一种真随机数产生电路的制作方法
【专利摘要】一种真随机数产生电路，其包括变频时钟电路和随机数采样与后处理电路，所述的变频时钟电路包括离散混沌映射电路、噪声放大电路、流控振荡器、偏置电路、NMOS管M1和电阻R2，所述噪声放大电路的输出端与NMOS管M1的栅极连接，电阻R2的一端与NMOS管M1的源极、所述离散混沌映射电路的输出端连接，电阻R2的一端的另一端接地，NMOS管M1的漏极与所述流控振荡器连接，所述偏置电路与所述噪声放大电路相连接，所述随机数采样与后处理电路分别与所述流控振荡器和所述离散混沌映射电路相连接。本实用新型的真随机数产生电路可提高随机序列的随机性能。
【专利说明】一种真随机数产生电路
【技术领域】
[0001]本实用新型属于信息安全芯片的设计领域，特别涉及信息安全芯片加密系统中的真随机数发生器，其用于产生伪随机算法的随机种子以及为加密算法提供密钥。
【背景技术】
[0002]安全芯片在信息社会的各个领域中应用广泛，其主要功能包括对用户关键数据的安全存储、加密、解密以及身份识别等。正因为安全芯片中数据的重要性，对安全芯片中数据进行加密成为确保数据安全的重要手段之一。真随机数产生器在数据加密系统中有非常重要的应用，它是加密系统中的重要组成部分。伪随机数是利用特定的随机数算法和种子，通过软件运算产生的随机数序列。虽然伪随机数序列具有一定的随机性，但是由于随机数算法和种子是固定的，所以伪随机数序列是可以预知、再现的，无法满足高性能的加密系统。真随机数是利用自然界的噪声源来产生的随机数序列，相比伪随机数序列其具有不可预知，无法重现的特点。真随机数的随机性需要满足一些测试标准，如FIPS-140，AIS31标准。真随机数常用的电路实现方法有三种:第一，利用电阻热噪声放大；第二，利用抖动时钟采样；第三，利用离散混沌映射。由于电路实现过程中存在的一些非理想性因素，单一地使用上述方法中的一种无法实现高性能的真随机数。
实用新型内容
[0003]本实用新型的目的在于提出一种结合电阻热噪声放大、抖动时钟采样和离散混沌映射的真随机数产生电路。
[0004]一种真随机数产生电路，其包括变频时钟电路和随机数采样与后处理电路，所述的变频时钟电路包括离散混沌映射电路、噪声放大电路、流控振荡器、偏置电路、NMOS管Ml和电阻R2，所述噪声放大电路的输出端与NMOS管Ml的栅极连接，电阻R2的一端与NMOS管Ml的源极、所述离散混沌映射电路的输出端连接，电阻R2的一端的另一端接地，NMOS管Ml的漏极与所述流控振荡器连接，所述偏置电路与所述噪声放大电路相连接，所述随机数采样与后处理电路分别与所述流控振荡器和所述离散混沌映射电路相连接。
[0005]其中，所述的离散混沌映射电路包括多个离散混沌电流映射单元、多个恒流源和采样保持电路，所述多个恒流源与所述多个离散混沌电流映射单元一一对应连接，所述多个离散混沌电流映射单元级联，所述采样保持电路分别与首个离散混沌电流映射单元和最后一个离散混沌电流映射单元相连接，所述采样保持电路进一步与噪声放大电路相连接。
[0006]其中，所述的噪声放大电路包括运算放大器Al、噪声源电阻R3、R4、反馈电阻R5、R6，电阻R3连接于运算放大器Al的正相输入端和所述偏置电路之间，电阻R5和R6依次连接于所述偏置电路和运算放大器Al的输出端之间，电阻R4连接于运算放大器Al的反相输入端与电阻R5、R6之间的连接线之间。
[0007]其中，所述的随机数采样与后处理电路包括D触发器、分频器和后处理电路，D触发器的输入端连接所述变频时钟电路输出端，D触发器的输出端连接后处理电路的输入端，D触发器和后处理电路的采样时钟输入端连接分频器的输出端，分频器的输入连接端随机数采样时钟(CLK)。
[0008]与现有技术相比较，本实用新型的真随机数产生电路由变频时钟电路和随机数采样与后处理电路组成，变频时钟电路能够产生一个频率在一定范围内随机变化的时钟，时钟频率的变化在该范围内服从均匀分布。随机数采样与后处理电路在随机数采样时钟的控制下，对变频时钟进行采样，得到随机序列，然后再由后处理电路对随机序列进行熵值累加运算，提闻随机序列的随机性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1为本实用新型提出的真随机数发生器原理图。
[0010]图2为本实用新型提出的真随机数发生器电路图。
