TWI858341B - 隨機數產生電路 - Google Patents
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Abstract
一種隨機數產生電路，包括：一雜訊電壓產生器，用以將一外部電壓轉換為一雜訊電壓；一壓控振盪器，用以接收該雜訊電壓，並依據該雜訊電壓以產生一第一時脈信號；一環形振盪器，用以產生一取樣時脈信號；以及一D型正反器，用以接收該第一時脈信號，並以該取樣時脈信號對該第一時脈信號進行取樣以得到一輸出數位信號，其中該輸出數位信號表示一隨機數。
Description
本發明係有關於電子電路，特別是有關於一種隨機數產生電路。
隨機數產生器(random number generator，RNG)在許多不同的應用中均扮演了重要角色，例如加密應用(cryptographic applications)、統計運算、動態隨機存取記憶體(DRAM)之列敲打(row hammer)機制等等。然而，傳統的隨機數產生器之相關電路，例如線性回饋位移暫存器、環形振盪器基礎式的亂數產生器等等，其所產生出的數字往往並非真正的隨機數，而是具有確定性/週期性的偽隨機數(pseudo-random number)。
有鑑於此，本發明係提出一種隨機數產生電路以解決上述問題。
本發明係提供一種隨機數產生電路，包括：一雜訊電壓產生器，用以將一外部電壓轉換為一雜訊電壓；一壓控振盪器，
用以接收該雜訊電壓，並依據該雜訊電壓以產生一第一時脈信號；一環形振盪器，用以產生一取樣時脈信號；以及一D型正反器，用以接收該第一時脈信號，並以該取樣時脈信號對該第一時脈信號進行取樣以得到一輸出數位信號，其中該輸出數位信號表示一隨機數。
100:隨機數產生電路
110:雜訊電壓產生器
112:電源雜訊放大器
114:溫度反向參考電壓電路
116:運算放大器
120:壓控振盪器
130:環形振盪器
140:D型正反器
1121:運算放大器
1301:反及閘
1302、1303:反向器
VP、VT、VA、VB:電壓
V1:雜訊電壓
VMIX:參考電壓
VEXT:外部電壓
VDD:電源電壓
R1-R7:電阻
N1-N7:節點
C1-C4:電容
D1:二極體
EN:致能信號
f1、f2’:時脈信號
f2:取樣時脈信號
fmix:輸出數位信號
D:資料端
CLK:時脈輸入端
Q:輸出端
第1圖係顯示依據本發明一實施例中之隨機數產生電路的方塊圖。
第2圖為依據本發明一實施例中之電源雜訊放大器及溫度反向參考電壓電路的電路圖。
第3A圖為依據本發明一實施例中之電壓VT與溫度之關係的示意圖。
第3B圖為依據本發明一實施例中之電壓VT、VP的示意圖。
第3C圖為依據本發明一實施例中之參考電壓VMIX的示意圖。
第4圖為依據本發明一實施例中之環形振盪器的示意圖。
第5圖為依據本發明第1圖實施例中之D型正反器之取樣操作的波形圖。
以下說明係為完成發明的較佳實現方式，其目的在於描述本發明的基本精神，但並不用以限定本發明。實際的發明內容必須參考之後的申請專利範圍。
第1圖為依據本發明一實施例中之隨機數產生電路的方塊圖。
如第1圖所示，隨機數產生電路100包括雜訊電壓產生器110、壓控振盪器(voltage-controlled oscillator)120、環形振盪器(ring oscillator)130及D型正反器140。雜訊電壓產生器110係用以將外部電壓VEXT轉換為雜訊電壓V1，並將雜訊電壓V1提供至壓控振盪器120。
壓控振盪器120係依據雜訊電壓V1以產生不規律的時脈信號f1。環形振盪器130係用以產生一取樣時脈信號(sample clock signal)f2，其中取樣時脈信號f2為規律的時脈信號。
