噪声电流源和抖动振荡系统.pdf

本发明提供一种噪声电流源和抖动振荡系统。该噪声电流源抖动振荡器，包括：第一共源共栅电路、第二共源共栅电路和共模反馈电路，其中，所述第一共源共栅电路输出的第一电压与所述第二共源共栅电路输出的第二电压控制所述共模反馈的输出电平。从而提升了随机数的产生速率与质量。

权利要求书1.  一种噪声电流源，其特征在于，包括： 第一共源共栅电路、第二共源共栅电路和共模反馈电路，其中，所述第 一共源共栅电路输出的第一电压与所述第二共源共栅电路输出的第二电压控 制所述共模反馈电路的输出电平。 2.  根据权利要求1所述的噪声电流源，其特征在于，所述第一共源共栅 电路，包括第一Mos管、第二Mos管、第三Mos管和第四Mos管，其中， 从所述第一Mos管漏极输出的电流输入到所述第二Mos管的源极，从所述第 二Mos管的漏极输出的电流输入所述第三Mos管的源极，从所述第三Mos 管的漏极输出的电流输入所述第四Mos管的源极； 所述第二共源共栅电路，包括第五Mos管、第六Mos管、第七Mos管 和第八Mos管，其中，从所述第五Mos管漏极输出的电流输入到所述第六 Mos管的源极，从所述第六Mos管的漏极输出的电流输入所述第七Mos管的 源极，从所述第七Mos管的漏极输出的电流输入所述第八Mos管的源极； 所述第一Mos管的栅极与所述第五Mos管的栅极连接，所述第二Mos 管的栅极与所述第六Mos管的栅极连接，所述第三Mos管的栅极与所述第七 Mos管的栅极连接，所述第四Mos管的栅极与所述第八Mos管的栅极连接。 3.  根据权利要求2所述的噪声电流源，其特征在于，所述共模反馈电路， 包括：第九Mos管、第十Mos管、第十一Mos管和第十二Mos管；其中， 所述第十Mos管的栅极与所述第十一Mos管的栅极连接，所述第九Mos管 的栅极与所述第六Mos管的漏极连接，所述第十二Mos管的栅极与所述第二 Mos管的漏极连接。 4.  一种抖动振荡系统，其特征在于，包括：如权利要求1-3任一项的所 述噪声电流源和振荡器，所述噪声电流源与所述振荡器连接，所述噪声电流 源的输出电流输入所述振荡器。 5.  根据权利要求4所述的系统，其特征在于，还包括：频率倍增器； 所述频率倍增器，与所述振荡器连接，用于对所述振荡器输出的振荡频 率进行放大。 6.  根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述频率倍增器至少包括 第一频率倍增单元，所述第一频率倍增单元的振荡频率与所述振荡器的振荡 频率相等； 所述第一频率倍增单元包括：第一反相器、第一电阻、第一异或门和第 一电容，其中，所述振荡器输出电压通过所述第一反相器输出第一电压和第 二电压，所述第一电压通过所述第一电阻后与所述第二电压通过第一异或门， 获得第一输出电压。 7.  根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述频率倍增器，还包括： 第二频率倍增单元，所述第二频率倍增单元的振荡频率为所述振荡器的振荡 频率的两倍； 所述第二频率倍增单元包括：第二反相器、第二电阻、第二异或门和第 二电容，其中，所述第一输出电压通过所述第二反相器输出第三电压和第四 电压，所述第三电压通过所述第二电阻后与所述第四电压通过第二异或门， 获得第二输出电压。 8.  根据权利要求4-7任一项所述的系统，其特征在于，所述振荡器的振 荡频率根据所述噪声电流源的功率谱密度确定。 9.  根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述振荡器为低频振荡器。

说明书噪声电流源和抖动振荡系统
技术领域
本发明涉及电子领域，尤其涉及一种噪声电流源和抖动振荡系统。
背景技术
互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，简称 CMOS)片上随机数发生器设计中常用的方法是振荡器采样法，即根据两个独 立工作的高频振荡器、低频振荡器之间的相对关系获得非确定噪声源，也就是 说，通过低频振荡器采样高频振荡器，从而产生随机数序列。
