 成为空 前的 大规模信息战.由 此可见， 信息战是 信息化社会发 展的 必然产物。 在 信息战 场上能否控制 和取 胜， 是赢得 政治、 外交、 军事和经济斗 争胜刹的先决条 件。因 此， 信息系统的 安全保密问 题己 成为影 响社会稳定、国家 安危的 战略性问 题。 现代密 码学涉及数学 ( 如数论、 近世 代数、 复杂性理论、 组合算法、 概率算法 及代数几何等)、 物理学 ( 如量子力学、 现代光学、 混沌动力学等)、 信息 论、 计 算机科学等学科，内容十分丰富。 真随 机数发生 器在现代密码学领域 有非 常重要的 应用。它是密码系统硬件实 现 中 的重要 组成部分，它为加密算法提供密钥。密 钥的安全性决定了密 码系统的安 全 性，所以随机数发生器设计的好坏决定了密码系统的安全性。 本文主要讨论真随机数发生 器的电 路结构设 计和 v l s i 实现。为便于理 解设 计 真随 机数发生器对于密码系统的意义，本章 将首先介绍密码学理论基础知识，即 s h a n n o n密码系统信息理论11 12 ) ，包括密码系统的数学模型，墒的概念，完善密码系 统存在的 条件: 接下来简要介绍了真、伪随 机数发生 器的区别t a t 以 及实现真随机 数发生器的几种方法14 1 第章:现代密码学与真随机数发生器 复旦大学硕士论文:真随机数发生器的v l s t 实现研究 1 . 2 s h a n n o n 的密码系统信息理论 1 . 2 . i 密码系统数学模型 密 码系统设计的目的 是使窃听 者即使 在完全准 确地接收到信号地 情况下也无法 恢复出原始消急. 图 1 ， 密码系统模型 信源是产生消 息的源，在离散 情况下 可以 是字 母或符号。 可以用简 单的 概率空 间 描 述 离 散 无 记 忆 信 源。 设 信 源 字 母 表 为 m= a ;, i 二 0 , 1, 2 , . ., n - 1 ， 字 母a ; 出 现 的 n -1 概 率 为p 恤) “ 0，且艺p ( a ) = 1 s 信 源 产 生 的 任 一 长 为l 的 消 息 序 列 潇 动 m = ( mm 2 . m ) ， mr“ m，1 5 1 “研 究 所 有 长为l 的 信 源 输出 ， 则 称 p = m . 抓 m 袱 m i,m 2 , . . m ,. ) 画e m , 1 5 i 5 月 为 消 息 空 间 或 明 文 空 间 ， 它 含 有 n r.个 元素。若信源有记忆时，需要考虑 p 中各元素的概率分布。当信源为无记忆时，有 乙 p p (m ) = p ( m i, n +a * ,m i.卜na m )信 源 的 统 计 特 性 对 密 码 的 设 计 和 分 析 有 着 重 要 1 n 1 的影响。 密钥源是产生密钥序列的源。密钥k 通常是离散的。设密钥字母表为 布 且 b 二 瓦 ， ， = 。 ， 1， 2 ， ， 一 1 ) 。 字 母 b , 的 概 率 为 p ( b ) - 。 且 艺p ( b , ) = 1 一 般 设 计 中 使 密 钥源为无记忆均匀分布源，所以各密钥符号为独立等概率。长为 r 的密钥序列 k = 气 粉， 气，气 ， 凡 ， 一 ， 气e b 的 全体 称为密 钥空间k ， 且k二 b 。 一般， 消息空间 与 密钥 空间彼 此独立。 合法接收者 知道k 和密 钥空间k . 窃听者不知道k ， 也不知道 或 不确知 k o 加密变换是将明文空间中的元素 m在密钥的控制下变为密文 c ，即c = ( c 1 , c z , - - - , g l ) = e k ( m r m2 ， 二m l ) ， 称c 的 全体为密 文空间。以 c二 y t , 表示， 其中y 表 示 密 文 字 母 表。 通 常 密 文 字 母 集 和 明 文 字 母 集 相 同 ， 有l = l a 密文空间的 统计特性由明文 和密钥的 统计 特性决 定。 假定明文m e p 发生的 概率 为p p (m ) = 密 钥 被 选 择 的 概 率 为p k (k ) , 密 钥 是 在 发 送 者 发 送 消 息 之 前 选 定 的 ， 因 而 第章:现代密码学与真随机数发生想 复且大学硕士论文:真随机数发生器的v l s i 实现研究 可假定 消息空间和密钥空 间是独立的。 