一種基于真隨機數(shù)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鐘的控制下，隨機序列發(fā)生器產生隨機信號，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，因此振蕩器產生了隨機振蕩信號。在振蕩器中，通過改變電容的充電電流的大小，從而調節(jié)隨機振蕩器的振蕩信號的周期。振蕩器產生的振蕩信號經過二分頻電路整形后產生的時鐘頻率在某一頻率范圍內隨機變化。

2 真隨機數(shù)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(shù)發(fā)生器的許多設計方法已經產生。本電路設計的思路是利用D觸發(fā)器“振蕩采樣法”，核心部分是一個下降沿觸發(fā)的D觸發(fā)器，用于對兩個相對獨立的方波進行數(shù)字混合，即將一個高頻方波送觸發(fā)器時鐘端，另一個低頻方波送入數(shù)據(jù)輸入端。但文獻[10]提出了一種振蕩采樣法的結構需要兩個振蕩器，電路復雜，不能滿足擴展頻譜振蕩器的需要。

2.2 電路設計

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

當使能信號EN為高電平時，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D觸發(fā)器實現(xiàn)對兩個獨立的方波進行數(shù)字混合，后面16個D觸發(fā)器構成一個16位的移位寄存器。為了補償輸出分布的不均勻，在采樣時鐘的節(jié)拍下，每次將第一個D觸發(fā)器采樣得到的單個隨機位逐次移位，然后將移位寄存器的第二個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D觸發(fā)器的數(shù)據(jù)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個時鐘的輸出值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(jù)高斯分布的特征之一，隨機變量(周期)的變化會引起標準變差的相同變化。如果我們考慮相隔14個周期的采樣值，而不是連續(xù)采樣值，這樣第14個時鐘邊緣相對于第一個時鐘邊緣的標準是原來的14倍。于是相隔多個周期的采樣值就會具有較小的相關性，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D觸發(fā)器的數(shù)據(jù)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鐘的節(jié)拍下，第一個D觸發(fā)器對輸入隨機數(shù)據(jù)b12進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)，在設計時可以調節(jié)R1的大小實現(xiàn)對充電電流基I1的調整。M10～M18構成了電壓比較器，利用M18，M19電流鏡產生單端輸出Vout。由M25產生鏡像電流I2，對時間常數(shù)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(xù)隨機變化。