專利名稱：隨機數(shù)發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
該項發(fā)明涉及用于產(chǎn)生隨機數(shù)的電路裝置，尤其是用于集成電路上的隨機數(shù)發(fā)生器的電路裝置。
在現(xiàn)有技術(shù)中，產(chǎn)生隨機數(shù)較有名的方法是，用另一頻率低得多的信號對高頻信號進行采樣。這些信號從而在特定的輸出上顯示為電壓，并且在兩個幅值之間以特定的速率來回振蕩。采樣在被提供這兩種信號的特殊電路中進行。這時候，總是用第二信號的波形圖上的特定點，以便確定第一信號被采樣的瞬間，也就是說確定該信號的值(比如電壓值)并將它轉(zhuǎn)化為一個數(shù)字值。
在數(shù)字電路中，在取值為0或1的情形下最簡單。比如，當(dāng)采樣瞬間，第一信號的波形處于平均值(比如0伏)之上，就當(dāng)作“1”；如果波形在平均值之下，就當(dāng)作“0”。同樣有可能對所得到的值進行連續(xù)轉(zhuǎn)換，從而得到一個模擬數(shù)字(比如以毫伏表示的電壓，可以按1∶1的比例轉(zhuǎn)換成數(shù)字)。
在兩個信號的波形理想的情形下，有可能觀察到幅值采樣的周期性，這是由于兩個頻率的比率所造成的。從而，利用這樣的隨機數(shù)發(fā)生器不會產(chǎn)生真正的隨機數(shù)。但是在實踐中，兩個信號的波并不是理想的波形，而且在微電子領(lǐng)域中，由于有無法避免的噪聲，將導(dǎo)致波形的不精確。這可能有這樣的效果，即，如果信號之間是相互獨立的，只需要兩個預(yù)先給定的簡單頻率，實現(xiàn)功能良好的隨機數(shù)發(fā)生器。
但實際上，這種簡單的隨機數(shù)發(fā)生器不能滿足對待產(chǎn)生的隨機數(shù)的較高質(zhì)量要求。這是因為，對于隨機數(shù)的質(zhì)量來說，兩個信號的相互獨立是至關(guān)重要的。這意味著，其中一個信號不能通過電路中的電信號途徑影響到另一個信號，因此這兩個信號要以一種特定的方式相互耦合。
按照上述原則，在一個稱作為物理噪聲產(chǎn)生器的裝置中，比如試圖借助具有非恒定頻率的被采樣信號，也就是第一信號，解決兩個信號的相互獨立問題。這種要采樣的信號，例如可以通過將電壓耦合振蕩器(壓控振蕩器VCO)集成到隨機數(shù)產(chǎn)生電路而獲得，壓控振蕩器的輸入是由周期變化的信號所提供，而這種信號可以由第二振蕩器所提供。結(jié)果，這樣就導(dǎo)致了VCO信號的頻率以某種方式被調(diào)制，這種方式與第二振蕩器的波形相關(guān)。在這種情形下，第二振蕩器也可能是一個VCO，比如它可以在其控制輸入端用恒定電壓操作，使得在它的信號輸出端出現(xiàn)具有恒定頻率的振蕩信號。但是，這種方式仍然不能對所有應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)生滿意結(jié)果。其結(jié)果是，如果第一信號的頻率在時間上一個特定的點適合于耦合，而在特定時間以后又分離開，會出現(xiàn)兩個信號暫時被耦合，從而產(chǎn)生混頻。從而，電路所提供隨機數(shù)的質(zhì)量將隨著第一信號的變化頻率而波動。因此，仍然需要能夠產(chǎn)生具有更好質(zhì)量隨機數(shù)的隨機數(shù)發(fā)生器。
DD 279 763 A1描述了一個方法來在微型計算器中產(chǎn)生隨機數(shù)，其中采用了兩個不相關(guān)的電子振蕩，它們的頻率至少相差100倍。振蕩是由兩個相互獨立的源所產(chǎn)生，準(zhǔn)確地說產(chǎn)生的方式使得兩個振蕩之間在頻率和相位角上都不相關(guān)。高頻振蕩由微型計算器所啟動的計數(shù)器進行計數(shù)，低頻振蕩用來終止計數(shù)器。這樣在終止計數(shù)器后，讀取計數(shù)器就可得到隨機數(shù)，用于進一步處理。
US 5,859,540描述了一個保護環(huán)，用于減少光電二極管的暗電流。其中包含有一個在半導(dǎo)體材料中摻雜有高濃度雜質(zhì)的環(huán)形區(qū)，根據(jù)在第4列的描述，它改變了在耗盡區(qū)的位置，從而減少了暗電流。保護環(huán)通常是指半導(dǎo)體材料中的摻雜區(qū)，它環(huán)繞某個器件以限定電流。