[0011]图3为图2所示电路工作时内部信号波形图。
【具体实施方式】
[0012]图1显示的是本实用新型的真随机数发生器原理图。图2显示的是本实用新型的真随机数发生器的电路图，整个电路由变频时钟电路100和随机数采样与后处理电路200组成。
[0013]所述的变频时钟电路100包括离散混沌映射电路1001、噪声放大电路1002、流控振荡器1003、偏置电路104、NM0S管Ml和电阻R2。噪声放大电路1002的输出端与NMOS管Ml的栅极连接，电阻R2与NMOS管的源极、离散混沌映射电路1001的输出端连接，NMOS管的漏极与流控振荡器1003连接。偏置电路1004与噪声放大电路1002相连接，其用于提供偏置电压νκ。离散混沛映射电路1001用于产生一个在一定范围内随机变化的电流Icmaqs,，通过电阻R2在NMOS管Ml的源极产生一个随机变化的源极电压Vs ;噪声放大电路1002将偏置电SVk放大，在NMOS管Ml的栅极产生一个变化的控制电压Ve ;NM0S管Ml随机变化的栅源极电压能够产生一个随机变化的漏极电流Iraj，流控振荡器1003受漏极电流I。?的控制，产生一个频率在一定范围内随机变化的时钟。
[0014]所述的离散混沌映射电路1001由三个恒流源IREFl、IREF2、IREF3、三个离散混沌电流映射单元和采样保持电路组成；三个恒流源分别为三个离散混沌电流映射单元提供参考电流，三个离散混沌电流映射单元级联，采样保持电路对最后一个离散混沌电流映射单元的输出电流进行采样，并将采样电流分两路输出，一路输出至首个离散混沌电流映射单元的输入，另一路输出至噪声放大电路1002。
[0015]所述的噪声放大电路1002由一个运算放大器Al、噪声源电阻R3、R4、反馈电阻R5、R6组成；电阻R3连接于运算放大器Al的正相输入端和偏置电路1004之间，电阻R5和R6依次连接于偏置电路1004和运算放大器Al的输出端之间，电阻R4连接于运算放大器Al的反相输入端与电阻R5、R6之间的连接线之间。
[0016]所述的随机数采样与后处理电路200由D触发器、分频器和后处理电路组成；D触发器的输入端连接变频时钟电路输出端，D触发器的输出端连接后处理电路的输入端，D触发器和后处理电路的采样时钟输入端连接分频器的输出端，随机数采样时钟(CLK)连接分频器的输入端。
[0017]本实用新型中，离散混沌映射电路利用了离散混沌电流映射轨迹不稳定的特点，采样保持电路在采样时钟的控制下对离散混沌电流映射的输出电流进行采样，再将采样电流输出给离散混沌电流映射单元，实现电流的不断迭代运算，产生一个随机变化的电流，离散混沌电流映射单元在电流迭代运算的过程中对电流值的微扰很敏感，电流的微扰会完全改变迭代运算的未来轨迹，使的电流的变化无法预测。利用电流的不可预测额特性，通过电阻R2在NMOS管Ml的源极产生一个不可预测的电压Ns’噪声放大电路将电阻热噪声电压放大，并作为NMOS管Ml的栅极控制电压Ve，通过在NMOS管的栅极和源极之间的一个随机变化的栅源电压Ves，产生一个随机变化的漏极电流I。?。该漏极电流Iraj能够控制流控振荡器1003，产生一个频率在一定范围内随机变化的时钟。随机数采样与后处理电路在随机数采样时钟CLK的控制下对变频时钟进行采样，产生随机数序列，再由后处理电路对产生的随机序列进行熵值累加运算，输出最终的真随机数。
[0018]图3显示的是电路工作时内部信号波形图。具体的，本实用新型提出的真随机数发生器工作原理如下:
[0019]经过噪声放大电路1002放大后的噪声电压Ve和离散混沌单元产生的随机变化的电压Vs的差作为控制电压Ves，控制压控电流源。受控的电流Icco控制电流控制振荡器的输出频率，从而达到产生一个频率随机变化的时钟信号，通过采样时钟对这个频率随机变化的时钟信号进行采样，输出随机数序列。
[0020]离散混沌映射电路(1001)的离散混沌电流映射的函数表达式
[0021]1ut= |1腳-K.IinI (3.1)
[0022]由初始的Iin经过一次运算后得到的1tt作为下一次运算的IIN，不断重复迭代运算。当系数时，Iqut会在[0，IKEF]区间内随机分布，且系数K越接近2，Iqut在[O, Ieef]区间内分布越接近均匀分布。
[0023]噪声放大电路(1002)中的电阻热噪声电压为Vn，偏置电路1004提供的一个偏置
