专利名称：白噪声发生器的制作方法
技术领域：
本发明涉及宽带高斯白噪声发生器。
背景技术：
白噪声源是在硬件加密器件中广泛应用的随机数发生器(RNG)电路的关键元件。白噪声是一种随机噪声，其通常在电子电路中作为非零温度下的电子的随机运动的结果产生。公知利用线性电阻器以及例如二极管和晶体管的有源器件产生白噪声。线性电阻器产生其功率与电阻成正比的白噪声，以致为了得到大幅度的白噪声，需要高电阻的元件。通常，通过增大电阻器的长宽比得到高电阻。以这种方式增大电阻器的尺寸提高了其寄生电容，该寄生电容反过来降低噪声带宽，并从而降低噪声幅度。因此，寄生电容与增大的电阻作用相反，公知实际上通过电阻器的寄生电容和负载的输入电容实际确定噪声幅度。
由斯坦福大学电子工程系Bipin Rajendran于2001年12月公开的“Review of noise in semiconductor devices and modeling of noise insurrounding gate MOSFET”介绍了与CMOS相关联的不同类型的噪声，尤其关于白噪声，以及与热噪声和也公知作为过量噪声或闪变噪声的1/f噪声相关联的问题。白高斯噪声是对于具有高斯几率分布特性的随机处理的名称，并且具有Dirac δ函数类型的自相关函数，这意味着如果在任意两个或多个时间点对该处理进行抽样，则样品相互没有关联。噪声谱密度是自相关函数的傅立叶变换，就白噪声而论，这对于所有频率都是恒定的(平的)。任何其它类型的噪声不是白的，有时称为“彩色的”。因为其自相关函数不是Diracδ函数，1/f噪声不是白噪声，1/f随机变量的样品具有相当强的相互关联。
在Nuclear Instruments and Methods in Physics Research，A 480(2002)713-725中出现的(O’Connor等人的)“Prospects for chargesensitive amplifiers in scaled CMOS”给出了用于将通常用于噪声发生器中的反馈电阻器替代为MOSFET的一些特定电路实现的更详细说明。从而，在第6.4节第722页说明了电路，其中在三极管区中用MOSFET替代反馈电阻器，该MOSFET在源极和漏极短路的条件下利用栅极至沟道电容。
因此，公知在白噪声发生器中利用MOSFET，该MOSFET用于线性区，以用作非常高阻抗的电阻器。也公知，除了在中波段区，MOSFET不产生白噪声，并且产生的噪声量取决于静止状态和源极电阻。从而，由此可见，为了正常工作，晶体管需要合适的偏置，这意味着部分DC电流总是流过该器件。DC电流导致产生1/f噪声，结果产生的噪声不是白噪声。1/f噪声是非高斯的短噪声，并且在晶体管、二极管和其它有源元件中，1/f噪声正比于流过器件的DC电流，或者有些情况下正比于DC电流的乘方。另外，器件的寄生电容也降低了噪声带宽，从而降低噪声幅度。
因此，如果能够降低DC偏置的效应，可改善由这种MOSFET所产生的白噪声的质量。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供基于利用在其线性区工作的MOSFET的改善的白噪声发生器，其中降低了DC偏置的效应。
根据本发明，通过包括在其线性区工作并具有零源极-漏极DC偏置电流的MOSFET的白噪声发生器实现该目的。
为了理解本发明，并了解其如何在实践中实施，现在将参考附图，仅通过非限定的实例说明优选实施例，其中图1是示意性电路图，示出了根据本发明的白噪声源；
图2是示意性电路图，示出了图1所示的白噪声源的等效电容；图3是根据本发明利用两个噪声源的差分放大器的示意性表示；图4是示意性电路图，示出了根据图3所示的电路的多级放大器的实际实现；图5图示了图4所示的放大器的差分输出噪声谱密度；以及图6图示了具有图4所示的差分放大器的噪声源的测量结果。
具体实施例方式
图1示意性示出了用作白噪声源的第一MOSFET M1和耦合至噪声源M1并用作放大器的的第二MOSFET M2。示出了用于偏置MOSFET M1的DC偏置电压，以使该MOSFET M1在其线性区工作，从而漏极-源极电阻分别是漏极-源极电压和电流VDS和IDS的线性函数。MOSFET M1的漏极或源极直接连接至MOSFET M2的栅极。从而，如图所示，假定M1的漏极连接至M2的栅极，则在M1的源极产生噪声。该噪声是AC信号，该AC信号叠加至源极电压的DC偏置电压上。考虑到在M1的漏极和M2的栅极之间的电路，很明显，M2的栅极用作DC偏置信号的开路，以致没有DC电流从M2流入M2的栅极。因此，DC漏极-源极电压VDS等于零。
下面的等式示出了该电路的等效电阻RDS的推导，其中所有符号涉及DC值。
IDS=K·((VGS-VT)·VDS-VDS22)]]>∂IDS∂VDS=K·(VGS-VT-VDS)]]>∂IDS∂VDS|VDS=0=K·(VGS-VT)]]>RDS=1K·(VGS-VT)]]>
由于没有DC电流流过MOSFET，噪声源M1呈现低1/f噪声，并且具有小物理尺寸，从而导致器件本身的小寄生电容。
