一种应用于真随机数发生器的电源隔离电路的制作方法

本发明为一种特殊的电源隔离电路，在随机数发生器电路中起着至关重要的作用，属于模拟电路设计领域。

背景技术：

真随机数发生器(Truly random number generator，TRNG)在信息安全领域，特别是现代密码学领域有非常重要的应用，它是密码系统硬件实现中的重要组成部分。相对于伪随机数发生器，真随机数发生器所产生的随机序列无法预知，不可再现，因此能够更好地保护信息的传输。一般人们利用自然界中的噪声源来产生真随机数。在电路系统中产生真随机数主要由四种方法实现：噪声源直接放大、抖动振荡器采样、离散时间的混沌系统映射和亚稳态电路。

在这四种方法中，目前抖动振荡器采样，也就是利用抖动的慢振荡器去采样一个快振荡器这种方法利用最为广泛，但是在这个结构的中也存在一些难以避免的计数难题，其中最难解决的就是如何最大可能避免外接的各种有规律的干扰对慢振荡器产生影响。

在这些干扰中，由于高频振荡器的存在，以及系统时钟的存在，在系统工作时，由于功耗的波动，必然会在电源上产生一些有规律的干扰。所以电源干扰就变成了我们不得不重点考虑的问题。

本发明所涉及的电源隔离电路就应用于一个基于振荡器的真随机数发生器，用来保证将电阻热噪声转换为振荡器jitter的慢振荡器电路的电源不受到其他电路的干扰。

技术实现要素：

(1)发明目的

当采用快慢振荡器采样的真随机数结构时，由于慢振荡器承担着将电阻热噪声转换振荡器的jitter这一作用，所以其对电源噪声等外接干扰相对敏感。而快振荡器的频率一般远高于慢振荡器的频率，其产生的干扰不容忽视。并且由于此真随机数发生器应用于智能卡，要兼容非接触模式，在非接触模式下电源上会耦合27Mhz的外部电磁场所带来的纹波。所以根据以上实际应用环境进行分析，本人发明了一种结构简单，效果显著的电源隔离电路来实现这一功能，尽可能保证慢振荡器的电源不受到外接干扰。

(2)技术方案

如图1所示，所述稳压模块由MOS管PM1、NM1、NM2，电阻R1，R2串联构成。其中NM1和NM2的栅端和漏端相连，接成二极管形式，NM2的源端接地；电阻R2一端与NM1的漏端相连，一端与电阻R1相连，电阻R1另一端与PM1的漏端相连，PM1的源端接外部电源。

所述隔离模块由耗尽型MOS管NNM1、NNM2，电容C1、C2组成。其中NNM1的漏端与外部电源相接，栅端与C1和PM1的漏端相接；NNM2的栅端与NNM1的源端相连，栅端与C2、R1、R2相连。C1、C2的另一端接地。

所述基准产生模块由MOS管PM2和PM3构成。其中PM2和PM3分别栅端和漏端相连，接成二极管形式，其中PM2的源端接NNM2的源端，作为经过稳压隔离的电源输出；PM3的源端与PM2的漏端相连，作为随机数的基准输出；PM3的漏端接地。

其工作原理如下：

当在VCC端出现干扰，引起电压波动时，由于PM1，NNM1，NNM2都处于饱和区，所以VCC上面的干扰，实际上的直接影响是使PM1，NNM1的Vds产生变化，而处于饱和区的MOS管的Vds对其电流Id的影响很小。这样我们就等于衰减了VCC端干扰对内部电路的影响。

具体来说当VCC上有一个波动，此波动首先会被PM1抑制，A点和B点电压相对稳定，然后此波动会被NNM1抑制，被抑制后的波动又会被NNM2抑制，这样经过多重抑制效果，VCC上的波动对VCC_IN的影响可以忽略。

本电源隔离电路只有PM1路0.5uA静态电流，没有其余功耗，成功用很少的代价实现了有效的电源隔离效果

(3)性能仿真

如图2所示，实际仿真在VCC上叠加一个27Mhz，峰峰值300mV的干扰波形时，我们发现输出电压VCC_IN只有3.4mV左右的纹波。这个幅度的电源纹波基本对内部电路无法产生影响。

附图说明

图1电源隔离电路结构

图2抗干扰波形仿真结果

具体实施方式

首先，选择所需要的VCC_IN电压为多少，根据确定的VCC_IN电压来设置NM1和NM2管的宽长比。以及通过控制VPB电压来控制PM1路的基准电流，通过调整R1、R2确定A、B工作点。其中，

VCC_IN＝VGS_NM1+VGS_NM2+I_PM1×R2-VTH_NNM2

本设计中NNM1和NNM2采用耗尽型MOS管，其VTH小于100mV。这些选择主要是根据所需要的电压域决定。

其次，需要根据VCC_IN电压域模块，本例中也就是带jitter的慢振荡器的功耗来确定NNM1、NNM2管的宽长比，确保其上导通电阻产生的压降可以忽略。

最后通过实际面积需求和需要隔离的已知的干扰信号的频率来C1和C2的值。

综上，本发明通过以上技术方案，实现了对电源干扰信号的隔离，使真随机数发生器受到的干扰明显减少，同时本电路结构简单，低功耗，可移植、实用性很强。