深亚微米工艺下物理噪声源的瞬态噪声分析

    1 引言

    噪声源在电子测量、通信系统和密码学等方面都有着很源,前者可以用数学算法实现,通常不能生成真正的随机序列,存在一些缺陷。要获取真正的随机数,常使用物理噪声源。对于信息安全系统,比如数据加密、密钥管理、公钥和私钥的产生、数字签名、身份鉴定等,伪随机序列不能满足要求,因此物理噪声源起着非常重要的作用[2]。

    噪声源可以通过频域模型对噪声进行谱分析与设计,其随机性检验通常是在流片后对样品测试完成的。文献[4]通过建立噪声源行为模型的方法对噪声源方案进行分析,并用2LmCMOS工艺制作了器件原型,对产生的序列样本进行了统计随机性测试检验。文献[2]从频域的角度对噪声进行功率谱分析,并用1. 2Lm工艺流片后,通过计算其输出比特流的功率谱自相关函数和概率分布来测试随机性。但是,对电路进行频域分析仅能体现电路的统计学特性,不能完全保证在时域上满足电路要求。文献[5]采用振荡采样的方法,用亚微米工艺(0. 18LmCMOS)实现了一种高速低功耗物理噪声源,并进行了随机性测试。由于上述方案均是在流片后对随机性进行测试,所以存在流片失败风险。若在设计过程中就对其随机性进行仿真将更有助于优化设计,减少一次性工程(NRE)费用。

    瞬态噪声分析( transient noise analysis)是一种可以对带噪声的电路进行时域仿真的方法,常用于设计能够检测弱峰值信号的峰值检测器和噪声信号易导致电路饱和的高增益电路等。本文针对新的工艺发展,采用文献[5]中结构方案在90nm工艺下对噪声源进行重新设计,将瞬态噪声分析方法运用到物理噪声源设计中,即把频域噪声模型转化到时域,在时域瞬态仿真中加入噪声的影响。根据已进行的文献调研结果,本文是第一次将上述分析方法运用到噪声源的随机性分析中。实现了在设计过程中仿真生成随机序列,对噪声源随机性进行分析。使用Cadence Spectre仿真工具和GP-DK090 90nm工艺设计包,通过瞬态噪声仿真生成随机序列,并对其进行随机性检验,通过了FIPS140-2国际标准测试。

    2 基本原理与电路实现

    物理噪声源主要由三种方法实现[4]:热噪声直接放大、振荡器采样和离散时间的混沌系统。电路中大电阻的热噪声是最易于获得的随机物理信号。热电阻噪声源电路广泛应用于芯片设计中。振荡采样法利用环形振荡器的频率抖动作为噪声源,依靠振荡器的相位噪声产生随机数。混沌系统依据序列轨迹的分散性,通常可以利用离散时间模拟信号处理技术实现。

    本文采用电路基本方案如图1所示[5],电路采用90nm工艺设计,放大器和运算跨导放大器部分由2. 5V电源供电,其余单元供电电压为1. 2V。电路包含一个三角波振荡器结构[7],叠加噪声的三角波经过施密特触发器生成带有抖动的低速率方波,该方波作为D触发器的时钟端,对高速率方波进行采样生成随机序列,通常高速率方波的频率是低速率方波的100倍以上。