本發(fā)明基于這樣一個原則，即提供一系列措施，它們分別或者結(jié)合起來能顯著提高隨機數(shù)發(fā)生器中兩個信號的獨立性。
為此，本發(fā)明專注于集成電路中的隨機數(shù)發(fā)生器。集成電路中有第一時鐘產(chǎn)生電路，其具有第一個電壓供電以產(chǎn)生具有第一頻率或頻率范圍的第一信號；集成電路有第二時鐘產(chǎn)生電路，其具有第二個電壓供電以產(chǎn)生具有第二頻率或頻率范圍的第二信號，其頻率的平均值低于第一頻率；該集成電路中還有一個發(fā)生器，其中第一信號能夠被第二信號采樣，并且發(fā)生器能根據(jù)采樣的結(jié)果以某種方式產(chǎn)生至少一個隨機數(shù)。該發(fā)生器的特征是，在集成電路中時鐘產(chǎn)生電路之間盡可能隔得遠，并且/或者兩個電壓源相互隔開，并且/或者至少在每個時鐘產(chǎn)生器電路中放置一個保護環(huán)。
提供被采樣信號的第一時鐘產(chǎn)生器電路能夠產(chǎn)生固定頻率或輸出在預(yù)定頻率范圍內(nèi)變化的可變頻率。固定頻率情形最為簡單，作為現(xiàn)有技術(shù)在前面已經(jīng)被描述過了，它基于這樣一個原則，即隨機數(shù)不過是由于元件內(nèi)部不可避免噪聲所產(chǎn)生。如今的技術(shù)采用一個完全的頻率范圍，也就是說輸出信號的頻率可變。
同樣的情形適合于第二時鐘產(chǎn)生器電路。雖然后者通常頻率固定，同樣也可能將第二信號設(shè)置為頻率在指定頻率范圍內(nèi)可變。在這種情形下，每個單位時間內(nèi)所產(chǎn)生隨機數(shù)的數(shù)量會隨著第二信號頻率變化而有變化。但是，這種設(shè)置有利于提高隨機數(shù)的質(zhì)量。
如前所述，發(fā)生器通過估計瞬時圖形和兩個信號的值來產(chǎn)生隨機數(shù)。最簡單的情形是，發(fā)生器可以是個觸發(fā)器，其輸入由第一信號提供，并且，例如在控制輸入上出現(xiàn)的第二信號有上升沿時，它的輸出總是連接到一個新的值。本領(lǐng)域的技術(shù)人員都熟悉這種電路的相關(guān)知識。
將集成電路中的兩個時鐘產(chǎn)生器電路以盡可能大的距離分離，這將使兩個信號之間的相互影響隨著距離增大而減小。根據(jù)整個集成電路的尺寸，結(jié)果可能得到不同質(zhì)量。在這里，“相互之間盡可能遠”的含意是指考慮到集成電路中其他電路條件，組成兩個時鐘產(chǎn)生器電路的元件相互之間有足夠的距離，比如放置在集成電路的相向的對角位置。
按照本發(fā)明將電源隔離的效果是，信號不會對電壓源的電流造成道間串?dāng)_(crosstalk)，后者是兩個信號頻率的耦合的慣常路徑。
最后，保護環(huán)也能夠幫助防止信號通過集成電路的擴散。
尤其要注意的是，最好在按照本發(fā)明的集成電路上的隨機數(shù)發(fā)生器上同時采用所有建議的兩項或者三項措施。所有這些措施都能夠提高信號的獨立性。
電壓源最好被用至少一個RC元件隔離。RC元件只允許規(guī)定的窄頻率范圍內(nèi)的信號通過，而阻止其他的頻率。因此，有可能選擇一個RC元件來有效阻止其他不同頻率的信號，使其不進入到其他各自的時鐘產(chǎn)生器電路中去。還可能通過選擇RC元件的大小，以防止信號從時鐘產(chǎn)生器電路中消失。如果輸出頻率為可變頻率，則適于選擇RC元件，以傳送出現(xiàn)的頻率的平均值。盡管用一個RC元件就足以濾除其中一個電壓源，最好是在每個場合下為每個時鐘產(chǎn)生器電路提供一個RC元件，并對后者進行隔離。
作為一個可替換辦法，或者在采用RC元件的同時，還可能利用至少一個電壓穩(wěn)定器來隔離電壓源。在這種情形下，兩個時鐘產(chǎn)生器電路都先由共同的電壓源供電，但電壓源分別經(jīng)過電壓穩(wěn)定器，從而按照設(shè)計也可對信號進行隔離。
本發(fā)明的特征在于第一信號有可變頻率，或者在第二信號中有可變頻率。正如在前面所解釋的那樣，這要通過使用相應(yīng)的元件來允許頻率周期性變化。
