一種隨機數發生器制造技術

本發明專利技術涉及了一種隨機數發生器，該隨機數發生器包括異步逐次逼近型模數轉換器，且具體包括：采樣開關、電容陣列數模轉換器、比較器和邏輯控制器，其中，采樣開關用于在上半時鐘周期對輸入電壓信號進行采樣，并通過電容陣列數模轉換器接入比較器，在下半時鐘周期對所采樣的輸入電壓信號進行鎖存以得到保持信號；比較器用于在邏輯控制器的控制下，對保持信號及電容陣列數模轉換器上的電壓信號進行比較；邏輯控制器用于根據比較結果產生最高位數字碼，且控制電容陣列數模轉換器開始電荷重分布，并控制比較器重新進行比較，直至產生最低位數字碼，而且，所產生的最低位數字碼在噪聲達到預設值時為隨機數。實施本發明專利技術的技術方案，功耗低且電路簡單。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及芯片信息安全領域，尤其涉及一種隨機數發生器。
技術介紹
通常，實現隨機數發生器的方式有軟件和硬件兩種：前者稱為偽隨機數發生器，由一個稱為“種子”的初始狀態開始，通過一個確定的算法來生成隨機數，一旦給定算法和種子值，序列輸出就是確定的，對密碼系統來說，這是危險的，容易受到攻擊；硬件隨機數發生器稱為物理真隨機數發生器(PTRNG)，它依托的是自然界物理現象的隨機特性，例如電阻和二極管的熱噪聲，對于PTRNG來說，不存在初始序列或種子，沒有哪種算法可預先決定下一個輸出是什么，因此，大多數密鑰都是來自于真隨機數發生器的輸出。電路系統中常見的真隨機數的產生方法分為以下三種：(1)噪聲源直接放大法該方法的原理是：放大并比較噪聲源電路中產生的熱噪聲，根據事先的設計，由比較的結果來產生“0”或“1”的隨機序列。該方法在單片系統中應用的比較廣泛。它的優點是可以屏蔽其他噪聲源，但是該方法無法屏蔽電路中的電源噪聲和襯底信號的影響，因而極大的限制它應用范圍。(2)抖動振蕩器采樣法振蕩采樣法的原理是：利用獨立振蕩器中存在的相位噪聲以及器件中所存在的差異性來產生隨機數。如圖1所示，該方法中至少有兩個頻率不同的振蕩器，低頻振蕩器會在自己的時鐘上升沿控制D觸發器對高頻振蕩器的信號進行采樣。由于高頻振蕩器的振動頻率遠遠大于低頻振蕩器，因此其輸出是具有不確定性的，理論上每次采樣可以得到一個隨機位，但是該方法必須要適當選擇兩個振蕩器的頻率之比，否則所得到的結果的統計特性可能會很差。這種技術在有非隨機噪聲存在時特別有效。然而，實踐表明，這種方法生成的隨機數在統計上是遠遠不夠的。所以通常需要加入偽隨機技術來加強輸出的隨機性。(3)離散時間的混沌系統映射這種方法的原理是：構造一個混沌系統，利用該系統來產生隨機數。比如，根據Bernoulli變換關系:Xn＝[2(Xn-1+e(n))]mod 1.0，來產生隨機序列。在混沌信號軌跡的偏離上加入高斯噪聲信號e(n)，目的是使整個輸出序列更加的不可預測。該系統雖然是一種好的真隨機數發生器，但是，其代價是電路復雜性大大增加。
技術實現思路
本專利技術要解決的技術問題在于，針對現有技術的上述功耗大、電路結構復雜的缺陷，提供一種功耗低且電路簡單的隨機數發生器。本專利技術解決其技術問題所采用的技術方案是：構造一種隨機數發生器，包括異步逐次逼近型模數轉換器，而且，所述異步逐次逼近型模數轉換器包括：采樣開關、電容陣列數模轉換器、比較器和邏輯控制器，其中，所述采樣開關，用于在上半時鐘周期對輸入電壓信號進行采樣，并通過所述電容陣列數模轉換器接入所述比較器，在下半時鐘周期對所采樣的輸入電壓信號進行鎖存，以得到保持信號；所述比較器，用于在所述邏輯控制器的控制下，對所述保持信號及電容陣列數模轉換器上的電壓信號進行比較；邏輯控制器，用于根據比較結果產生最高位數字碼，且根據比較結果控制所述電容陣列數模轉換器開始電荷重分布，并控制所述比較器重新進行比較，直至產生最低位數字碼，而且，所產生的最低位數字碼在噪聲達到預設值時為隨機數。