对于 一个密钥k e k ， 令c k = ( e k ( m ) im e f ) ， 对 每一个 。 e c ，有 (1.j) p c (c ) = y- sk 卜 - c . p t t i 加 ) = 入(k)pp ( 众 ( c ) ) f , p , (k ) ( 1 . 2 ) ik lm = d , ( , ) i 由贝叶斯公式可得 p p (+n )艺 p , ( k ) p p (m ic ， 一 了箭器 k(c) “ ， ， 由 ( 1 . 1 ) 和( 1 . 3 ) 知， 只要知道明文空 间和密 钥空间的 概率分 步， 任何人都能 确定出 密 文空间的 概率分步和明文空 间关于密 文空间的 条件概率分步。可 见， 密文空间的 统 计特性由明 文空间和密 钥空间的统 计特性完 全决定。 在密码系统研究中，假设信道是无干扰的，因而对于合法的接收者，由于知道 解密 变换和密钥，而易 于从密文得 到原来得 消息m ，即m = d k ( c ) = d k( e k ( m ) ) - 假定密码分析者可以得到密文。 。而且一般假定密码分析者知道明文的统计特 性、加密体制、密钥空间及其统计特性，但不知道加密截获的密文 c 所用的特定密 钥。那么，基于以上假设，密码的安全性完全寓于秘密密钥之中。所以密钥的设计 对于密码系统的安全性具有非常重要的作用。 . 2 . 2完善保密性 衡量 一个密码系统的安 全性有两 种纂本方 法， 一种是计算安 全性， 另一种是 无 条 件安 全性， 又称完善 保密 性。 计算 上安全， 指利用最好的算法 破译该系统需要 至 少n次运算，n是一个确定的很大的数。无条件安全，指具有无限计算资源的密码 分析者也无法破译该系统。 密码系统的安全性是针对于某种攻击而言的，我们针对唯密文攻击来研究密码 系统的 完善保密性，即 无条件安全性. 它不能 保证在已知明 文或选择明文的攻 击下 也是完善保密的。 利用嫡的概念，可以计算图 1 . 1 中密码系统各部分的嫡。 2 . 2 . 1 滴的概念 某事 件x ， 发生时的 信息量, ( x ; ) ， 发生 概率p ( x . ) 。 信息量定义为: 第- - 章:现代密码学与真随机数发生器 复旦大学硕士论文:真随机数发生器的vl s i 实现研究 . i 认) = - lo g , p ( x ;) 比 特)( 4 ) 由 。4 ) 式 可以 看到， 事 件发生的 概率 越低所含有的 信息量越多。 设 x 一 、x ;11= 1 ,2 ,.,n , x ;出 现 的 概 率 为 ， (x ;) ? d ， 且 艺 ， (、 ) 一 1 。 集 x 的 嫡 (即 ， 平 咨 =t 均 信 息 量 ) 定 义 为 : h ( x ) = 一 艺p ( x ,) lo g , p ( x ,) 比 特 1 ( 1 .5 ) 了 .1 式 ( ! 5 ) 表明 进行排列的 所有事件的平均 信息 量， 在事件发生概率相 等时为 最大。 其 中h ( x ) 表示集x中事 件出 现的 平均不 确定 性， 或者为 确定集x中出 现一 个事件 平均 所需要的信息量 ( 观测之前)，或集 x每出现一个事件平均给出的信息量 ( 观测之 后 )。 集x 相 对于 事 件y i e y 的 条 件 嫡 为 : h ( x i y j ) = 一 艺p (x , ly j ) io g x p (x , ( y , ) ( 1 .b ) 1 _1 集x相对于集 y的条件嫡定义为: h (x i y ; ) = 一 艺p (y j ) h (x l ) j ) = 乞艺p ( y , ) p (x , jy , ) lo g , p ( x j y j ) ( 1 .7 ) j a i j - 1 i . 1 式( 1 . 7 ) 表示观测到集y后集x还 保留 的不 确定性。如果 将x 视为一个系统的输 入空 间， 则y 视为系统的 输出 空间。 在 通信中， 通常将条件 嫡h ( x j y ) 称为 含糊度 俩 u iv a c a t i o 的. 1 . 2 . 2 . 