正如在對現(xiàn)有技術(shù)說明時提到的那樣，第二信號的頻率顯著地低于第一信號頻率是有利的。具體是建議使第二信號的頻率至少低于第一信號的十倍，甚至更好地是低于一百倍。
頻率選擇有可能對第二信號產(chǎn)生所謂的抖動(隨時間產(chǎn)生的指定信號狀態(tài)的變化)，抖動分布在第一信號的多個振蕩中，因此有可能對第一信號實現(xiàn)更多的隨機采樣。
發(fā)生器產(chǎn)生至少一個隨機數(shù)。但是，由于時鐘產(chǎn)生器電路提供連續(xù)的信號，發(fā)生器適合并且最好產(chǎn)生一個隨機數(shù)序列。在實際情況中，通常會產(chǎn)生一個隨機數(shù)字流，根據(jù)第二信號波形到達的具體區(qū)域而定，每個到達區(qū)域都會產(chǎn)生一個數(shù)字或者一個數(shù)位。例如，有可能設(shè)計出這樣的發(fā)生器，它產(chǎn)生含有0和1的二進制數(shù)字，在每個情形中將預(yù)定數(shù)目的這些二進制值組合起來形成一個完整的隨機數(shù)。因此，比如說，有可能結(jié)合16或者32個二進制數(shù)來組成合適的16位或32位隨機數(shù)。
前面已經(jīng)解釋過，在簡化的實施例中，發(fā)生器中可以只包含一個觸發(fā)器。但是，盡管采用本發(fā)明中的措施，發(fā)生器在產(chǎn)生隨機數(shù)的時候會提供非恒定電壓，原因比如是第二信號的非恒定頻率所致。而且，隨機數(shù)可能被導(dǎo)致趨向一個特定的值，也就是說具有一個固有的權(quán)重。因此產(chǎn)生器最好有一個均衡電路，以補償非恒定電壓和/或隨機數(shù)生成中的權(quán)重。如果第二信號(用來對第一信號采樣)也有漂移特征(也就是說頻率在最小和最大值之間周期性變動)，那么隨機數(shù)發(fā)生器的電壓也會隨著頻率而變化。推薦采用均衡電路進行補償，比如可以通過一個反饋移位寄存器，將隨機數(shù)發(fā)生器的輸出信號連接到寄存器，來實現(xiàn)均衡電路。眾所周知，移位寄存器是個熵存儲器。如果信號，比如說數(shù)據(jù)位，以恒定的速率從移位寄存器中取出(該速率小于或等于隨機數(shù)發(fā)生器的最小輸出信號速率)，則取出的信號流(比如一個位流)的熵大于或等于隨機數(shù)發(fā)生器的信號流的熵。但是，在電路中還可考慮其他后處理方法來改進所產(chǎn)生隨機數(shù)的質(zhì)量。
在其它較佳的實施例中，第一和/或第二時鐘產(chǎn)生器電路可以具有至少一個電壓耦合振蕩器和另一個振蕩器，其信號輸出連接到電壓耦合振蕩器的控制輸入端。這種安排盡管在沒有在本發(fā)明中實現(xiàn)，但原理上是可理解的，可以進一步改善隨機數(shù)的質(zhì)量。另一個振蕩器也可能是控制輸入端連接到恒定電壓上的電壓耦合振蕩器。以這種方式，電壓耦合振蕩器像一個簡單振蕩器，只輸出一個頻率。當(dāng)使用電壓耦合振蕩器時，電路可以從總體上進行簡化，因為不同器件或元件需求得更少。
為了進一步改善所產(chǎn)生的隨機數(shù)的質(zhì)量，還推薦對第一和/或第二時鐘產(chǎn)生器電路采用大量串聯(lián)的電壓耦合振蕩器，除了最后一級外，每個電壓耦合振蕩器的輸出都連接到下一電壓耦合振蕩器的控制輸入端。按這種方式，有可能在第一信號輸出中得到更為復(fù)雜的頻率模式，使得用第二信號進行采樣的周期性進一步增加。
圖2表示根據(jù)本發(fā)明的較為復(fù)雜的時鐘產(chǎn)生器電路。
第二時鐘產(chǎn)生器電路13有一個時鐘產(chǎn)生器用于第二信號，它在此較簡單的實施例中，例如可以是一個有恒定頻率的振蕩器。通過電壓源15(用于第二時鐘產(chǎn)生器)和電壓源連線16，為上述振蕩器提供合適的工作電壓。第一時鐘產(chǎn)生器電路2通過一個第一信號的信號輸出端11輸出信號，該信號通過第一信號的信號線12輸送到隨機數(shù)發(fā)生器。第二信號的時鐘產(chǎn)生器14也通過第二信號的信號輸出端17和信號線18將信號輸出到隨機數(shù)發(fā)生器。生成隨機數(shù)之后，隨機數(shù)發(fā)生器19通過隨機數(shù)輸出端22輸出隨機數(shù)。