由电路所产生的噪声量(或RMS噪声)理论上与RDS无关，仅受限于C寄生+CAMP(可在文献中发现或通过简单积分计算出其数学论证)。
其中k-玻耳兹曼系数，T-开氏温度。
希望使电容尽量小，以得到具有较大幅度的噪声信号。
然而，由于由噪声源M1驱动的放大器M2的带宽，即使仅仅电容确定RMS值，也需要高值电阻器，以得到合理的噪声信号。放大器M2的带宽受到限制，因此由于噪声总是在放大器的范围之外衰减，没有必要产生噪声带宽高于放大器M2的噪声源M1。为此，可以用于与放大器M2的给定放大器电容CAMP一起使用，设计噪声源M1的等效电阻值RDS，以使噪声带宽略高于放大器的带宽。噪声带宽由下式给出，其中带宽以Hz表示 放大器偏移远远大于由噪声源产生的噪声幅度。其可引起在放大器之后的噪声信号的损耗。为此，在图3中示意性示出了多级差分放大器，其结构选择为使偏移效应最小化。从而，相应的噪声源(如图1所示)耦合至第一差分放大器A1的正和负输入，该第一差分放大器A1用作第一增益级，并且其相应的正和负输出直接连接至作为第二增益级的第二差分放大器A2的相应的正和负输入。通过反馈电阻器Rf，第二差分放大器的正输出反馈至噪声源，该噪声源耦合至第一差分放大器A1的负输入。同样，通过反馈电阻器Rf，第二差分放大器的负输出反馈至噪声源，该噪声源耦合至第一差分放大器A1的负输入。与正和负输入相关联的相应的输入电容用Cf示出。
在DC和低频下，放大器作为单位增益放大器工作，并且强负反馈禁止了偏移效应。在较高频率下，反馈被“禁止”，于是通过两个增益级放大噪声。更有益的是，由于没有放大低频，该结构衰减了1/f噪声。因此，根据该实施例，MOSFET放大器配置为频率相关的反馈放大器，该频率相关的反馈放大器在DC和低频下工作为单位增益放大器，而在较高频率下其反馈显著降低，从而由于低频基本上没有放大，衰减了1/f噪声。该特性可利用其它MOSFET放大器得以实现，并且不取决于作为差分放大器的放大器。也可通过在亚阈值区工作的MOS晶体管实现高值电阻器Rf。
图4是示意性电路图，示出了付诸实施的包括放大级和两个电压输出器(每个输出上一个)的增益级的实际实现。通过PMOS差分对实现放大级，该PMOS差分对由具有公共模式反馈控制的NOS有源负载进行加载。放大的信号反馈进入电压输出器，该电压输出器通过以单位增益配置的简单差分放大器实现。
为了不削减噪声带宽，增益级输入电容应保持为尽量低。
由于以下原因采用公共模式反馈a)为使放大级输出保持在稳定的DC水平，因为其输出是高阻抗节点；b)为改善放大器的电源抑制(PSR)性能；c)为保持输出为差分的。
由于以下四个主要原因选择输出器的电流配置a)为使增益级输出DC水平保持在施加到放大器的正电源电压的约一半；b)为使处理变化效应最小化。具体地说，公知可以多种方法实现具有单位电压增益的放大器。最简单的是源极输出器，但该方法相对于输入使输出的DC水平向上(或向下)偏移，并且其增益强烈取决于处理条件(制造精度、建模质量等)。因此，根据本发明的优选实现以反馈为基础。电压增益为1-1/A，其中A是简单放大器的电压增益。从而，如果A足够大，则总电压增益约为1。即使A改变，总电压增益不会受到很大影响；c)为得到低输出阻抗；d)为降低增益损耗。
图5图示了图4所示的差分放大器的差分输出噪声谱密度。
图6图示了具有图4所示的差分放大器的噪声源的测量结果。
权利要求
1.一种白噪声发生器，包括在其线性区工作并具有零源极-漏极DC偏置电流的MOSFET。
2.根据权利要求1的白噪声发生器，其中所述源极和所述漏极接线端处于相同的DC电势，以防止DC电流流过所述MOSFET。
3.根据权利要求1的白噪声发生器，其中所述MOSFET的所述源极或漏极接线端连接至MOSFET放大器的栅极接线端。
4.根据权利要求3的白噪声发生器，其中所述MOSFET放大器是多级差分放大器。
5.根据权利要求4的白噪声发生器，其中所述MOSFET放大器包括第一差分放大器，具有用于耦合至相应的噪声源的正和负输入，并具有相应的正和负输出；第二差分放大器，具有分别耦合至所述第一差分放大器的所述正和负输出的正和负输入；所述第二差分放大器的正输出反馈至噪声源，所述噪声源耦合至所述第一差分放大器的所述负输入；所述第二差分放大器的负输出反馈至噪声源，所述噪声源耦合至所述第一差分放大器的所述正输入。
6.根据权利要求3的白噪声发生器，其中所述MOSFET放大器配置为频率相关的反馈放大器，所述频率相关的反馈放大器在DC和低频下工作为单位增益放大器，而在较高频率下其反馈显著降低，从而由于基本上没有放大低频，衰减了1/f噪声。
全文摘要
一种白噪声发生器，包括在其线性区工作并具有零源极－漏极DC偏置电流的MOSFET。这可通过将所述MOSFET的所述源极或漏极接线端连接至MOSFET放大器的栅极接线端实现，所述MOSFET放大器可实现为多级差分放大器。该噪声源避免了导致产生1/f噪声的DC电流的效应，并且具有产生器件本身的低寄生电容的小物理尺寸。
文档编号H03B29/00GK1770620SQ20051011751
公开日2006年5月10日 申请日期2005年11月2日 优先权日2004年11月4日
发明者G·布尔多 申请人:国际商业机器公司