2完善密码系统 令 明 文 空 间 的 嫡 为h ( p ) = h (m l ) ， 密 钥 空 间 的 摘为h ( k ) = h (b ) , 密 文 空 间 的 嫡 为 h ( c )= h ( y l ) ， 在已 知 密 文 条 件 下 明 文 的 含 糊 度为h ( m l ly l ) ， 在已 知 密 文 条 件 下 密 钥 的 含 糊 度为h (k ly l ) 。 从 唯 密 文 攻 击 来 看 ， 密 码 分 析 者 的 任 务 是 从 截 获 的 密 文 中 提 取 有 关 明 文 的 信 息h ( m l ) - h (m l iy l ) ， 或 者 密 钥 的 信 息h (k )一 h (k iy 竹 。 可 见， h ( m liy l ) . h ( k ly l) 越 大 ， 窃 听 者 从 密 文 中 能 够 提 取出 的 有 关 明 文 和 密 钥的 信 息 量 就越小。 h ( m l iy l ) m 6 支路为1 8 0 u a . m l 到m 5 组 成第 一级放大器。 ml , m 2 是差 分 输入对管，m5 是电流源，为ml , m2 提供电流。m3 , m 4是电流镜负栽。m6 , 第二章基于放大屯阻热m 2 声的真随机数发生器vl s i 实现 复旦大学硕士论文:真随机数发生器的 v l s i 实现研究 m 7 组 成第二级 放大 器。 c l 是频率 补尝电容。 第一级放 大器的 增益a 1 ，第 二级放 大 器的增 益a 2 ，放大 器的 总增益a。 凡二 a l x a 2 ( 2 . 1 4 ) a i = s , x ( . , h r a ) ( 2 . 1 5 ) a 2 = a m , x ( . b a . , h r) ( 2 .1 6 ) v 口 口 a m5m6 己 i 一， 叮c 1 out m3 n m . m 骂 v 7 i i ri v s s a 图24两级放大器电路结构 两级 放大 器用于闭环 应用。 靠电 阻分 压实现闭 环增益为5 0 d b , r m s = 0 . 1 m v的 热噪声电 压经过放大器之后其r ms 在 3 4 m v左右。 节点 n 2 将为放大器的频谱引入一个极点，这是由n 2 点处看到的寄生电容和阻 抗决定的。同理，节点o u t 将为放大器的频谱引入另一个极点。这两个极点在频谱 上的位置，会影响系统的稳定性。由于输入噪声源是2 个 8 0 k q电阻，串联在差分 输入对管的输入端，与寄生电容一起为放大器构成了一个极点。那么这其中最小的 极点的位置将决定放大器的带宽。第二个极点的位置将决定放大器环路的稳定性。 靠频 率补偿电容 可以 将前二个极点 分离p a l 。 系统开环 环路相位裕度大于6 0 度时系 统是稳定的。 经过h s p i c e 电 路仿真，级间 补尝电 容c i 设计在o . l p f 可以 使放大器环路 稳 定。从图2 .5中可以看到，放大器环路的开环增益2 0 d b ，相位裕度 9 0 度，闭环增 益 5 0 d b ，-3 d b带宽4 . 3 mh z 。放大器电路电源抑制特性如图2 .6 所示. 第二章:基子放大电阻热噪声的真随机数发生器v l s i 实现 复旦大学硕士论文真随机数发生器的v l s 1 实现研究 .和t月留 拱华旅。阅诚拟 一乙摘片占盆，.曰朽3 劝 i 凡 - _一 1一气一f t w ac s.4; 卜 叻 j飞 、 吸 p4t l. i+7 z .2 1r 5.fa ti“ 一、 ! 陈 ” 州 、 ， 、 、 叹 r rns 丫军 s l y i l啊一 汽， 叫尸 f 7 3网 尸 尸， 而 r丫 ” 而叮 y t s 77州 t 4 p 网 一翁一一跳 . x : 8 t i lx , 打 娜yr ;i0 归 4 ;. .一 ，.争 .白. 碑阳.滋曲，. 俐咖”。书谓 1 一 1 盛 . 曰“二 介 钾剑 笋 5 ， i; c a 卜 口 一“ ， ” ” “ 尸 、 、 r巨跳山 目.、 一一 、 ! 诀 洲 l i 锐 ; 1映口曰毕盈，粗奋种。， 网月吮妇峭， 翻翻琦.钓调椒 1 1j 诬成. t,- crs5,44+:洲 一 ” 介 一 ” 一 、 、 e- - - 一肠 跳 姚 一、 、 洲目 、 琦玲t峨牟退节 应图盆 .j闹口， 福盆 图 2 . 