專利名稱：隨機數(shù)生成電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于生成物理隨機數(shù)的隨機數(shù)生成電路，并且例如涉及適于生成隨機數(shù)的隨機數(shù)生成電路，用于產(chǎn)生IC卡、存儲程序的單芯片微型計算機等的安全性功能所要求的代碼鍵， 背景技術(shù)用于保護ID、代碼鍵等的隨機數(shù)生成電路要求高的隨機性.隨機數(shù)被廣義劃分為基于自然出現(xiàn)的隨機現(xiàn)象生成的物理隨機數(shù) 和人工生成的偽隨機數(shù)。偽隨機數(shù)是由邏輯電路或軟件人工生成的隨機數(shù)。偽隨機數(shù)通常 例如由個人計算機的內(nèi)置隨機數(shù)電路來生成.但是，在偽隨機數(shù)的情況下，隨機數(shù)生成過程由邏輯電路或軟件 來確定。因此，當(dāng)找到初始系統(tǒng)狀態(tài)時，隨機數(shù)能相對容易地被預(yù)測， 因此存在安全性不完善的情況.另一方面，物理隨機數(shù)因為高的隨機性而通常被認為是密碼安全 隨機數(shù)，物理隨機數(shù)的例子包括電阻器的電熱噪聲和半導(dǎo)體PN結(jié)的散粒噪聲。一種采樣由熱噪聲元件生成的熱噪聲，將采樣的熱噪聲作為電荷 存儲在電容器單元，放大與在電容器單元中存儲的電荷對應(yīng)的電壓并 通過A/D轉(zhuǎn)換將放大的電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號以生成隨機數(shù)的技術(shù)被應(yīng) 用于使用物理隨機數(shù)的隨機數(shù)生成電路(例如參看JP2001-175458A)。上述提到的物理隨機數(shù)是基于來自噪聲源的熱噪聲等等生成的. 但是，噪聲級較輕(幾十mV到幾百hV)，因此要求高電壓來提取熱 噪聲以作為有效的隨機數(shù)，隨著由于LSI功能的改進而使電路的密度增加，降低制造元件大小 正在進步.當(dāng)元件大小減小時，存在元件耐電壓下降的問題，由此降 4氐了電路耐電壓。
在安全性方面，在LSI芯片中并入隨機數(shù)生成電路是必須的，但 是，使用物理隨機數(shù)的結(jié)構(gòu)被使用，因此存在大量要解決的問題，包 括與有關(guān)LSI材料穩(wěn)定性的問題.特別地，傳統(tǒng)隨機數(shù)生成電路包括用于實現(xiàn)噪聲放大器的特定結(jié) 構(gòu)的大量元件，噪聲放大器用作為提取隨機噪聲分量的單元.因此， 所出現(xiàn)的問題是，LSI芯片的面積增加了并且制造成本增加了 .發(fā)明內(nèi)容已經(jīng)考慮到上述的情況而構(gòu)造了本發(fā)明。本發(fā)明的目的是提供具 有簡單電路結(jié)構(gòu)的隨機數(shù)生成電路，用于產(chǎn)生作為物理隨機數(shù)源的隨 機現(xiàn)象的噪聲并檢測該噪聲以生成隨機數(shù).