R
电压为VR,比较器工作在闭环放大状态，闭环增益为G = f，噪声放大电路的输出电压为
?S
VG
[0024]VG=VR+VnG (3.2)
[0025]离散混沌映射电路输出的采样电流为Iqiaqs, NMOS管Ml源极连接的电阻R2，流过NMOSMl的电流为I。。。，NMOSMl源极电压为VS，
[0026]VS-(Icco+Ichaos) R2
[0027]NMOSMl栅源极电压为VGS，
[0028]VGS=VR+VnG-(Icco+Ichaos)R2 (3.3)
[0029]NMOS 管 Ml 的 VGS 与 Icco 的关系
[0030]Icco=Kn (VGS-Vt) (3.4)
[0031]其中，Kn为工艺参数，VtSMI的阈值。由式(3.3)和式(3.4)可知
_VR-yr+ VnG-1cuaosRI
[0032](roI D(3.5)
--l.Kn
K 2
[0033]由Ichaos ^ [0，Ieef]，
[0034]所以变频时钟电路100中流控振荡器1003的控制电流
VR-Vr+ VnG-1refR2 VR-Vt + VnG
Γ ? 1CCO II51J / η ,、
[0035]I ηIr (3,6)
--H IX^--l.Ivn
Kn ^Kn
[0036]流控振荡器(1003)的增益Gra。变频时钟的频率为f0
[0037]
VR.Pt+VnG.JrefR2 VR-Vt+VnG
JOIijCCO，IisCCO」/^7x
^ + R~ + R{3t/)
Kn ^Kn ^
[0038]随机数采样与后处理电路中在采样时钟CLKteic对变频时钟CLKV的采样值为“O”或“1”，由CLKT.周期内N个CLK所对应的变频时钟频率f。、变频时钟抖动的累积、流控振荡器的初始电流及流控振荡器的响应时间共同决定，从而确保所产生随机序列的随机性。
[0039]综上所述，本实用新型提出的真随机数产生电路由变频时钟电路和随机数采样与后处理电路组成；变频时钟电路能够产生一个频率在一定范围内随机变化的时钟，随机数采样与后处理电路在随机数采样时钟的控制下，对变频时钟进行采样，得到随机序列，然后再由后处理电路对随机序列进行熵值累加运算，提高随机序列的随机性能。
【权利要求】
1.一种真随机数产生电路，其特征在于，包括变频时钟电路和随机数采样与后处理电路，所述的变频时钟电路包括离散混沌映射电路、噪声放大电路、流控振荡器、偏置电路、NMOS管Ml和电阻R2，所述噪声放大电路的输出端与NMOS管Ml的栅极连接，电阻R2的一端与NMOS管Ml的源极、所述离散混沌映射电路的输出端连接，电阻R2的一端的另一端接地，NMOS管Ml的漏极与所述流控振荡器连接，所述偏置电路与所述噪声放大电路相连接，所述随机数采样与后处理电路分别与所述流控振荡器和所述离散混沌映射电路相连接。
2.根据权利要求1所述的一种真随机数产生电路，其特征在于，所述的离散混沌映射电路包括多个离散混沌电流映射单元、多个恒流源和采样保持电路，所述多个恒流源与所述多个离散混沌电流映射单元一一对应连接，所述多个离散混沌电流映射单元级联，所述采样保持电路分别与首个离散混沌电流映射单元和最后一个离散混沌电流映射单元相连接，所述采样保持电路进一步与噪声放大电路相连接。
3.根据权利要求1所述的一种真随机数产生电路，其特征在于，所述的噪声放大电路包括运算放大器Al、噪声源电阻R3、R4、反馈电阻R5、R6，电阻R3连接于运算放大器Al的正相输入端和所述偏置电路之间，电阻R5和R6依次连接于所述偏置电路和运算放大器Al的输出端之间，电阻R4连接于运算放大器Al的反相输入端与电阻R5、R6之间的连接线之间。
4.根据权利要求1所述的一种真随机数产生电路，其特征在于，所述的随机数采样与后处理电路包括D触发器、分频器和后处理电路，D触发器的输入端连接所述变频时钟电路输出端，D触发器的输出端连接后处理电路的输入端，D触发器和后处理电路的米样时钟输入端连接分频器的输出端，分频器的输入连接端随机数采样时钟。
【文档编号】G06F7/58GK203930796SQ201320863284
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2013年12月25日 优先权日:2013年12月25日
【发明者】王新亚, 吴晓勇 申请人:深圳国微技术有限公司