5放大器环络开环的 交流仿真结果 第二章:基子放火电阻热噪声的1 2 随机数发生器 v 比i 实现 里 复旦大学硕士论文:真随机数发生器的vl s i 实现研究 图 2 . 6放大器电路电源抑制比特性 ( p s r r ) 2 . 3 . 2 . 3偏置电路 采用b e t a m u l t i p l i e r r e f e r e n c e d s e l f - b ia s i n g 结 构i t9 1 。电路结 构如图2 . 7 所示。 二 二 4 3 ua n _ p n w r p d b 曰.七 ， . 月 ns . ， 二 ， 、 州 上. s 准|一奄 纂汰擎 h 1pd n 叭月 . rwn us.reramst mamsaynn,en .tosli n.tny :i 图2 . 7放大器偏置电路 第二章:基于放大电阻热噪声的真随机数发生器v l s i 实现 复旦大学硕士论文:真随机数发生器的v l s i 实现研究 图 中的m b 3 , m b 4 , m b l , m 6 2 和r o 构成偏置电 流 源， m r l , m p 2 , m p 3 作为 开关 控制电 路进入省电 模式 或是 正常模式。当p d 信号为高电 平p d b 信号为 低电 平 时， m p l , m p 2 截止，m p 3 导通， m p 3 漏端 被拉到高电 平使m b 6 管截止，电 路进入 省电模式。ms l , m s 2 , m s 3 是电流源的启动电路。根据 m 6 3 , m b 4 栅压相同， m b 4 支路的电流满足式: 了_ 百 2 五 (,/1i r 3az 一 ,- zfv1/i), k “ - - ( 4 ) 二 _ l4 一 ( w )l3 ( 2 . 1 7 ) ( 2 . 1 8 ) 为设计出偏置电流在几十微安级，设计出: 厂 w 3 i l 4)_ 1 3u -lu m k= 4 r = 2 . 2 k o绮 = 4 5 u a 2 . 3 .3 勤模转换器电路 ( d a c ) d a c用于补偿放大器的失调电压，在 c h a r t e r e d - 0 . 3 5 u m - 3 .3 v的工艺条件下， 当 放 大器在经过电 路设计与仔细的 版图设 计之后，可以 根据现代工艺的能 力假设放 大 器 失 调 电 压能 控 制 在1 4 m y 之内 。 设 计y a = 1 m y 的3 - b it d a c 即 能 满 足 失 调 补 偿的要求。 o c s 控制 d a c开始工作时，先为放大器叠加了一 4 m y的失调，然后随着 d a c 控 制 信 号 的 线 性 递 加， d a c 的 输 出 可以 从踢 一 4 m y 增 加 到踢 十 3 m v ， 在 这 样的 范围中， 将抵消一部分 放大器的失调， 使其被 控制在+ 1 m v 之内。 d a c 电 路 图如图2 . 8 所式。d a c采用电阻分压的结构。o c s 控制产生 d a c的开关电平，8 个开关每次只打开一个，将参考电平端设在上面 3 个和下面 4 个电阻的分界处，随 着开 关控 制信号从s 0 到s 7 的逐个为 低电 平 ( 开关管是p m o s 管) 在d a c的 输出 端 依 次 产生 喝一 4 m v 到峪十 3 m v 为 设 计编 = 1 m v ， 设 计 电 阻 为i k n ， 电 阻 串支路的电流为 i u a . 第二章:荃于放大电阻热噪声的真随机数发生器v l s i 实现 复旦大学硕士论文:真随机数发生器的v l s i 实现研究 图2 . 8 d a c电路结构 2 . 3 . 4比较器 ( c m p ) 2 . 3 . 4 . 1电路结构的 选择 比 较器分为两 类， 即连续时间比 较器和离 散时间比 较器o $ 1 . 连续时间比 较器 在原理 上是利用 差分放大电路放 大比 较器两 个信号的 差值。它具有 低失 调的 优点。 但是前置放大电路消耗的功耗较大，并且t r n g系统的输出为数字系统服务，有 统一的时 钟要求， 所以 需要给连 续时间 比 较器的前面 加上一个采 样保持电 路， 但是 采样 保持电路由 大信号控制，大 信号会通 过采样保持电 路的寄生电容 馈通到放大器 的输出端以及比较器的输入端，这会给比较器的电平比较引入误差。