優選地，所述電容陣列數模轉換器包括同相電容陣列和反相電容陣列，所述同相電容陣列包括N個同相電容和N-1個同相選擇開關，所述反相電容陣列包括N個反相電容和N-1個反相選擇開關，其中，N為模數轉換的位數；而且，第N個同相電容的電容值為Co，且所述第N個同相電容的上極板連接所述比較器的同相輸入端，所述第N個同相電容的下極板接入參考地；第i個同相電容的電容值為：Co*2N-i-1，所述第i個同相電容的上極板分別連接所述比較器的同相輸入端，所述第i個同相電容的下極板分別與第i個同相選擇開關的固定端相連，所述第i個同相選擇開關的第一選擇端分別接入參考電壓，所述第i個同相選擇開關的第二選擇端分別接入參考地，所述第i個同相選擇開關的控制端分別連接所述邏輯控制器的相應輸出端，i＝1、2、…N-1；第N個反相電容的電容值為Co，且所述第N個反相電容的上極板連接所述比較器的反相輸入端，所述第N個反相電容的下極板接入參考地；第i個反相電容的電容值為：Co*2N-i-1，所述第i個反相電容的上極板分別連接所述比較器的反相輸入端，所述第i個反相電容的下極板分別與第i個反相選擇開關的固定端相連，所述第i個反相選擇開關的第一選擇端分別接入參考電壓，所述第i個反相選擇開關的第二選擇端分別接入參考地，所述第i個反相選擇開關的控制端分別連接所述邏輯控制器的相應輸出端，i＝1、2、…N-1；而且，若所述比較器第k次比較的比較結果為同相電壓電壓大于反相電壓，則所述邏輯控制器所輸出的第k位數字碼為1，并通過控制第k個同相選擇開關將所述第k個同相電容的下極板切換到參考地；若所述比較器第k次比較的比較結果為同相電壓電壓小于反相電壓，則所述邏輯控制器所輸出的第k位數字碼為0，并通過控制第k個反相選擇開關將所述第k個反相電容的下極板切換到參考地；其中，k＝1、2、…、N-1。優選地，所述同相電容和所述反相電容的容值小于1pF。優選地，所述比較器包括相連的差分運放及鎖存器。優選地，所述差分運放包括N溝道型MOS管Q11、Q12和P溝道型MOS管Q21、Q22、Q23，其中，MOS管Q11的柵極和MOS管Q12的柵極分別接入所述邏輯控制器所輸出的比較時鐘信號，MOS管Q11的源極和MOS管Q12的源極分別接電源電壓，MOS管Q11的漏極接MOS管Q21的漏極，MOS管Q12的漏極接MOS管Q22的漏極，MOS管Q21的柵極為所述比較器的同相輸入端，MOS管Q22的柵極為所述比較器的反相輸入端，MOS管Q21的源極和MOS管Q22的源極分別接MOS管Q23的漏極，MOS管Q23的源極接地，MOS管Q23的柵極接入所述邏輯控制器所輸出的比較時鐘信號。優選地，所述鎖存器包括N溝道型MOS管Q13、Q14、Q15、Q16及P溝道型MOS管Q24、Q25、Q26、Q27，其中，MOS管Q13的源極和MOS管Q14的源極分別接電源電壓，MOS管Q13的漏極接MOS管Q15的源極，MOS管Q15的柵極接MOS管Q12的漏極，MOS管Q15的漏極分別接MOS管Q24的漏極、MOS管Q25的漏極、MOS管Q14的柵極、MOS管Q26的柵極，MOS管Q24的源極、MOS管Q25的源極、MOS管Q26的源極和MOS管Q27的源極分別接地，MOS管Q24的柵極和MOS管Q27的柵極分別接入所述比較時鐘信號；MOS管Q14的漏極接MOS管Q16的源極，MOS管Q16的柵極接MOS管Q11的漏極，MOS管Q16的漏極分別接MOS管Q26的漏極、MOS管Q27的漏極、MOS管Q13的柵極、MOS管Q25的柵極。實施本專利技術的技術方案，每一個時鐘周期都可以輸出一比特真隨機數，所以不需要工作在很高的時鐘頻率下，從而可以降低功耗，電路結構也較為簡單。