发明内容
本发明提供一种噪声型随机数生成装置,用以解决生成真随机数的速率较低的问题。
本发明的第一个方面是提供一种噪声型随机数生成装置,包括:噪声电流源和电流比较器,其中,
所述噪声电流源,包括:共源共栅电流源、电阻、第一共源放大器、第二共源放大器、第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第一电容和第二电容;
所述电阻的第一端分别与所述共源共栅电流源、所述第一共源放大器的栅极和所述第一电容的第一端连接,所述第一共源放大器的漏极分别与所述第一MOS管的漏极、所述第一MOS管的栅极和第二MOS管的栅极连接,所述第一MOS管的漏极和第二MOS管的栅极连接,以使所述第二MOS管的漏极输出第一电流;
所述电阻的第一端分别与所述第二共源放大器的栅极和所述第一电容的第一端连接,所述第二共源放大器的漏极分别与第三MOS管的漏极、所述第二电容的第一端、所述第三MOS管的栅极和所述第四MOS管的栅极连接,所述第二电容的第一端分别与所述第三MOS管的栅极和所述第四MOS管的栅极连接,所述第三MOS管的漏极和所述第四MOS管的栅极连接,以使所述第四MOS管的漏极输出第二电流;
所述第二MOS管的漏极和所述第四MOS管的漏极分别与所述电流比较器连接,以使所述第一电流和所述第二电流分别流入所述电流比较器,获得随机数列。
可选的,所述共源共栅电流源,还包括:第五MOS管和第六MOS管;
所述第五MOS管的漏极和所述第六MOS管的源极连接,所述第六MOS管的漏极分别与所述电阻的第一端、第一共源放大器的栅极和所述第一电容的第一端连接。
可选的,所述共源共栅电流源,还包括:第七MOS管、第八MOS管;
所述第七MOS管的栅极与所述第五MOS管的栅极连接,所述第八MOS管的栅极与所述第六MOS管的栅极连接,所述第八MOS管的漏极分别与所述第七MOS管的栅极和所述第五MOS管的栅极连接,所述第七MOS管的漏极与所述第八MOS管的源极连接。
可选的,所述共源共栅电流源,还包括:第九MOS管、第十MOS管、第十一MOS管和第十二MOS管;
所述第八MOS管的漏极与所述第九MOS管的漏极连接,所述第九MOS管的源极与所述第十MOS管的漏极连接,所述第十一MOS管的源极与所述第十二MOS管的漏极连接,所述第九MOS管的栅极与所述第十一MOS管的栅极连接,所述第十MOS管的栅极与所述第十二MOS管的栅极连接。
可选的,所述第一共源放大器为NMOS管;所述第二共源放大器为NMOS管。
可选的,所述第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管和第六MOS管均为PMOS管;第九MOS管、第十MOS管、第十一MOS管和第十二MOS管均为NMOS管。
可选的,所述电流比较器为高速电流比较器。
本发明提供的噪声型随机数生成装置,所述噪声电流源,包括:共源共栅电流源、电阻、第一共源放大器、第一镜像器、第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第一电容和第二电容;所述电阻的第一端分别与所述共源共栅电流源、所述第一共源放大器的栅极和所述第一电容的第一端连接,所述第一共源放大器的漏极分别与所述第一MOS管的漏极、所述第一MOS管的栅极和第二MOS管的栅极连接,所述第一MOS管的栅极和第二MOS管的栅极连接,以使所述第二MOS管的漏极输出第一电流;所述电阻的第一端分别与所述第二共源放大器的栅极和所述第一电容的第一端连接,所述第二共源放大器的漏极分别与第三MOS管的漏极、所述第二电容的第一端、所述第三MOS管的栅极和所述第四MOS管的栅极连接,所述第二电容的第一端分别与所述第三MOS管的栅极和所述第四MOS管的栅极连接,所述第三MOS管的栅极和所述第四MOS管的栅极连接,以使所述第四MOS管的漏极输出第二电流。所述第二MOS管的漏极和所述第四MOS管的漏极分别与所述电流比较器连接,以使所述第一电流和所述第二电流分别流入所述电流比较器,获得随机数列。提高了生成随机数的速率。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供的噪声型随机数生成装置可以应用于基于电阻热噪声生成随机数时。以下对本实施例提供的噪声型随机数生成装置进行详细地说明。