采用离散时间 比较器结构如图2 . 9 所示，可以解决这个问题。因为时钟控制的开关管与输入管间 隔一 个n m o s 管， 这 样可以 减小馈通。 这种结构的 失调电 压较大， 但由 于在 本应 用中有比较器失调补尝电路 ( 即负反馈环路)，所以对比较器的失调要求不高。而 且，由于此比较器是动态结构 2 0 .5 1 ，所以无需加入连续时间的前置放大器，节约 了功耗。并且，可采用小尺寸的管子，节约芯片面积。 第 二 章:荃子放大电阻热l声的真随机数发生器vl s i 实现 复a大学硬士论文:真随机数发生器的v l s i 实现研究 v d d令一i 那 么m 3 m 4 失 配 的 影 响 是 主 要 的 ， 它 们 造 成 的 失 调 记 作 蛛， ，等 效 在 输 入 端 的 失 调 为喻,. . m i m 2 失 配 的 影 响 可以 忽 略 ， m 5 - m 1 0 的 影 响 也可以忽略，因为m3 m4 的增益较大，m5 - ml 0 的失调经过 m3 m 4 放大倍数的削 减等效到输入端是很小的。 疏 sz s 。 。 : 、 r .=一了 目 侧甲 丁一、 . 已j 夕 j_， 一w 、 2人! i l) 3 。 ，。、 _9 二 ， ， 。 。 、 t o i =va s t 一i t n ) b m t 一-下石 于 丁、 “ ， 一一 y 尸 t 2 入 i 一! 、l人 第兰章:基子放大电阻热噪声的真随机数发生器 v l s i 实现 复且大学硕士论文:真随机数发生器的v l s i 实现研究 9 . 3 = k (-w, ) , (v c s a 一 ) ( 2 .2 3 ) l _ 了u f )_ _ 9 . 1 “ ( -l ) , v - i 又. v ._ =一二 a y e 将 ( 2 . 1 9 )、 ( 2 .2 4 )代入 ( 2 , 2 5 )得到: 呱3 s . , r j ( 2 . 2 4 ) ( 2 . 2 5 ) vvss.rn 一 vm 气介 (2 .26) 从 式( 2 . 2 6 ) 中 看到，输入管 的共模电 平越 低， m 3 m 4 失配 造成失 调的影响 越小。 ( 2 ) 负 载匹配的影响 此 种比 较器 对两路 的负载电 容也 很敏感， 所以 在两 路的 输出 端加入相同的 倒相 器使两路负载相同，如图2 . 9 的右部分所示. 2 . 3 . 4 . 4 关键参数设计与仿真结果 根据上一节的分析，为减小 m3 m4 的失调， m3 m4 的宽长比取得较大。 s u m i u 刀 王 。比较器失调分析的仿真结果如图2 . 1 1 所示。 一一 律一l !三匕 图2 . 1 1比较器失调的仿真结果 失 调 分析是在以 下条 件进行的: 比 较器的 正端 输入共模电平为2 . 5 v , m 3 . m 4 管的宽、 长失配0 .0 3 u m 。 如图2 . 1 1 上图显 示，比 较器负 端输入为2 . 6 v 时，比 较器 输出 端仍然保成高电 平; 如图2 . 1 1 下图 显示， 比较器负 端输入为2 . 7 v时，比 第咒章:荃于放大电阻热1坠声的立随机数发生器v l s i 实现 复且大学硕士论文:真随机数发生鉴的v l s i 实现研究 较器 输出 端 在时钟高电 平到来瞬间时 发生 翻转， 并保 持不变。可知失 调最多为 2 0 0 m v 。 这种失调程 度不会 影响系统的正 常工作。 因为与 这一点 相连的电 荷泵即 使在参考电平为2 . 7 v的情况下依旧正常工作。 2 . 3 . 5 失调控制系统 ( o c s ) 2 . 3 . 5 . 1 o c s 工作原理 o c s 通过采样 b i t的变化来消除失调的影响。