[发明专利]基于环型振荡器的真随机数发生电路及真随机数发生器

说明书

技术领域

本发明属于集成电路设计技术领域，尤其涉及一种基于环型振荡器的真 随机数发生电路及真随机数发生器。

背景技术

真随机数又称作数字物理噪声源，它是一切密码技术的安全源泉，可以 认为它是一种无限长的比特流。利用集成电路获取真随机数是当前真随机数 最主要的获取方式之一。能够产生真随机数输出的器件被称为真随机数产生 器。

通过集成电路实现真随机数产生器的方法主要有三类：一是基于混沌的 离散时间序列法；二是直接放大热噪声法；三是基于振荡器的采样法。第一 种基于混沌的离散时间序列法虽然能得到较好的随机性，但是其设计复杂度 和电路复杂度都很高，功耗和面积很大，输出比特流的速率低。第二种直接 放大法通常采用对电阻热噪声进行放大采样的方法，但是集成电路里缺乏对 来自电源和衬底噪声的屏蔽，使得随机数产生器对于信号的耦合非常敏感， 随机比特流的随机性也因此受到影响。相对于前面两种方法，第三种基于振 荡器采样法的电路复杂度大大降低，功耗和面积小，并且易于片上系统的实 现。振荡器采样法通过对振荡器的相位抖动采样来得到随机序列，相位抖动 来源于电路中存在的各种噪声。典型的方法是通过低频采样时钟对高频振荡 电路产生的波形进行采样。由于相位抖动随着时间的增加有累积的效果，因 此可以通过调整采样时钟的频率来调整电路的随机性。然而实验表明，经典 的振荡器采样法产生的序列不足以满足随机性的要求，因此通常加入后处理 电路以改善随机序列的随机性。

本发明以振荡器采样法为基础，提出一种高速、高性能、易于ASIC实现 的真随机数产生器。本发明摆脱了经典电路中随机比特流产生速度较慢的相 位抖动累积方法，而是把两个频率可控的高频环形振荡电路输出的波形进行 异或操作，用一个低频环形振荡电路对异或后的波形进行采样得到随机比特 流。随机比特流经过电阻分压后产生的随机控制电压反馈回高频环形振荡电 路，进而控制振荡频率发生随机变化。整体电路的设计采用三级结构，形成 多级反馈控制环路，这种多级电路间振荡频率的相互控制使得整体电路能更 快进入不可预测的状态，从而得到随机性更好的随机比特流。为了使振荡电 路能正常、快速起振，发明中还设计了启动电路。

发明内容

本发明的目的在于，针对背景技术中介绍的目前使用振荡器采样法实现真 随机数电路存在的缺陷，提出一种基于环型振荡器的真随机数发生电路及真随 机数发生器，用以克服上述缺陷。

本发明的技术方案是，一种基于环型振荡器的真随机数发生电路，其特征 是所述真随机数发生电路包括顺序连接的振荡采样电路、后处理电路和控制电 压产生电路；

所述振荡采样电路包括，带有第一电压控制输入端的第一高频环形振荡电 路、带有第二电压控制输入端的第二高频环形振荡电路和一个低频环形振荡电 路；所述第一高频环形振荡电路和第二高频环形振荡电路的振荡频率不同，并 且第一高频环形振荡电路和第二高频环形振荡电路的振荡频率可控；所述低频 环形振荡电路的振荡频率固定；

所述振荡采样电路，用于将第一高频环形振荡电路和第二高频环形振荡电 路输出的波形进行异或操作，再用低频环形振荡电路对异或操作后的波形进行 采样得到随机比特流；

所述后处理电路，采用移位异或电路对所述振荡采样电路产生的随机比特 流进行处理，用以提高随机比特流的随机性；

所述控制电压产生电路，通过分压电阻，将经过后处理电路处理的随机比 特流分压后产生的随机控制电压；并通过第一电压控制输出端和第二电压控制 输出端，将产生的所述随机控制电压反馈回所述第一高频环形振荡电路和第二 高频环形振荡电路，控制振荡频率发生随机变化。

所述第一高频环形振荡电路、第二高频环形振荡电路和低频环形振荡电路 采用差分CMOS环形振荡器。

所述第一高频环形振荡电路、第二高频环形振荡电路和低频环形振荡电路 采用单端互补CMOS环形振荡器。

所述第一高频环形振荡电路和第二高频环形振荡电路使用可变电阻改变 各自振荡频率。

所述可变电阻由CMOS开关管来实现，所述CMOS开关管工作在线性区。

所述第一高频环形振荡电路、第二高频环形振荡电路和低频环形振荡电路 还包括启动电路。

所述后处理电路采用三级移位异或后处理电路。