一種基于真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的擴(kuò)展頻譜CMOS振蕩器的設(shè)

1 擴(kuò)展頻譜振蕩器的結(jié)構(gòu)

整個(gè)電路的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由隨機(jī)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(hào)和反饋時(shí)鐘的控制下，隨機(jī)序列發(fā)生器產(chǎn)生隨機(jī)信號(hào)，與整形電路的反饋信號(hào)一起控制振蕩器工作，這樣振蕩器中對(duì)電容充電電流的大小在一定范圍內(nèi)是隨機(jī)跳變的，因此振蕩器產(chǎn)生了隨機(jī)振蕩信號(hào)。在振蕩器中，通過(guò)改變電容的充電電流的大小，從而調(diào)節(jié)隨機(jī)振蕩器的振蕩信號(hào)的周期。振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號(hào)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(nèi)隨機(jī)變化。

2 真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器電路

2.1 設(shè)計(jì)思路

在以往的文獻(xiàn)[5-9]中，真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的許多設(shè)計(jì)方法已經(jīng)產(chǎn)生。本電路設(shè)計(jì)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(duì)兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的方波進(jìn)行數(shù)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(shù)據(jù)輸入端。但文獻(xiàn)[10]提出了一種振蕩采樣法的結(jié)構(gòu)需要兩個(gè)振蕩器，電路復(fù)雜，不能滿足擴(kuò)展頻譜振蕩器的需要。

2.2 電路設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)[10]振蕩采樣法的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，本文設(shè)計(jì)了一種僅需要一個(gè)振蕩器的隨機(jī)序列發(fā)生器。

當(dāng)使能信號(hào)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(jí)D觸發(fā)器，第一個(gè)D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)獨(dú)立的方波進(jìn)行數(shù)字混合，后面16個(gè)D觸發(fā)器構(gòu)成一個(gè)16位的移位寄存器。為了補(bǔ)償輸出分布的不均勻，在采樣時(shí)鐘的節(jié)拍下，每次將第一個(gè)D觸發(fā)器采樣得到的單個(gè)隨機(jī)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(hào)b12又被送入到第一個(gè)D觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸人端。電路的輸出信號(hào)為移位寄存器的后四位，即為：c5，c6，c7，a10。

在電路設(shè)計(jì)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(yù)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(jī)變量(周期)的變化會(huì)引起標(biāo)準(zhǔn)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(xù)采樣值，這樣第14個(gè)時(shí)鐘邊緣相對(duì)于第一個(gè)時(shí)鐘邊緣的標(biāo)準(zhǔn)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(yù)知輸出值的概率就很小。這樣，b7和a10相異或得到的b12信號(hào)是一預(yù)知概率很小的隨機(jī)信號(hào)，所以送入到第一個(gè)D觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入端的信號(hào)為隨機(jī)信號(hào)。

綜上所述，在某范圍內(nèi)隨機(jī)采樣時(shí)鐘的節(jié)拍下，第一個(gè)D觸發(fā)器對(duì)輸入隨機(jī)數(shù)據(jù)b12進(jìn)行采樣得到隨機(jī)信號(hào)。為了得到分布均勻的輸出信號(hào)，將采樣所得到的隨機(jī)信號(hào)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(jī)輸出信號(hào)c5，c6，c7，a10。

3 振蕩器電路設(shè)計(jì)

CMOS隨機(jī)振蕩器電路的工作原理圖如圖3所示。M1～M5，M7，M8，R1構(gòu)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(shè)計(jì)時(shí)可以調(diào)節(jié)R1的大小實(shí)現(xiàn)對(duì)充電電流基I1的調(diào)整。M10～M18構(gòu)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(duì)時(shí)間常數(shù)電容C充電。隨機(jī)電流充電電路由隨機(jī)控制信號(hào)(V1～V4)隨機(jī)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(zhǎng)比比值設(shè)計(jì)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(nèi)連續(xù)隨機(jī)變化。