為了解決上述的問題，根據(jù)本發(fā)明，提供了一種隨機數(shù)生成電路， 包括參考電壓部分，該參考電壓部分包括第一P溝道MOS晶體管， 其具有與電源連接的源極以及彼此連接的柵極和漏極；和笫一N溝道 M0S晶體管，其具有接地的源極以及彼此連接的柵極和漏極，漏極與第 一P溝道MOS晶體管的漏極連接；反相放大器部分，包括第二P溝道M0S 晶體管，其具有與電源連接的源極；和第二N溝道MOS晶體管，其具有 接地的源極、與第二P溝道MOS晶體管的柵極連接的柵極、和與第二P 溝道MOS晶體管的漏極連接的漏極；和半導(dǎo)體開關(guān)，其第一端與第一P 溝道MOS晶體管的漏極連接，并且第二端與第二P溝道MOS晶體管的柵極 連接.在根據(jù)本發(fā)明的隨機數(shù)生成電路中，參考電壓部分具有與反相放 大器部分的邏輯閾值電壓相等的參考電壓，在根據(jù)本發(fā)明的隨機數(shù)生成電路中，第一P溝道MOS晶體管和第二P 溝道MOS晶體管具有彼此相等的晶體管大小，并且第一N溝道MOS晶體管 和第二N溝道MOS晶體管具有彼此相等的晶體管大小。在根據(jù)本發(fā)明的隨機數(shù)生成電路中，半導(dǎo)體開關(guān)包括傳輸門，該 傳輸門包括M0S晶體管。如上所述，根據(jù)本發(fā)明，隨機數(shù)生成電路具有用于通過反相放大 器電路放大從參考電壓部分產(chǎn)生的非常小的噪聲的結(jié)構(gòu).因此，物理 隨機數(shù)可以容易地由簡單的電路生成，因此構(gòu)成隨機數(shù)生成電路的元 件數(shù)量可以降低到比相關(guān)技術(shù)更小的值.因此，具有隨機數(shù)生成功能
的LSI的芯片大小被降低了，其結(jié)果是制造成本降低.
附困說明
在附圖中圖l示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的隨機數(shù)生成電路的一個電路 結(jié)構(gòu)例子；圖2是一個曲線圖，其示出了輸入電壓(橫坐標(biāo)軸)和輸出電壓(縱 坐標(biāo)軸)之間的對應(yīng)關(guān)系，該對應(yīng)關(guān)系對應(yīng)于圖l的反相放大器部分 (1)的放大特性；圖3示出了

圖1的隨機數(shù)生成電路的電路結(jié)構(gòu)，其用于模擬；和 圖4是一個波形圖，其示出了使用圖3的隨機數(shù)生成電路通過模擬 獲得的結(jié)果.
具體實施例方式
此后，將參考附圖來描述根據(jù)本發(fā)明的實施例的隨機數(shù)生成電 路，圖l是示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的隨機數(shù)生成電路的結(jié)構(gòu)例子的框 圖.在圖1中，參考電壓部分1包括P溝道M0S晶體管MP1和N溝道M0S晶體 管MN1。 P溝道M0S晶體管MP1的源極與電源連接并且其柵極與其漏極連 接.N溝道M0S晶體管MN1的源極接地，其柵極與其漏極連接，并且漏極 與P溝道MOS晶體管MPl的漏極連接.
反相放大器部分(反相器)2包括P溝道M0S晶體管MP2和N溝道M0S 晶體管MN2,P溝道M0S晶體管MP2的源極與電源連接并且其漏極與N溝道 M0S晶體管MN2的漏極連接。N溝道M0S晶體管MN2的源極接地，其柵極 與P溝道M0S晶體管MP2的柵極連接，并且其漏極與P溝道M0S晶體管MP2 的漏極連接.P溝道M0S晶體管MP1、 N溝道M0S晶體管MN1、 P溝道M0S晶體管MP2 和N溝道M0S晶體管MN2的晶體管大小被如此設(shè)置使得從參考電壓部分1 輸出的參考電壓電平變得等于反相放大器部分2的邏輯閾值電壓(參考 電壓電平).