此外，取樣時脈信號f2提供至D型正反器140的時脈輸入端CLK以對資料端D所輸入的時脈信號f1進行取樣，並且在輸出端Q產生輸出數位信號fmix，其中輸出數位信號fmix即為隨機數。
雜訊電壓產生器110包括電源雜訊放大器112、溫度反向(complementary to absolute temperature，CTAT)參考電壓電路114及運算放大器116。電源雜訊放器112係用以放大外部電壓VEXT之電源雜訊以產生電壓VP，且溫度反向參考電壓電路114則透過環境溫度以產生電壓VT，其中電壓VT係與絕對溫度(absolute temperature)成反比。電壓VP經過電容C1以在節點N1與電壓VT進行混合以得到一參考電壓VMIX。
運算放大器116例如可做為整壓器(voltage regulator)，其中參考電壓VMIX係輸入至運算放大器116之正輸入端，且運算放大器116之輸出端(節點N2)所產生之雜訊電壓V1經過電阻R2及R3所構成之回授路徑以輸入至運算放大器116之負輸入端。舉例來說，雜訊電壓V1及參考電壓VMIX之關係式如式(1)所示：
因此，由式(1)可推得雜訊電壓
。
詳細而言，環境溫度之特性是相對數值變化較慢，故電壓VT可決定時脈信號f1的基本頻率。此外，電源雜訊的特性是瞬間變化較快，故電壓VP會短暫地改變時脈信號f1的頻率。
壓控振盪器120係使用雜訊電壓V1以產生不規律的時脈信號f1，且時脈信號f1的頻率會受到外部環境影響，例如外部電壓、環境溫度、晶片製程特性等等，但並未考慮熱雜訊(thermal noise)。環形振盪器130可自動產生取樣時脈信號f2，且取樣時脈信號f2之頻率係由環形振盪器130之內部電路所決定。此外，壓控振盪器120及環形振盪器130均是由致能信號EN所控制。當致能信號EN處於高邏輯狀態，壓控振盪器120及環形振盪器130係處於工作狀態以分別產生時脈信號f1及取樣時脈信號f2。當致能信號EN處於低邏輯狀態，壓控振盪器120及環形振盪器130關閉。
需注意的是，本發明可利用雜訊電壓產生器110之設計即可將電源雜訊及環境溫度轉換為相應的雜訊電壓V1，並且壓控
振盪器可依據雜訊電壓V1(例如為類比信號)以產生時脈信號f1(例如為數位信號)，上述設計並不需要使用類比至數位轉換器(analog-to-digital converter)以將熱雜訊轉換為數位信號。
第2圖為依據本發明一實施例中之電源雜訊放大器及溫度反向參考電壓電路的電路圖。請同時參考第1圖及第2圖。
如第2圖所示，在一實施例中，電容C2之第一端及第二端係分別連接至外部電壓VEXT及節點N3，且電阻R4之第一端及第二端分別連接至外部電壓VEXT及節點N3。節點N3具有電壓VA，且電壓VA係輸入至運算放大器1121的正輸入端(+)。在節點N3之電壓VA經過電阻R6及電容C3所構成之RC電路以在節點N4產生電壓VB，且電壓VB係輸入至運算放大器1121的負輸入端(-)。因為電阻R6及電容C3所構成之RC電路可視為低通濾波器，故可將電源雜訊變化程度較大的電壓VA轉換為電源雜訊變化程度較小的電壓VB。電壓VA及電壓VB之差值經過運算放大器1121放大後可在運算放大器1121之輸出端(節點N5)得到電壓VP。
在一實施例中，溫度反向參考電壓電路114例如可用二極體D1、電容C4及電阻R7所實現，其中二極體D1亦可用雙載子電晶體(BJT)或場效電晶體(FET)以二極體之連接方式所實現，例如NPN雙載子電晶體之集極與基極可同時連接至節點N6，且NPN雙載子電晶體之射極接地，即可等效視為二極體D1。
若採用N型金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)，則可將該電晶體之閘極與汲極同時連接至節點N6，且