在现有技术中，为了增加低频振荡器的抖动性，将低频振荡器分别与 随机序列发生器、整形电路及二分频电路连接，在外部使能信号和反馈时 钟的控制下，随机序列发生器产生随机信号,与整形电路的反馈信号一起控 制振荡器工作,以使低频振荡器中对电容充电电流的大小在一定范围内是 随机跳变的,并使振荡器产生随机振荡信号，接着，该振荡信号经过二分频 电路整形后产生在某一频率范围内随机变化的时钟频率。
然而，在上述现有技术中，随机序列发生器是固定不变的，也就是说， 在固定频率范围内出现频率的随机抖动，即产生振荡信号，产生随机数的 速率及质量较低，从而降低了振荡器的抖动量。
发明内容
本发明提供一种噪声电流源和抖动振荡器振荡系统，用以解决随机数产 生的速率及质量较低的问题。
本发明的第一个方面是提供一种噪声电流源抖动振荡器，包括：
第一共源共栅电路、第二共源共栅电路和共模反馈电路，其中，所述第 一共源共栅电路输出的第一电压与所述第二共源共栅电路输出的第二电压控 制所述共模反馈的输出电平。
可选的，所述第一共源共栅电路，包括第一Mos管、第二Mos管、第三 Mos管和第四Mos管，其中，从所述第一Mos管漏极输出的电流输入到所述 第二Mos管的源极，从所述第二Mos管的漏极输出的电流输入所述第三Mos 管的源极，从所述第三Mos管的漏极输出的电流输入所述第四Mos管的源极；
所述第二共源共栅电路，包括第五Mos管、第六Mos管、第七Mos管 和第八Mos管，其中，从所述第五Mos管漏极输出的电流输入到所述第六 Mos管的源极，从所述第六Mos管的漏极输出的电流输入所述第七Mos管的 源极，从所述第七Mos管的漏极输出的电流输入所述第八Mos管的源极；
所述第一Mos管的栅极与所述第五Mos管的栅极连接，所述第二Mos 管的栅极与所述第六Mos管的栅极连接，所述第三Mos管的栅极与所述第七 Mos管的栅极连接，所述第四Mos管的栅极与所述第八Mos管的栅极连接。
可选的，所述共模反馈电路，包括：第九Mos管、第十Mos管、第十一 Mos管和第十二Mos管；其中，所述第十Mos管的栅极与所述第十一Mos 管的栅极连接，所述第九Mos管的栅极与所述第六Mos管的漏极连接，所述 第十二Mos管的栅极与所述第二Mos管的漏极连接。
本发明的第二个方面是提供一种一种抖动振荡系统，包括：如上述第一 个方面所述的噪声电流源和振荡器，所述噪声电流源与所述振荡器连接，所 述噪声电流源的输出电流输入所述振荡器。
可选的，还包括：频率倍增器；
所述频率倍增器，与所述低频振荡器连接，用于对所述低频振荡器输出 的震荡振荡频率进行放大。
可选的，所述频率倍增器至少包括第一频率倍增单元，所述第一频率倍 增单元的震荡振荡频率与所述振荡器的震荡振荡频率相等；
所述第一频率倍增单元包括：第一反相器、第一电阻、第一异或门和第 一电容，其中，所述震荡振荡器振荡器输出电压通过所述第一反相器输出第 一电流电压和第二电压流，所述第一电压流通过所述第一电阻后与所述第二 电压流通过第一异或门，获得第一输出电压流。
可选的，所述频率倍增器，还包括：第二频率倍增单元，所述第二频率 倍增单元的震荡振荡频率为所述振荡器的振震荡振荡频率的两倍；
所述第二频率倍增单元包括：第二反相器、第二电阻、第二异或门和第 二电容，其中，所述第一输出电流电压通过所述第二反相器输出第三电流电 压和第四电流电压，所述第三电压流通过所述第二电阻后与所述第四电压流 通过第二异或门，获得第二输出电压流。
可选的，所述振荡器的振荡频率根据所述噪声电流源的功率谱密度确定。
可选的，所述振荡器为低频振荡器。本发明提供的噪声电流源和抖动振 荡器振荡系统。该噪声电流源抖动振荡器，包括：第一共源共栅电路、第二 共源共栅电路和共模反馈电路，其中，所述第一共源共栅电路输出的第一电 压与所述第二共源共栅电路输出的第二电压控制所述共模反馈的输出电平。 从而提升了随机数的产生速率与质量。
附图说明
图1为本发明噪声电流源一实施例的结构示意图；
图2为本发明抖动振荡系统一实施例的结构示意图；
图3为本发明抖动振荡器振荡系统另一实施例振荡器的结构示意图；
图4为本发明抖动振荡器振荡系统另一实施例频率倍增器的结构示意 图；