考慮到制造變化，為了使參考電壓部分l的參考電壓電平等于反相 放大器部分2的參考電壓電平，P溝道M0S晶體管MP1和MPZ優(yōu)選地被如此
設(shè)置使得其晶體管大小變得彼此相等.此外，N溝道M0S晶體管MN1和MN2 優(yōu)選地被如此設(shè)置使得其晶體管大小變得彼此相等.N溝道M0S晶體管MN3是在參考電壓部分1和反相放大器部分2之間 插入的傳輸門.N溝道M0S晶體管MN3的第一端(漏極或源極的任意一 個，例如漏極)與P溝道M0S晶體管MP1的漏極和N溝道M0S晶體管MN1的 漏極之間的連接點"A"連接.N溝道M0S晶體管MN3的第二端(漏極或 源極的另一個，例如源極)與P溝道M0S晶體管MP2的柵極和N溝道M0S 晶體管MN2的柵極之間的連接點"B"連接.N溝道M0S晶體管MN3響應(yīng)于輸入到其柵極的控制信號而被接通/斷 開控制.當(dāng)控制信號是"H"電平時，即是當(dāng)N溝道M0S晶體管MN3處于 接通狀態(tài)時，從參考電壓部分l輸出的參考電壓被傳輸?shù)椒聪喾糯笃鞑?分2中的連接點"B".另一方面，當(dāng)控制信號是"L"電平時，即是當(dāng) N溝道M0S晶體管MN3處于斷開狀態(tài)時，在斷開狀態(tài)時的電壓值被保存在 電容器4中，要提供的電容器4可以是冷凝器.可替換地，電容器4可以是寄生 電容器，其是具有N溝道M0S晶體管MN3的笫二端的擴散層的電容器或具 有P溝道M0S晶體管MP2和N溝道M0S晶體管MN2的相應(yīng)柵極的電容器.接下來，將參考圖2描述圖1中所示的反相放大器部分2的輸入電壓 和輸出電壓之間的關(guān)系.通過N溝道M0S晶體管MN3將參考電壓Vin從參考電壓部分l輸入到P 溝道M0S晶體管MP2和N溝道M0S晶體管MN2之間的連接點"B"。參考電 壓Vin的值等于反相放大器部分2的邏輯閾值電壓(參考電壓電平)并 且不穩(wěn)定且不規(guī)則地波動由熱噪聲引起的非常小的電壓AVin(幾十n V到幾百pV).參考電壓(電平)Vin是非常小的電壓厶Vin的波動的 中心，因此電源的電壓值和地電平值之間的中間電壓通常被設(shè)置為參 考電壓。在反相放大器部分2中，輸入的參考電壓Vin等于其參考電壓電平 并因此沒有被放大.非常小的電壓AVin是來自參考電壓電平的波動分 量并被反相放大一個預(yù)設(shè)的放大系數(shù)(例如，幾十倍到幾百倍)并作 為放大電壓厶Vout被輸出(幾mV到幾十mV).非常小的電壓AVin較小并且其頻率較高(例如，10MHz),因此 反相放大器部分2不能作出響應(yīng)，即是，反相放大器部分2不能執(zhí)行反
相放大操作，因此，通過將輸入到N溝道M0S晶體管MN3的柵極的控制信號設(shè)置為 "H"電平而接通N溝道M0S晶體管MN3,接著，電荷存儲在位于連接點 "B"處的電容器4中或者從其中放電以便在連接點"A"處提供電壓值. 在此之后，控制信號被設(shè)置為"L"電平以斷開N溝道M0S晶體管MN3， 所以此時的非常小的電壓AVin在電容器4上被采樣.所期望的是，考 慮到反相放大器部分2的每個M0S晶體管對非常小的電壓的響應(yīng)速度， 而使用低頻(例如等于或大于lHz并且等于或小于100KHz的頻率)作為 采樣周期.接著，反相放大器部分2對與電容器4中存儲的電荷相對應(yīng)的電壓 執(zhí)行反相放大操作，接下來，將參考圖3和圖4來描述圖1所示的隨機數(shù)生成電路的操 作，圖3示出了用于模擬的電路的結(jié)構(gòu).圖4是示出由模擬獲得的結(jié)果 的波形圖。橫坐標(biāo)軸指示時間并且縱坐標(biāo)軸指示電壓電平。