图1为本发明噪声型随机数生成装置一实施例的结构示意图,图2为本发明噪声型随机数生成装置一实施例的噪声电流源结构示意图,如图1和图2所示,本实施例的噪声型随机数生成装置,包括:噪声电流源1和电流比较器2,其中,
所述噪声电流源1,包括:共源共栅电流源11、电阻12、第一共源放大器13、第二共源放大器14、第一MOS管15、第二MOS管16、第三MOS管17、第四MOS管18、第一电容191和第二电容192;
所述电阻12的第一端分别与所述共源共栅电流源11、所述第一共源放大器13的栅极和所述第一电容191的第一端连接,所述第一共源放大器13的漏极分别与所述第一MOS管15的漏极、所述第一MOS管15的栅极和第二MOS管16的栅极连接,所述第一MOS管15的漏极和第二MOS管16的栅极连接,以使所述第二MOS管16的漏极输出第一电流InoiseA;所述电阻12的第一端分别与所述第二共源放大器14的栅极和所述第一电容191的第一端连接,所述第二共源放大器14的漏极分别与第三MOS管17的漏极、所述第二电容192的第一端、所述第三MOS管17的栅极和所述第四MOS管18的栅极连接,所述第二电容192的第一端分别与所述第三MOS管17的栅极和所述第四MOS管18的栅极连接,所述第三MOS管17的漏极和所述第四MOS管18的栅极连接,以使所述第四MOS管18的漏极输出第二电流InoiseB。所述第二MOS管16的漏极和所述第四MOS管18的漏极分别与所述电流比较器2连接,以使所述第一电流和所述第二电流分别流入所述电流比较器2,获得随机数列。
具体的,偏置电流注入热电阻12Rs产生的偏置电压:Vbias=Ibias*Rs,通过调整偏置电流Ibias的值调整偏置电压Vbias的大小。
噪声电压vnoise的来源主要为第五MOS管111的沟道热噪声与电阻12,所以主要分析这两个器件,噪声电压vnoise处的噪声电压的功率谱密度为:
其中,CL为C1电容,iRs为电阻12的输出电流,i2为第五MOS管111漏极的输出电流,gm1为第五MOS管111的跨导,rds2为第五MOS管111的输出电阻,rds1为第六MOS管112的输出电阻,Rs为电阻12的电阻;
进一步的,噪声电压vnoise的噪声电压的均方根值为:
所以:
在CL=1pF的情况下,vnoise在6mV以上。
需要声明的是,理论估算以放大器等效输入电容1pF进行简单预估计,考虑到后一级高带宽放大器,实际设计时需要进一步减小CL电容的大小,另外上述估计仅对电阻与沟道热噪声做定量估计,实际值会与此值存在差异,原因在于存在1/f噪声以及MOS器件的寄生结电容对最终值均存在影响。
inoise分析如下:
inoise=vnoise*gm3
一般取值如下:Ibias≈250nA,Rs≈2MΩ,静态工作点接近0.5V,共源放大器的跨导gm3以10uS,放大器等效输入电容1pF进行估计,仅白噪声大概就有60nA左右,在等效输入电容小于1pF的情况下,实际值会远大于该值。
高频噪声滤除环节。因为在第一环节中不论电阻噪声源、放大环节还是其它环节引入的高频、中低频及1/f噪声等噪声信号一并通过高宽带共源型放大器,所以放大器的输出会是多种噪声功率谱的叠加,只不过相对于放大器输入来说功率更大,另外在带宽上多少会有些变化。为了利用电流比较器对电流比较,需要对同等属性的电流支路做高频率除操作。