附圖說明為了更清楚地說明本專利技術實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本專利技術的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。附圖中：圖1是現有技術中的一種隨機數發生器的邏輯結構圖；圖2A是RC濾波器的本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種隨機數發生器，其特征在于，包括異步逐次逼近型模數轉換器，而且，所述異步逐次逼近型模數轉換器包括：采樣開關、電容陣列數模轉換器、比較器和邏輯控制器，其中，所述采樣開關，用于在上半時鐘周期對輸入電壓信號進行采樣，并通過所述電容陣列數模轉換器接入所述比較器，在下半時鐘周期對所采樣的輸入電壓信號進行鎖存，以得到保持信號；所述比較器，用于在所述邏輯控制器的控制下，對所述保持信號及電容陣列數模轉換器上的電壓信號進行比較；邏輯控制器，用于根據比較結果產生最高位數字碼，且根據比較結果控制所述電容陣列數模轉換器開始電荷重分布，并控制所述比較器重新進行比較，直至產生最低位數字碼，而且，所產生的最低位數字碼在噪聲達到預設值時為隨機數。

【技術特征摘要】
1.一種隨機數發生器，其特征在于，包括異步逐次逼近型模數轉換器，而且，所述異步逐次逼近型模數轉換器包括：采樣開關、電容陣列數模轉換器、比較器和邏輯控制器，其中，所述采樣開關，用于在上半時鐘周期對輸入電壓信號進行采樣，并通過所述電容陣列數模轉換器接入所述比較器，在下半時鐘周期對所采樣的輸入電壓信號進行鎖存，以得到保持信號；所述比較器，用于在所述邏輯控制器的控制下，對所述保持信號及電容陣列數模轉換器上的電壓信號進行比較；邏輯控制器，用于根據比較結果產生最高位數字碼，且根據比較結果控制所述電容陣列數模轉換器開始電荷重分布，并控制所述比較器重新進行比較，直至產生最低位數字碼，而且，所產生的最低位數字碼在噪聲達到預設值時為隨機數。2.根據權利要求1所述的隨機數發生器，其特征在于，所述電容陣列數模轉換器包括同相電容陣列和反相電容陣列，所述同相電容陣列包括N個同相電容和N-1個同相選擇開關，所述反相電容陣列包括N個反相電容和N-1個反相選擇開關，其中，N為模數轉換的位數；而且，第N個同相電容的電容值為Co，且所述第N個同相電容的上極板連接所述比較器的同相輸入端，所述第N個同相電容的下極板接入參考地；第i個同相電容的電容值為：Co*2N-i-1，所述第i個同相電容的上極板分別連接所述比較器的同相輸入端，所述第i個同相電容的下極板分別與第i個同相選擇開關的固定端相連，所述第i個同相選擇開關的第一選擇端分別接入參考電壓，所述第i個同相選擇開關的第二選擇端分別接入參考地，所述第i個同相選擇開關的控制端分別連接所述邏輯控制器的相應輸出端，i＝1、2、…N-1；第N個反相電容的電容值為Co，且所述第N個反相電容的上極板連接所述比較器的反相輸入端，所述第N個反相電容的下極板接入參考地；第i個反相電容的電容值為：Co*2N-i-1，所述第i個反相電容的上極板分別連接所述比較器的反相輸入端，所述第i個反相電容的下極板分別與第i個反相選擇開關的固定端相連，所述第i個反相選擇開關的第一選擇端分別接入參考電壓，所述第i個反相選擇開關的第二選擇端分別接入參考地，所述第i個反相選擇開關的控制端分別連接所述邏輯控制器的相應輸出端，i＝1、2、…N-1；而且，若所述比較器第k次比較的比較結果為同相電壓電壓大于反相電壓，則...

【專利技術屬性】
技術研發人員：唐枋，曾廣旺，李明東，周喜川，胡盛東，甘平，李世平，殷鵬，陳卓，陳銀暉，譚躍，王忠杰，黃莎琳，舒洲，葉楷，
申請(專利權)人：深圳華視微電子有限公司，
類型：發明
國別省市：廣東;44