图5为本发明抖动振荡器一实施例频率倍增器的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发 明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述， 显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获 得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明噪声电流源一实施例的结构示意图。本发明实施例提供的 噪声电流源1包括第一共源共栅电路11、第二共源共栅电路12和共模反馈 电路13，其中，第一共源共栅电路11输出的第一电压与第二共源共栅电路 12输出的第二电压控制共模反馈电路13的输出电平。
举例来讲，噪声电流源1的结构示意图如图1所示，第一共源共栅电路 11，可以包括第一Mos管111、第二Mos管112、第三Mos管113和第四 Mos管114，其中，各Mos管是金属(metal)—氧化物(oxid)—半导体 (semiconductor)场效应晶体管，从第一Mos管111漏极输出的电压输入到第 二Mos管112的源极，从第二Mos管112的漏极输出的电压输入第三Mos 管113的源极，从第三Mos管113的漏极输出的电压输入第四Mos管114的 源极；
第二共源共栅电路12，包括第五Mos管121、第六Mos管122、第七 Mos管123和第八Mos管124，其中，从第五Mos管121漏极输出的电压输 入到第六Mos管122的源极，从第六Mos管122的漏极输出的电压输入第七 Mos管123的源极，从第七Mos管123的漏极输出的电压输入第八Mos管 124的源极；
第一Mos管111的栅极与第五Mos管121的栅极连接，第二Mos管112 的栅极与第六Mos管122的栅极连接，第三Mos管113的栅极与第七Mos 管123的栅极连接，第四Mos管114的栅极与第八Mos管124的栅极连接。
共模反馈电路13，可以包括：第九Mos管131、第十Mos管132、第十 一Mos管133和第十二Mos管134；其中，第十Mos管132的栅极与第十一 Mos管133的栅极连接，第九Mos管131的栅极与第六Mos管122的漏极连 接，第十二Mos管134的栅极与第二Mos管112的漏极连接。
例如，第一Mos管111和第七Mos管123是分别产生噪声电压out1与 噪声电压out2的主要来源，因此，主要分析第一Mos管111和第七Mos管 123，Vout处的噪声电压的功率谱密度为：
v out 2 = ( i 3 2 + i 7 2 ) * | 1 C 1 * 2 πf / / gm 4 * r ds 4 * r ds 3 / / gm 6 * r ds 6 * r ds 7 | 2 = ( 4 kT * γ 3 * gm 3 + 4 kT * γ 7 * gm 7 ) * ( gm 4 * r ds 4 * r ds 3 / / gm 6 * r ds 6 * r ds 7 ) 2 1 + [ C 1 * 2 π * ( gm 4 * r ds 4 * r ds 3 / / gm 6 * r ds 6 * r ds 7 ) ] 2 * f 2 * df ]]>
其中，C1为C1电容，i3为第一Mos管111漏极的输出电压，i7为第八 Mos管124漏极的输出电压，gm4为第六Mos管122的夸导，rds3为第一Mos 管111的输出电阻，rds4为第六Mos管122的输出电阻，gm6为第七Mos管 122的夸导，rds6为第七Mos管123的输出电阻，rds7为第八Mos管124的输 出电阻；
进一步的，Vout处的噪声电压的均方根值为：

所以，
Vout = kT C 1 * ( γ 3 * gm 3 + γ 7 * gm 7 ) * R out ]]>
在C1＝1pF的情况下， kT C 1 = 64.3 uV , ( γ 3 * gm 3 + γ 7 * gm 7 ) * R out ≈ 100 , ]]>Vout在 6mV以上。
最终的噪声输出电流Inoise计算如下：在差分对偏置电流500nA下进 行粗略估计，
Inoise = Vout * gm 1 = kT C 1 * ( r 3 * gm 3 + r 7 * gm 7 ) * R out * gm 1 ≈ 30 nA ]]>