在本实施例中,所述噪声电流源,包括:共源共栅电流源、电阻、第一共源放大器、第一镜像器、第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第一电容和第二电容;所述电阻的第一端分别与所述共源共栅电流源、所述第一共源放大器的栅极和所述第一电容的第一端连接,所述第一共源放大器的漏极分别与所述第一MOS管的漏极、所述第一MOS管的栅极和第二MOS管的栅极连接,所述第一MOS管的漏极和第二MOS管的栅极连接,以使所述第二MOS管的漏极输出第一电流;所述电阻的第一端分别与所述第二共源放大器的栅极和所述第一电容的第一端连接,所述第二共源放大器的漏极分别与第三MOS管的漏极、所述第二电容的第一端、所述第三MOS管的栅极和所述第四MOS管的栅极连接,所述第二电容的第一端分别与所述第三MOS管的栅极和所述第四MOS管的栅极连接,所述第三MOS管的漏极和所述第四MOS管的栅极连接,以使所述第四MOS管的漏极输出第二电流。所述第二MOS管的漏极和所述第四MOS管的漏极分别与所述电流比较器连接,以使所述第一电流和所述第二电流分别流入所述电流比较器,获得随机数列。提高了生成随机数的速率。
在上述实施例的基础上,共源共栅电流源11,还可以包括:第五MOS管111和第六MOS管112;
所述第五MOS管111的漏极和所述第六MOS管112的源极连接,所述第六MOS管112的漏极分别与所述电阻12的第一端、第一共源放大器13的栅极和所述第一电容191的第一端连接。
进一步的,所述共源共栅电流源11,还包括:第七MOS管113、第八MOS管114、
所述第七MOS管113的栅极与所述第五MOS管111的栅极连接,所述第八MOS管114的栅极与所述第六MOS管112的栅极连接,所述第八MOS管114的漏极分别与所述第七MOS管113的栅极和所述第五MOS管111的栅极连接,所述第七MOS管113的漏极与所述第八MOS管的114源极连接。
在上述实施例的基础上,所述共源共栅电流源11,还可以包括:第九MOS管115、第十MOS管116、第十一MOS管117和第十二MOS管118;
所述第八MOS管114的漏极与所述第九MOS管115的漏极连接,所述第九MOS管115的源极与所述第十MOS管116的漏极连接,所述第十一MOS管117的源极与所述第十二MOS管118的漏极连接,所述第九MOS管115的栅极与所述第十一MOS管117的栅极连接,所述第十MOS管116的栅极与所述第十二MOS管118的栅极连接。
可选的,本实施例中的第一共源放大器为NMOS管;所述第二共源放大器为NMOS管。
可选的,所述第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管和第六MOS管均为PMOS管、第九MOS管、第十MOS管、第十一MOS管和第十二MOS管均为NMOS管。
可选的,所述电流比较器为高速电流比较器。
在本实施例中,对电阻热噪声(白噪声)放大,对于不论电阻噪声源、放大环节还是其它环节引入的高频、中低频及1/f噪声等噪声信号一并通过高宽带共源型放大器,获得幅度较大的噪声电流信号,之后通过一个高频滤波环节将其中一条支路的高频白噪声信号滤掉,最后通过电流比较环节实现数字量化,获得高速率的随机数。可以看出本发明并不依赖于低噪声高带宽放大器的实现,或者说本发明仅对高带宽作出要求,通过滤除高频噪声环节将其中一条支路的高频成分去除,而另一路并不去除,使该两路电流进行比较。另外,相对电压比较器而言,电流比较器在失调量上更小,所以在高频白噪声电流量幅度较大的情况下,即使不借助要求较高的反馈的失调控制等技术,仅借助电流比较器对噪声电流比较,也更容易获得低失调的量化输出。
最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。