o c s 实现的算法如下: o c s ( i n p u t : b i t ; o u t p u t : d a c - t h r , u p , d o w n , d i s c h a r g e ) r e s e t : d i s c h a r g e = 1 ; w a i t f o r t r s t ; d i s c h a r g e 二 0 ; s ( 0 : 7 ) = 0 , ; i = 0 , n t h = 7 ; s t a g e 1 : w h i l e ( b i t = 0 a n d i n t h ) s ( i ) = 1 ; 1 4 + ; s t a g e 2 : w h i le ( l ) i f ( b i t 一 0 ) t h e n d o w n = i ; e l s e u p = ，i ; w a i t f o r i s ; d o w n = 0 ; u p = 0 , ; 失调消除分为三个步骤:第一步为re s e t , o c s 将比较器的参考电平预充电到 供电电 压的 一半。 预充电的时间 为t r s t . 第二 步为s t a g e l , o c s 控制d a c 工作， 先为放大器叠加一个反方向的失调电压，使比 较器的输出b i t为低电平，然后再 控制d a c的开关信号，使 d a c的输出逐渐补尝掉放大器的失调，直到过补尝。 过补尝可以通过 o c s 检测比较器的输出电平出现反相来实现。这时，o c s 会控制 d a c 处于保持状态，放大器的失调被补尝了，精度被控制在 i m v之内。在这样的 条 件下， 放大 器工作在线 性放大区间。 然后进 入下 一步。如果， 刚进入s t a g e 1 阶 段，比 较 器的 输出b i t已 经为高电 平了 ，那 么直接进 入下一步。第 三步s t a g e 2 , o c s 开始 产生c p 的开 关控制信号d o w n 和u p ， 它们分别控 制电 荷泵放电 和充电 因为， 比 较器的 参考电 平连接到电 荷泵的 负载电容 上，所以这 样可以 调整比 较器的 参考电平，动态跟踪放大器输出直流电平，以消除剩余失调。如算法所示，每隔 第一 : 章:基子放火电阻热噪声的女随机数发生器v l s 皿 实现 复n大学硕士论文:真随机数发生器的vl s i 实现研究 t ,; , o c s 要 检 侧 比 较 器的 输 出b it 的 高 低电 平 ， 如果b i t 为 低 事 平 说 明 放 大 器 仍 然 存在 负相的失调， 那么使d o w n 信号 有效， 控制c p 放电 ;如果b i t 为高电 平说 明 放大 器仍然存 在正 相的失调， 那么使u p 信号有 效， 控制c p 充电。其中， 对于 3 - b i t d a c而 言, n ,h - 2 ， 一 i 二 7 , t 、 是c p 对电 容的充 放电间隔。 2 . 3 . 5 . 2 o c s 电路实现 a c s 电 路 用c h a rt e r e d 标准的 数字单元实 现。 分别 设计了o c s 三 个步骤的 控制 电 路、 预充电 信号d i s c h a r g e 产生电 路、 d a c开 关的控 制电 路、电 荷泵充 放电的 控 制信号产生电路。 o c s 三 个步骤或称 三状态的控制电 路采用状态 机的 方法 3 2 ,2 3 设计，u p b 由 逻辑 组合电路实现。其中，d o w n 在电路中标识为d w n , d o w n b 标识为d w n b o d w n b 和 u p b 是d o w n 和u p 的 反相信号。 图2 . 1 2 ( )c s 控制电路 第 几 章:基于放大电阻热噪声的真随机数发生?. v t. s . 实现 复i.t 大学硕士论文:真随机数发生器的v l s i 实现研究 图2 . 1 3预充电 信号d i s c h a r g e 产生电路 润翻橄旧欣附旧彻 图 2 . 1 4 d a c开关的控制电路 第二章:4于放大电阻热噪声的直随机数发生器 v l s i 实现 复且大学硕十论文:真随机数发生器的v l s i 实现研究 图2 . 1 5电 荷泵充放电的控制信号产生电路 第 二 章基于 放大电阻热噪声的典随机数发生器 v l s i 实i 复r大学硕士论文:真随机数发生器的v l s i 实现研究 2 . 3 . 5 . 3 o c s 电 路仿真 _ i ， 二 o n . - 刁 峨 8贬 5坦 t 度 咬 ， ， ， ， 一- s t 山ge， - - 污st冉 g 七 2 ( ocs