一种新型基于振荡器采样的真随机数发生器的研究与设计

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1、硕士学位论文一种新型基于振荡器采样的真随机数发生器的研究与设计作者姓名郭晓昕学科专业微电子学与固体电子学指导教师蔡敏教授所在学院电子与信息学院论文提交日期2018年4月TheResearchandDesignofaNovelGeneratorforTrueRandomNumberBasedontheOscillatorSamplingADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：GuoXiaoxinSupervisor：Prof.CaiMinSouthChinaUniv

2、ersityofTechnologyGuangzhou,China分类号：TN4学校代号：10561尚品J号：201520108294华南理工大学硕士学位论文囡1illlll发生器的研究与设计作者姓名：郭晓昕指导教师姓名、职称：蔡敏、教授申请学位级别：学术硕士学科专业名称：微电子与固体电子学研究方向：模拟集成电路设计论文提交日期："7111�年手月》f]论文答辩H期：》，i6月斗日年学位授予单位：华南理工大学学价，授予日期：月El点儿也叹y,t年委员：摘要随着科技的发展，人们对隐私安全、财产安全以及信息安全的需求愈加迫切，对各

3、种加密技术以及安全加密芯片的要求也变得越来越高。随机数发生器作为加密技术中不可缺少的一部分，它的性能要求也变得越来越严格。本文对随机数的产生方法进行了理论研究，设计了一款新型基于振荡器采样的真随机数发生器。主要工作包括：用MATLAB对本文提出的架构进行验证，并完成了高、低频时钟振荡器以及带隙基准等重要电路的设计。设计了一种基于线性反馈移位寄存器结构的伪随机源电路，通过检测不同采样速率下伪随机源产生的随机数，发现采样速率越低，随机数特性越好；通过控制电流型环形振荡器的方式实现了一种由伪随机序列加扰的高频时钟。通过张弛振荡器产生

4、了一种带有高jitter的低频时钟信号，并利用低频采样高频时钟的方式将jitter的真随机因子引入到被加扰的高频时钟的伪随机处理中，保证了整个随机数发生器的真随机性。设计了一种带隙基准源电路，利用MOS管阈值电压的温度特性对带隙基准电压进行二阶曲率补偿，并将补偿电压作为时钟源的参考电压，使得温度特性得到改善，在温度变化时随机数发生器的随机性保持良好。整个系统对传统振荡器采样技术的改进，不仅增强了采样结果的随机性，还使得该系统高、低频时钟频率之间的比例明显减小，大大降低了功耗。最后利用UMC工艺进行了版图设计。验证结果表明：该新

5、型随机数发生器的输出比特率为1Mbps，正常工作电压为5V，芯片面积为0.06mm2，功耗为0.715mW。整个系统的随机数通过了加密标准FIPS140-2的测试。关键词：真随机数；振荡器采样；伪随机源；高jitter；低功耗；带隙基准IAbstractWiththedevelopmentoftechnology,thepeople’ssafetyrequirementofprivacy,propertyandinformationisurgent,andthedemandforencryptiontechnologyands

6、ecureencryptionchipwouldbehigher.Asonenecessarypartoftheencryptiontechnology,therequirementofthegenerationoftherandomnumberismorestrict.Afterthetheoreticalresearchofthegenerationoftherandomnumber,anoveltruerandomnumbergenerationwhichisbasedonthesamplingbyoscillatori

7、sproposedinthispaper.Themainworkincludesasfollows:thearchitectureinthispaperistestedfeasiblebyMATLAB,thedesignsofoscillatorsofhighfrequencyandlowfrequency,thebandgapareachievedsuccessfully.Onegenerationofpseudo-randomnumberbasedontheLFSRisdesignedandthereisaresultth

8、atthefeatureoftherandomnumberisbetterwhenthesamplingrateisslower;thescramblinghighfrequencyclockwithpseudo-randomisachievedbycontrollingth