真随机数产生电路及芯片

摘要

本发明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。

权利要求

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，在随机的时间段，若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大于比较器的差分输入电压则产生真随机数。

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。

7.如权利要求1所述的真随机数产生电路，其特征在于，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。

8.如权利要求7所述的真随机数产生电路，其特征在于，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输入端相连，所述第四电容的第二端与地相连。

9.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。

10.一种芯片，其特征在于，包括如权利要求1 9任一项所述的真随机数产生电路。

~

说明书

真随机数产生电路及芯片

技术领域

[0001] 本发明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。

背景技术

[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‑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] 公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，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。

发明内容

[0007] 本发明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，本发明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] 在本发明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] 在本发明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] 在本发明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] 在本发明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] 在本发明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] 在本发明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] 在本发明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] 在本发明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] 本发明还公开了一种芯片，包括所述真随机数产生电路。

[0019] 与现有技术相比，根据本发明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] 本发明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] 本发明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] 本发明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是根据本发明一实施例的真随机数产生电路的电路原理图。

[0025] 图3是根据本发明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发明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是根据本发明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是根据本发明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，对本发明的具体实施例进行详细描述，但应当理解本发明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”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

[0033] 如图2所示，一种真随机数产生电路，包括：电流积分器10、二阶低通滤波器20和比较器30。

[0034] 其中，电流积分器10用于在数据信号 的控制下输出积分电压 。二阶低通滤波器20用于对积分电压 进行低通滤波而获得毫伏级及以下的输入电压 。比较器30具有接收输入电压 的第一输入端以及接收参考电压 的第二输入端，比较器30用于接收输出电压输入电压 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30等效的输入噪声 的
作用下输出数据信号 ，通过数据信号 再对电流积分器10进行控制。

[0035] 如图3所示，为了使产生的数据具有随机性，则需要让随机的噪声改变比较器30输出的数据信号 。在本实施例中，输入电压 的噪声 、参考电压 的噪声 以及比较器30等效的输入噪声 之和在随机时间段内大于比较
器30的差分输入电压 （忽略比较器30的输入失调电压），差分输入电压 即输入电压 和参考电压 的差值，比较器30等效的输入噪声 为比较器30
受电流积分器10的充放电、内部器件噪声、电特性以及环境温度、电源电压、外部的电磁干扰等因素影响产生的总噪声。该随机时间段越长越好以使得噪声更能影响数据信号，差分输入电压 = ，即
。为了达到该效果，则需要将输入电
压 的波动衰减至毫伏级以下。

[0036] 如图2所示，电流积分器10包括充电单元11、放电单元12、积分单元13和反相器A。

[0037] 充电单元11用于在数据信号 的控制下提供积分单元13充电的充电电流。放电单元12用于在数据信号 的控制下提供积分单元13放电的放电电流 。积分单元13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 。

[0038] 其中，充电单元11包括相连的第一恒流源 和充电开关 ，充电开关 的闭合和断开由数据信号 控制。放电单元12包括相连的第二恒流源 和放电开关 ，放电开关 的闭合和断开由数据信号 控制。

[0039] 第一恒流源 的第一端与电源电压相连，第一恒流源 的第二端与充电开关的第一端相连，充电开关 的第二端与放电开关 的第一端相连，放电开关 的第二端与第二恒流源 的第一端相连，第二恒流源 的第二端与地相连。

[0040] 反相器A的输入端与比较器30的输出端相连以接收数据信号 ，反相器A的输出端与充电单元11或放电单元12相连，以使得充电单元11和放电单元12不交叠地工作。

[0041] 在本实施例中，比较器30的输出端与放电开关 相连，数据信号 直接控制放电开关 的闭合和断开。反相器A的输出端与充电开关 相连，数据信号 在经反相器A反相后控制充电开关 的闭合和断开。通过设置反相器A从而使得在放电开关闭合时，充电开关 断开，放电开关 断开时，充电开关 闭合，从而形成放电开关 和充电开关 交替断开和闭合，以达到不交叠地产生充电电流 和放电电流的效果。

[0042] 在其他实施例中，反相器A的输出端可以不与充电开关 相连而与放电开关相连。

[0043] 在本实施例中，通过第一恒流源 输出充电电流 ，通过第二恒流源 输出放电电流 ，则比较器30输出的数据信号 的平均占空比为： ；可以看出数据信号 的平均值不再与比较器30的参考电压 保持一致，但是，产生数据信号的随机性仍然受参考电压 上的噪声 的影响。