第一時鐘產(chǎn)生器電路2還具有一個電壓源4，它通過電壓供電線6、7為時鐘發(fā)生器提供能量。對第二個時鐘發(fā)生器電路13提供第二個電壓源，該電壓源通過電壓供電線16為時鐘產(chǎn)生器14提供能量。
根據(jù)本發(fā)明，兩個時鐘產(chǎn)生器電路2和13在集成電路1中按相互之間隔離得盡可能遠來放置。這通過將相應(yīng)的元件放置在集成電路的斜對角位置來實現(xiàn)。如果在技術(shù)上以其他方式不可能實現(xiàn)這一點，也有可能在其他的位置來放置時鐘產(chǎn)生器電路。
另外，根據(jù)該發(fā)明還要在兩個時鐘產(chǎn)生器電路周圍放置保護環(huán)。在隨后的示例中，將P型摻雜或N型摻雜保護環(huán)20放置在用于第一信號的時鐘產(chǎn)生器電路2的周圍，而將同樣類型摻雜的保護環(huán)21放置在第二時鐘產(chǎn)生器電路13的周圍。
最后，按照該發(fā)明的要求，可以將兩個電壓源4和15根據(jù)前面所說明的措施那樣相互間進行隔離(沒有顯示出來)。
圖2顯示了該發(fā)明的一個較為復(fù)雜的示例裝置。在這里，第一時鐘產(chǎn)生器電路2總共有3個VCO，分別稱為第一信號的時鐘產(chǎn)生器3，第一信號的第二VCO 23和第一信號的第三VCO 24，它們都由電壓源4通過電壓供電線6、7提供電壓。
第三VCO 24通過它的信號輸出端30和信號線29輸出具有恒定頻率的信號到第二個VCO 23的輸入端31，第二VCO 23然后在信號輸出端9輸出可變頻率的信號，該信號通過信號線8被送到第一時鐘產(chǎn)生器3的輸入端10。上述第一時鐘產(chǎn)生器從而會產(chǎn)生一個更加復(fù)雜的信號，然后傳送到隨機數(shù)發(fā)生器19，如前所述。在本實施例中，對第二信號的產(chǎn)生將采用同樣的方式。在這里，采用三個VCO 25、26和27，它們都通過電壓供電線16、28被供電。
按照本發(fā)明設(shè)置的隨機數(shù)發(fā)生器比以前所知電路有可能產(chǎn)生具有更好質(zhì)量的隨機數(shù)。所建議的方案格外簡潔，根據(jù)本發(fā)明能夠以更佳的成本效益比(cost-effective)具體地實現(xiàn)隨機數(shù)發(fā)生器。
權(quán)利要求
1.集成電路(1)中的隨機數(shù)發(fā)生器(1)，該集成電路具有第一時鐘發(fā)生器電路(2)、第二時鐘發(fā)生器電路(13)、以及發(fā)生器(19)，其中，第一時鐘發(fā)生器電路(2)具有第一個電壓源(4)，用于產(chǎn)生具有第一頻率或者第一個頻率范圍內(nèi)的第一信號；第二時鐘發(fā)生電路(13)具有第二個電壓源(15)，用于產(chǎn)生具有平均值比第一頻率低的第二頻率或者第二頻率范圍的第二信號；發(fā)生器(19)中的第一信號能夠被第二信號采樣，并且發(fā)生器能根據(jù)采樣的結(jié)果以某種方式產(chǎn)生至少一個隨機數(shù)，特征是時鐘發(fā)生器電路(2，13)在集成電路(1)中相互之間盡可能放置得遠，并且/或者兩個電壓源(4，15)相互隔離，并且/或者在每個時鐘發(fā)生器電路(2，13)周圍放置至少一個保護環(huán)(20，21) 。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隨機數(shù)發(fā)生器，其特征是時鐘發(fā)生器電路(2，13)在集成電路(1)中相互之間盡可能放置得遠，并且兩個電壓源(4，15)相互隔離，并且在每個時鐘發(fā)生器電路(2，13)周圍放置至少一個保護環(huán)(20，21)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的隨機數(shù)發(fā)生器，其特征是時鐘發(fā)生器電路在集成電路(1)中互為對角的角落區(qū)域放置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1到3的任一項所述的隨機數(shù)發(fā)生器，其特征是電壓源(4，15)至少通過一個RC元件進行隔離。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的隨機數(shù)發(fā)生器，其特征是兩個電壓源(4，15)都通過一個RC元件進行隔離。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的隨機數(shù)發(fā)生器，其特征是隔離時鐘發(fā)生器電路(2，13)之一的RC元件的去耦頻率相當(dāng)于相應(yīng)的或者另一個時鐘發(fā)生器電路(2，13)的信號的頻率范圍的平均值。