使用HSPICE (注冊商標(biāo))模擬器.在用于圖3所示模擬的電路中，包括N溝道M0S晶體管MN4和P溝道 MOS晶體管MP3的雙向傳輸門5被使用，以替代如圖l所示的作為傳輸門 的N溝道M0S晶體管MN3. P溝道M0S晶體管MP3的源極和N溝道M0S晶體管 MN4的漏極在連接點"D"彼此連接，P溝道M0S晶體管MP3的漏極和N溝 道M0S晶體管MN4的源極在連接點"B"彼此連接.包括M0S晶體管的電容器4與連接點"E"連接.連接點"E"與反 相放大器部分2中的連接點"B"連接.雙向傳輸門5中的連接點"D"與未在圖3中示出的參考電壓部分1 中的連接點"A"連接.即是，連接點"D"是雙向傳輸門5的一端并與 作為參考電壓部分l的輸出端的連接點"A"連接。連接點"E"是雙向 傳輸門5的另一端并與作為反相放大器部分2的輸入端的連接點"B"連 接。噪聲信號是三角波列信號，其參考電壓(輸入電壓)Vin是1. 897^并且非常小的電壓AVin是士 500 nV.噪聲信號從模擬器的信號源輸入 到雙向傳輸門5中的連接點"E".此時，反相放大器部分2的邏輯閾值 電壓也設(shè)置成與參考電壓Vin相等的l. 8975V.通過反相器INVl和INV2將用于控制雙向傳輸門5接通/斷開的控制
信號In施加到P溝道MOS晶體管MP3的柵極和N溝道MOS晶體管MN4的柵 極.當(dāng)控制信號In處于"H"電平時，通過反相器INV1將"L"電平信 號施加到P溝道M0S晶體管MP3的柵極，并通過反相器INV1和INV2將 "H"電平信號施加到N溝道M0S晶體管MN4的柵極，接著，雙向傳輸門5 變?yōu)殡娺B接狀態(tài)(接通狀態(tài)).另一方面，當(dāng)控制信號In處于"L"電平時，通過反相器INV1將"H" 電平信號施加到P溝道M0S晶體管MP3的柵極，并通過反相器INV1和 INV2將"L"電平信號施加到N溝道M0S晶體管MN4的柵極.接著，雙向 傳輸門5變?yōu)殡娗袛酄顟B(tài)(斷開狀態(tài)).接下來，將參考圖4描述隨機數(shù)生成電路的操作.位于圖4的上部的波形對應(yīng)于來自連接點"A"的參考電壓的波形， 其中有非常小的電壓AVin的波動.參考電壓Vin是1. 8975V。非常小 的電壓AVin相對于參考電壓電平波動± 500 nV并且作為頻率為 1. 5MHz的矩形波脈沖列被疊加到參考電壓上。位于圖4中部的控制信號In作為50y。占空比的脈沖列被輸入，其周 期為20微秒，即是其頻率是50Hz ( "H"電平是5. 0V， "L"電平是地 電壓(OV)).位于圖4下部的信號0ut示出了反相放大器部分2的輸出電壓電 平，其對應(yīng)于由在電容器4中存儲的電壓的反相放大所獲得的結(jié)果，在時間tl，控制信號In從"L"電平變化到"H"電平.接著，雙 向傳輸門5變?yōu)榻油顟B(tài)。因此，將有非常小的電壓AVin的波動的參 考電壓Vin施加到電容器4和連接點"B"。此時，非常小的電壓AVin的波動頻率比反相放大器部分2的響應(yīng) 速度快，因此從反相放大器部分2輸出的電壓Vout具有參考電壓電平 1.8975V.在時間t2，控制信號In從"H"電平變化到"L"電平。接著，雙 向傳輸門5變?yōu)閿嚅_狀態(tài)，因此，不將有非常小的電壓AVin的波動的 參考電壓Vin施加到電容器4和連接點"B"，因此保存了在變化到"L" 電平時施加到電容器4的電壓電平。在此之后，反相放大器部分2放大在電容器4中存儲的電壓并且將 放大的電壓作為輸出電壓Vout輸出。
