一種基于真隨機數發(fā)生器的擴展頻譜CMOS振蕩器的設

1 擴展頻譜振蕩器的結構

整個(gè)電路的基本結構如圖1所示，它由隨機序列發(fā)生器、振蕩器電路、整形電路及二分頻電路四部分組成。在外部使能信號和反饋時(shí)鐘的控制下，隨機序列發(fā)生器產(chǎn)生隨機信號，與整形電路的反饋信號一起控制振蕩器工作，這樣振蕩器中對電容充電電流的大小在一定范圍內是隨機跳變的，因此振蕩器產(chǎn)生了隨機振蕩信號。在振蕩器中，通過(guò)改變電容的充電電流的大小，從而調節隨機振蕩器的振蕩信號的周期。振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號經(jīng)過(guò)二分頻電路整形后產(chǎn)生的時(shí)鐘頻率在某一頻率范圍內隨機變化。

2 真隨機數發(fā)生器電路

2.1 設計思路

在以往的文獻[5-9]中，真隨機數發(fā)生器的許多設計方法已經(jīng)產(chǎn)生。本電路設計的思路是利用D觸發(fā)器“振蕩采樣法”，核心部分是一個(gè)下降沿觸發(fā)的D觸發(fā)器，用于對兩個(gè)相對獨立的方波進(jìn)行數字混合，即將一個(gè)高頻方波送觸發(fā)器時(shí)鐘端，另一個(gè)低頻方波送入數據輸入端。但文獻[10]提出了一種振蕩采樣法的結構需要兩個(gè)振蕩器，電路復雜，不能滿(mǎn)足擴展頻譜振蕩器的需要。

2.2 電路設計

通過(guò)對文獻[10]振蕩采樣法的結構進(jìn)行改進(jìn)，本文設計了一種僅需要一個(gè)振蕩器的隨機序列發(fā)生器。

當使能信號EN為高電平時(shí)，整體電路如圖2所示。在此電路中共有17級D觸發(fā)器，第一個(gè)D觸發(fā)器實(shí)現對兩個(gè)獨立的方波進(jìn)行數字混合，后面16個(gè)D觸發(fā)器構成一個(gè)16位的移位寄存器。為了補償輸出分布的不均勻，在采樣時(shí)鐘的節拍下，每次將第一個(gè)D觸發(fā)器采樣得到的單個(gè)隨機位逐次移位，然后將移位寄存器的第二個(gè)D觸發(fā)器的輸出與最后的D觸發(fā)器的輸出異或，此信號b12又被送入到第一個(gè)D觸發(fā)器的數據輸人端。電路的輸出信號為移位寄存器的后四位，即為：c5，c6，c7，a10。

在電路設計中，利用了異或電路把相隔14個(gè)時(shí)鐘的輸出值b7和a10相異或，這樣得到b12的預知輸出值的概率很小。其原理是根據高斯分布的特征之一，隨機變量(周期)的變化會(huì )引起標準變差的相同變化。如果我們考慮相隔14個(gè)周期的采樣值，而不是連續采樣值，這樣第14個(gè)時(shí)鐘邊緣相對于第一個(gè)時(shí)鐘邊緣的標準是原來(lái)的14倍。于是相隔多個(gè)周期的采樣值就會(huì )具有較小的相關(guān)性，預知輸出值的概率就很小。這樣，b7和a10相異或得到的b12信號是一預知概率很小的隨機信號，所以送入到第一個(gè)D觸發(fā)器的數據輸入端的信號為隨機信號。

綜上所述，在某范圍內隨機采樣時(shí)鐘的節拍下，第一個(gè)D觸發(fā)器對輸入隨機數據b12進(jìn)行采樣得到隨機信號。為了得到分布均勻的輸出信號，將采樣所得到的隨機信號利用移位寄存器逐次移位，從而得到了分布均勻的四路隨機輸出信號c5，c6，c7，a10。

3 振蕩器電路設計

CMOS隨機振蕩器電路的工作原理圖如圖3所示。M1～M5，M7，M8，R1構成了單位增益緩沖器，使，決定了振蕩器的充電電流基I1(I1=Vo／R1)，在設計時(shí)可以調節R1的大小實(shí)現對充電電流基I1的調整。M10～M18構成了電壓比較器，利用M18，M19電流鏡產(chǎn)生單端輸出Vout。由M25產(chǎn)生鏡像電流I2，對時(shí)間常數電容C充電。隨機電流充電電路由隨機控制信號(V1～V4)隨機打開(kāi)M27～M30管，由于鏡像的作用，電容C充電電流變大，加快電容C充電速度，即改變了振蕩器的頻率。在電路中M21～M24各管的寬長(cháng)比比值設計為8：4：2：1，使振蕩器的振蕩頻率可以完全覆蓋某一頻率范圍，從而保證該振蕩器在某一頻率范圍內連續隨機變化。