該電晶體之源極接地，即可等效視為二極體D1。因此，溫度反向參考電壓電路114可在節點N6得到具有負溫度係數的電壓VT。意即，當環境溫度(絕對溫度)愈高，電壓VT愈低，當環境溫度(絕對溫度)愈低，電壓VT愈高，其中上述關係式如第3A圖所示。
詳細而言，電壓VT經過電阻R1後可在節點N1產生參考電壓VMIX之直流位準(DC level)，且電壓VP經過電容C1擾動後可在節點N1得到參考電壓VMIX之暫態位準(transient level)。如第3B圖所示，電壓VP之雜訊變化程度較高，其可視為參考電壓VMIX之暫態位準。電壓VT雖然會隨著環境溫度而改變，但因為環境溫度之變化緩慢，故電壓VT約略可維持在定值。因此，參考電壓VMIX可視為將上述暫態位準疊加於上述直流位準上，如第3C圖所示。需注意的是，本發明中之隨機數產生電路100係分別利用電源雜訊及溫度以做為雜訊來源，而不使用熱雜訊。
此外，隨機數產生電路100中的雜訊電壓產生器110係使用二極體、電阻及電容以生成雜訊源，且不需要複雜的類比至數位轉換器或溫度感測器，故在積體電路中實現的面積成本較低。
第4圖為依據本發明一實施例中之環形振盪器的示意圖。
在一實施例中，環形振盪器130例如可用反及閘(NAND)1301、複數個反向器1302及1303所實現，且電源電壓VDD係提供至反及閘1301及反向器1302-1303以供進行操作，其中電源電壓VDD例如可為外部電壓VEXT。反及閘1301之第一輸入
端係接收致能信號EN，且其第二輸入端則接收最後一級的反向器1302之輸出端所產生的時脈信號f2’。
舉例來說，當致能信號EN處於低邏輯狀態時，反及閘1301之輸出端會持續處於高邏輯狀態，故此時環形振盪器130無法產生振盪。當致能信號EN處於高邏輯狀態時，反及閘1301之輸出信號為其第二輸入端之輸入信號之反相信號，故此時反及閘1301可視為反向器。因此，反及閘1301及偶數級的反向器1302整體可構成奇數級的反向器進行串接，故可持續進行振盪並且在最後一級的反向器1302之輸出端得到時脈信號f2’。舉例來說，反向器1302具有2N個數量，且N為正整數。
時脈信號f2’經過反向器1303後即可得到取樣時脈信號f2。本發明領域中具有通常知識者當可了解可透過調整反向器1302之級數及電晶體之尺寸以改變環形振盪器130之振盪頻率(即：取樣時脈信號f2之頻率)，故其細節於此不再詳述。
第5圖為依據本發明第1圖實施例中之D型正反器之取樣操作的波形圖。請同時參考第1圖及第5圖。
如第5圖所示，當致能信號EN處於高邏輯狀態時，壓控振盪器120及環形振盪器130開始產生振盪以分別產生時脈信號f1及取樣時脈信號f2，其中時脈信號f1為不規律的時脈信號，且取樣時脈信號f2為規律的時脈信號。取樣時脈信號f2提供至D型正反器140的時脈輸入端CLK以對資料端D所輸入的時脈信號f1進行取樣，並且在輸出端Q產生輸出數位信號fmix。
詳細而言，D型正反器140在取樣時脈信號f2的正緣(rising edge)對時脈信號f1進行取樣。因為時脈信號f1為不規律的時脈信號，所以每當取樣時脈信號f2處於正緣時，D型正反器140在其輸出端Q所得到的輸出數位信號fmix亦包含不規律的數值0或1。換言之，輸出數位信號fmix為隨機數。
綜上所述，本發明提供一種隨機數產生電路，其可分別利用電源雜訊及溫度以做為雜訊來源，而不使用熱雜訊。此外，本發明之隨機數產生電路係使用二極體、電阻及電容以生成雜訊源，且不需要複雜的類比至數位轉換器或溫度感測器，故在積體電路中實現的面積成本較低。此外，隨機數產生電路所產生的隨機數會受電源雜訊、溫度及製程所影響，故不易出現規律性，且其效果接近真實的隨機數。