[0044] 如图2所示，积分单元13包括积分电容 ，积分电容 的第一端与充电开关的第二端和放电开关 的第一端相连。积分电容 的第二端与地相连，积分电容通过充电电流 进行充电，积分电容 通过放电电流 进行放电，从而基于对不交叠的充电电流 和放电电流 的差值进行积分而在积分电容 的第一端形成积分电压 。

[0045] 在本实施例中，电流积分器10基于数据信号 的控制能够输出直流分量被放大、高频成分被衰减的积分电压 ，确保数据信号 的直流分量与参考电压的直流分量一致，从而既大大地增强了二阶低通滤波器20的最终输入电压 对数据信号 的直流成分的敏感度，又增加了对数据信号 中高频成分的衰减，从而能够有效防止数据信号 的死锁。

[0046] 如图2所示，二阶低通滤波器20为二阶开关电容低通滤波器。

[0047] 具体的，二阶低通滤波器20包括多个开关和电容，开关依次串联于电流积分器10的输出端与比较器30的第一输入端之间，各相邻两个开关的相连接端以及开关与比较器30的第一输入端的相连接端分别与电容的第一端相连，电容的第二端与地相连。

[0048] 本实施例中的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 。

[0049] 第一开关 的第一端与电流积分器10的输出端相连，即第一开关 的第一端与积分电容 的第一端相连。第一开关 的第二端与第二开关 的第一端相连，第二开关的第二端与第三开关 的第一端相连，第三开关 的第二端与第四开关 的第一端相连，第四开关 的第二端与比较器30的第一输入端相连。

[0050] 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，第一电容 的第二端与地相连，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，第二电容 的第二端与地相连。第二电容 的第一端输出电压 。

[0051] 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，第三电容 的第二端与地相连，第四电容 的第二端与第四开关 的第二端和比较器30的第一输入端相连，第四电容 的第二端与地相连。

[0052] 在本实施例中，第一开关 和第三开关 同步动作，第二开关 和第四开关同步动作，并通过两相不交叠时钟信号 和 进行控制。

[0053] 积分电容 、第一开关 、第一电容 、第二开关 、第二电容 、第三开关、第三电容 、第四开关 和第四电容 相连组成三阶低通滤波器，从而使得真随机数产生电路具有三阶的低通滤波特性，因此在避免使用过大的片上电容的前提下，满足了降低输入电压 的波动幅度的要求。

[0054] 三阶低通滤波器对应的低通滤波的传递函数为：，其中，为离散时间域分析的变量，即
，为频率变量， 为两相不交叠时钟信号 和 的频率。且该传递函数中的
各个电容的值之间满足关系： ， ，以及 ， 为第一电容 的电
容值， 为第二电容 的电容值， 为第三电容 的电容值， 为第四电容 的电容值， 为积分电容 的电容值。

[0055] 图4为图1中的传统的真随机数产生电路与图2中的本发明真随机数产生电路中的低通滤波器的传输函数幅频特性的对比。

[0056] 其中，所用的仿真参数为： ，采用的图1中电容 ，电容，而采用的图3中的积分电容 ，
，
。根据图4的仿真结果显示，本发明真随机数
产生电路中由于增加了电流积分器10，对数据信号 中大于 的高频分量的衰减增加了至少60dB。同时，本发明真随机数产生电路增强了比较器30对数据信号 的直流分量的敏感度，从而避免了传统真随机数产生电路中数据信号 可能死锁的问题。

[0057] 图5是传统真随机数产生电路中比较器30的差分输入电压值分布图的仿真结果，图6是本发明真随机数产生电路中比较器30的差分输入电压值分布图的仿真结果。通过图5和图6的仿真结果比对可见，在低通滤波器的总电容值从 减小到20pF的情况下，本发明真随机数产生电路中比较器30的差分输入电压的方差Std Dev（standard deviation）比传统真随机数产生电路中比较器30的差分输入电压的方差Std Dev减小了约一半。

[0058] 图7是传统真随机数产生电路输出真随机数的频谱。图8是本发明真随机数产生电路输出真随机数的频谱。从图7中看出，尽管使用了高达 的电容，传统真随机数产生电路产生的真随机数的随机性比较差，因为其频谱具有一阶高通整形（1st‑order high‑pass shaped）的特性。这是因为当比较器的输入差分电压偏大时，比较器的输出数据在大部分时间里都不是由随机噪声决定的。在这种情况下，数据信号 具有一阶 调制数据的特点。而图8中所示的本发明真随机数产生电路所产生的真随机数的频谱近似于均匀的白噪声特性。这说明了本发明真随机数产生电路所产生的真随机数更理想、更具有统计意义上的随机性（statistical randomness）。

[0059] 本发明还公开了一种芯片，包括上述真随机数产生电路。

[0060] 前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。