换句话说，电流大概能存在接近10％的噪声贡献，其实，这是理论估计， 实际会大于10％。
在本实施例中，该噪声电流源抖动振荡器，包括：第一共源共栅电路、 第二共源共栅电路和共模反馈电路，其中，所述第一共源共栅电路输出的第 一电压与所述第二共源共栅电路输出的第二电压控制所述共模反馈的输出电 平。从而提升了随机数的产生速率与质量。
图2为本发明抖动振荡系统一实施例的结构示意图，该抖动振荡系统包 括：如上述如图1所示的噪声电流源1和振荡器2，其中，所述噪声电流源1 与所述振荡器2连接，所述噪声电流源1的输出电压输入所述振荡器2。
在本实施例中，通过噪声电流源与所述振荡器连接，所述噪声电流源的 输出电压输入所述振荡器，提高了振荡器的抖动量。在上述实施例的基础上， 振荡器2的振荡频率可以根据噪声电流源的功率谱密度确定。
可选的，该振荡器2可以为低频振荡器。
图3为本发明抖动振荡系统另一实施例振荡器的结构示意图，如图3所 示，本实施例中的低频振荡器的低频是相对振荡器采样型随机数的高频振荡 器而言的，在抖动的实现环节上，频率选择需要结合噪声电流源的功率谱密 度确定，进一步的还可以根据整体的功耗确定。其中，噪声电流源1的输出 电流从标识有Inoise处流入振荡器2。
在if: β 1 / β 3 = β 6 / β 5 ]]>时， f = I noise 2 C * 1 + β 1 / β 3 V thP + V thN * β 1 / β 3 , ]]>在频率设计上，兼顾噪声 电流源的功率谱，使振荡器的Inoise存在随机电流成分的前提下，振荡频率 存在随机。
在本实施例中，该抖动振荡器，包括：噪声电流源和振荡器，噪声电流 源与振荡器连接，噪声电流源的输出电流输入振荡器；噪声电流源包括第一 共源共栅电路、第二共源共栅电路和共模反馈电路，其中，第一共源共栅电 路输出的第一电压与第二共源共栅电路输出的第二电压控制共模反馈的输出 电平。从而提升了随机数的产生速率与质量，进而提高了振荡器的抖动量。
图4为本发明抖动振荡系统另一实施例频率倍增器的结构示意图，如图 4所示，在上述实施例的基础上，该抖动振荡器还可以包括：频率倍增器3； 其中，频率倍增器，与所述低频振荡器连接，用于对所述低频振荡器输出的 振荡频率进行放大。
图5为本发明抖动振荡器一实施例频率倍增器的结构示意图。如图5所 示，频率倍增器至少包括第一频率倍增单元，所述第一频率倍增单元31的振 荡频率与所述振荡器2的振荡频率相等；所述第一频率倍增单元31可以包括： 第一反相器311、第一电阻R1、第一异或门313和第一电容C1，其中，所述 振荡器2输出的电压通过所述第一反相器311输出第一电压和第二电压，所 述第一电压通过所述第一电阻R1后与所述第二电压通过第一异或门312，获 得第一输出电压。
进一步的，频率倍增器3，还可以包括：第二频率倍增单元32，所述第 二频率倍增单元32的振荡频率为所述振荡器2的振荡频率的两倍；其中，第 二频率倍增单元32包括：第二反相器321、第二电阻R2、第二异或门322 和第二电容C2，其中，所述第一输出电压通过所述第二反相器321输出第三 电压和第四电压，所述第三电压通过所述第二电阻R2后与所述第四电压通过 第二异或门322，获得第二输出电压。
需要说明的是，第一级倍频单元的设计中心频率设定为低频振荡器的振 荡频率，第二级倍频单元的设计中心频率设定为低频振荡器的振荡频率的二 倍，之后依次递推，这样可以在不显著增加电路复杂度的前提下，对低频振 荡频率附近的抖动实现倍频效果最大化。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对 其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通 技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改， 或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并 不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。