本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100:隨機數產生電路
110:雜訊電壓產生器
112:電源雜訊放大器
114:溫度反向參考電壓電路
116:運算放大器
120:壓控振盪器
130:環形振盪器
140:D型正反器
VP、VT:電壓
V1:雜訊電壓
VMIX:參考電壓
R1-R3:電阻
N1-N2:節點
C1:電容
EN:致能信號
f1:時脈信號
f2:取樣時脈信號
fmix:輸出數位信號
D:資料端
CLK:時脈輸入端
Q:輸出端
Claims (10)
- 一種隨機數產生電路，包括：一雜訊電壓產生器，用以將一外部電壓轉換為一雜訊電壓；一壓控振盪器，用以接收該雜訊電壓，並依據該雜訊電壓以產生一第一時脈信號；一環形振盪器，用以產生一取樣時脈信號，其中該取樣時脈信號不受外部環境影響；以及一D型正反器，用以接收該第一時脈信號，並以該取樣時脈信號對該第一時脈信號進行取樣以得到一輸出數位信號，其中該輸出數位信號表示一隨機數。
- 如請求項1之隨機數產生電路，其中該雜訊電壓產生器包括：一電源雜訊放大器，用以放大該外部電壓之電源雜訊以生第一電壓；一溫度反向參考電壓電路，用以透過該隨機數產生電路之環境溫度以產生第二電壓；以及一第一運算放大器；其中該第一電壓係透過第一電容以連接至該第一運算放大器之正輸入端，且該第二電壓係透過第一電阻以連接至該第一運算放大器之該正輸入端，其中該第一運算放大器所輸出之該雜訊電壓係透過一回授路徑以輸入至該第一運算放大器之負輸入端。
- 如請求項2之隨機數產生電路，其中該第二電壓具有負溫度係數。
- 如請求項2之隨機數產生電路，其中該第一電壓表示一參考電壓之暫態位準，且該第二電壓表示該示該參考電壓之直流位準。
- 如請求項2之隨機數產生電路，其中該回授路徑包括一第二電阻及一第三電阻，且該第二電阻之第一端及第二端分別連接至第二節點及該第一運算放大器之該負輸入端，且該第三電阻之第一端及第二端分別連接至該第一運算放大器之該負輸入端及接地端，其中該第二節點為該第一運算放大器之輸出端。
- 如請求項2之隨機數產生電路，其中該電源雜訊放大器包括第二運算放大器，且該外部電壓透過並聯的第二電容及第四電阻以連接至第三節點，且該第三節點連接至該第二運算放大器之正輸入端，其中，第五電阻之第一端及第二端分別連接至該第三節點及接地端，且該第三節點係透過第六電阻及第三電容所組成的低通濾波器以連接至該第二運算放大器之負輸入端。
- 如請求項2之隨機數產生電路，其中該溫度反向參考電壓電路包括一第七電阻、一二極體以及一第四電容，其中該第七電阻之第一端及第二端分別連接至該外部電壓及第六節點， 其中該二極體之陽極及陰極分別連接至該第六節點及接地端，且該第四電容之第一端及第二端分別連接至該第六節點及該接地端，其中該第六節點為該溫度反向參考電壓電路之輸出端。
- 如請求項1之隨機數產生電路，其中該壓控振盪器及該環形振盪器係由一致能信號所控制，且當該致能信號處於高邏輯狀態，該壓控振盪器及該環形振盪器係處於工作狀態以分別產生該第一時脈信號及該取樣時脈信號，其中當該致能信號處於低邏輯狀態，該壓控振盪器及該環形振盪器關閉。
- 如請求項8之隨機數產生電路，其中該環形振盪器包括依序串接的一反及閘、複數個第一反向器、及一第二反向器，其中該致能信號及該等第一反向器中的最後一個反向器所產生的第二時脈信號係輸入至該反及閘，且該等第一反向器具有2N個數量，且N為正整數，其中該第二時脈信號係輸入至該第二反向器以得到該取樣時脈信號。
- 如請求項1之隨機數產生電路，其中該D型正反器，在該取樣時脈信號之正緣對該第一時脈信號進行取樣以得到該輸出數位信號。
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