此時，反相放大器部分2放大在電容器4中存儲的非常小的電壓A Vin而不依賴于響應(yīng)速度.因此，從反相放大器部分2輸出的電壓Vout 是通過將電壓Vout (大概100mV)疊加到參考電壓電平(1. 8975V)上 所獲得的電壓.在時間3，控制信號In從"L"電平變化到"H"電平.接著，雙向 傳輸門5變?yōu)榻油顟B(tài).因此，將有非常小的電壓AVin的波動的參考 電壓Vin施加到電容器4和連接點"B".此時，非常小的電壓AVin的波動頻率比反相放大器部分2的響應(yīng) 速度快，因此從反相放大器部分2輸出的電壓Vout具有參考電壓電平 1.8975V.由于控制信號In在"H"電平和"L"電平之間變化，重復(fù)上述的 處理。因此在雙向傳輸門5處于斷開狀態(tài)的同時，可以提取用作為隨機 數(shù)的輸出電壓Vout.此后，輸出電壓Vout經(jīng)過A/D變換而沒有其它處理.所獲得的比特 串可以用作為隨機數(shù).輸出電壓Vout可以通過濾波器被提取，被放大， 并且接著經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，以便將獲得的比特串用作為隨機數(shù)。根據(jù)這個實施例的結(jié)構(gòu)，使用一個簡單電路實現(xiàn)了用于基于由熱噪聲引起的非常小的電壓來獲得物理隨機數(shù)的隨機數(shù)生成電路，所述 簡單電路包括具有單個CM0S反相器的參考電壓部分1和具有單個CM0S反相器的反相放大器部分2.因此，與傳統(tǒng)例子比較，電路面積可降低，并且提供隨機數(shù)生成電路的芯片的制造成本可降低.
權(quán)利要求
1.一種隨機數(shù)生成電路，包括參考電壓部分，包括第一P溝道MOS晶體管，其具有與電源連接的源極以及彼此連接的柵極和漏極；和第一N溝道MOS晶體管，其具有接地的源極以及彼此連接的柵極和漏極，漏極與第一P溝道MOS晶體管的漏極連接；反相放大器部分，包括第二P溝道MOS晶體管，其具有與電源連接的源極；和第二N溝道MOS晶體管，其具有接地的源極、與第二P溝道MOS晶體管的柵極連接的柵極、和與第二P溝道MOS晶體管的漏極連接的漏極；和半導(dǎo)體開關(guān)，其第一端與第一P溝道MOS晶體管的漏極連接，并且第二端與第二P溝道MOS晶體管的柵極連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的隨機數(shù)生成電路，其中參考電壓部分具有與 反相放大器部分的邏輯閾值電壓相等的參考電壓.
3. 根據(jù)權(quán)利要求l的隨機數(shù)生成電路，其中 第一P溝道MOS晶體管和第二P溝道MOS晶體管具有彼此相等的晶體管大??；并且第一N溝道MOS晶體管和第二N溝道MOS晶體管具有彼此相等的晶體 管大小.
4. 根據(jù)權(quán)利要求l的隨機數(shù)生成電路，其中半導(dǎo)體開關(guān)包括傳輸 門，該傳輸門包括MOS晶體管.
全文摘要
提供了一種具有簡單電路結(jié)構(gòu)的隨機數(shù)生成電路，用于基于噪聲生成物理隨機數(shù)。該隨機數(shù)生成電路包括參考電壓部分、具有與參考電壓電平相等的參考電壓的反相放大器部分、以及在參考電壓部分的輸出端和反相放大器部分的輸入端之間提供的半導(dǎo)體開關(guān)。從參考電壓部分產(chǎn)生的熱噪聲由半導(dǎo)體開關(guān)和電容器保存并且由反相放大器部分放大以生成物理隨機數(shù)。
文檔編號G06F7/58GK101132171SQ20071014684
公開日2008年2月27日 申請日期2007年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月25日
發(fā)明者佐藤豐 申請人:精工電子有限公司