7.根據(jù)權(quán)利要求1到6的任一項所述的隨機數(shù)發(fā)生器，其特征是電壓源(4，15)通過至少一個電壓調(diào)節(jié)器進行隔離。
8.根據(jù)權(quán)利要求1到7的任一項所述的隨機數(shù)發(fā)生器，其特征是第一信號具有一個可變頻率。
9.根據(jù)權(quán)利要求1到8的任一項所述的隨機數(shù)發(fā)生器，其特征是第二信號具有一個可變頻率。
10.根據(jù)權(quán)利要求1到9的任一項所述的隨機數(shù)發(fā)生器，其特征是第二信號的頻率至少比第一信號的頻率低十倍。
11.根據(jù)權(quán)利要求10中所述的隨機數(shù)發(fā)生器，其特征是第二信號的頻率至少比第一信號的頻率低一百倍。
12.根據(jù)權(quán)利要求1到11的任一項所述的隨機數(shù)發(fā)生器，其特征是發(fā)生器(19)能產(chǎn)生一個隨機數(shù)序列。
13.根據(jù)權(quán)利要求1到12的任一項所述的隨機數(shù)發(fā)生器，其特征是發(fā)生器(19)進一步具有一個均衡電路(32)，用于補償非恒定功率和/或隨機數(shù)產(chǎn)生中的權(quán)重。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的隨機數(shù)發(fā)生器，其特征是均衡電路(32)具有一個線性反饋移位寄存器。
15.根據(jù)權(quán)利要求1到14的任一項所述的隨機數(shù)發(fā)生器，其特征是第一和/或第二時鐘發(fā)生器電路(2，13)至少有一個電壓耦合振蕩器(3，23，25，26)，以及一個另外的振蕩器(5，24，27)，其信號輸出(9)連接到電壓耦合振蕩器(3，23，25，26)的控制輸入端(10)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的隨機數(shù)發(fā)生器，其特征是所述另外的振蕩器是電壓耦合振蕩器(23，24，26，27)，其控制輸入端連接到一恒定電壓上。
17.根據(jù)權(quán)利要求15或16所述的隨機數(shù)發(fā)生器，其特征是第一和/或第二時鐘發(fā)生器具有多個串聯(lián)的電壓耦合振蕩器，除了最后一級外，每個電壓耦合振蕩器的信號輸出都連接到下一電壓耦合振蕩器的控制輸入端。
全文摘要
本發(fā)明涉及集成電路(1)中的隨機數(shù)發(fā)生器，集成電路具有第一時鐘發(fā)生器電路(2)、第二時鐘發(fā)生器電路(13)和發(fā)生器(19)。第一時鐘發(fā)生器電路(2)有第一電壓源(4)，以產(chǎn)生具有第一頻率或者第一頻率范圍的第一信號。第二時鐘發(fā)生電路(13)具有第二電壓源(15)，以產(chǎn)生具有第二頻率或者第二頻率范圍的第二信號，頻率范圍的平均值比第一種頻率要低。發(fā)生器(19)中的第一信號能夠被第二信號采樣，并且發(fā)生器能根據(jù)采樣的結(jié)果以某種方式產(chǎn)生至少一個隨機數(shù)。特征是時鐘發(fā)生器電路(2，13)在集成電路(1)中相互之間盡可能放置得遠，并且/或者兩個電壓源(4，15)相互隔離，并且/或者在每個時鐘發(fā)生器電路(2，13)周圍放置至少一個保護環(huán)(20，21)。
文檔編號H04L9/22GK1397034SQ01804209
公開日2003年2月12日 申請日期2001年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2000年1月27日
發(fā)明者N·詹斯森 申請人:因芬尼昂技術(shù)股份公司