專利名稱：白噪聲發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及寬帶高斯白噪聲發(fā)生器。
背景技術(shù)：
白噪聲源是在硬件加密器件中廣泛應(yīng)用的隨機數(shù)發(fā)生器(RNG)電路的關(guān)鍵元件。白噪聲是一種隨機噪聲，其通常在電子電路中作為非零溫度下的電子的隨機運動的結(jié)果產(chǎn)生。公知利用線性電阻器以及例如二極管和晶體管的有源器件產(chǎn)生白噪聲。線性電阻器產(chǎn)生其功率與電阻成正比的白噪聲，以致為了得到大幅度的白噪聲，需要高電阻的元件。通常，通過增大電阻器的長寬比得到高電阻。以這種方式增大電阻器的尺寸提高了其寄生電容，該寄生電容反過來降低噪聲帶寬，并從而降低噪聲幅度。因此，寄生電容與增大的電阻作用相反，公知實際上通過電阻器的寄生電容和負載的輸入電容實際確定噪聲幅度。
由斯坦福大學(xué)電子工程系Bipin Rajendran于2001年12月公開的“Review of noise in semiconductor devices and modeling of noise insurrounding gate MOSFET”介紹了與CMOS相關(guān)聯(lián)的不同類型的噪聲，尤其關(guān)于白噪聲，以及與熱噪聲和也公知作為過量噪聲或閃變噪聲的1/f噪聲相關(guān)聯(lián)的問題。白高斯噪聲是對于具有高斯幾率分布特性的隨機處理的名稱，并且具有Dirac δ函數(shù)類型的自相關(guān)函數(shù)，這意味著如果在任意兩個或多個時間點對該處理進行抽樣，則樣品相互沒有關(guān)聯(lián)。噪聲譜密度是自相關(guān)函數(shù)的傅立葉變換，就白噪聲而論，這對于所有頻率都是恒定的(平的)。任何其它類型的噪聲不是白的，有時稱為“彩色的”。因為其自相關(guān)函數(shù)不是Diracδ函數(shù)，1/f噪聲不是白噪聲，1/f隨機變量的樣品具有相當(dāng)強的相互關(guān)聯(lián)。
在Nuclear Instruments and Methods in Physics Research，A 480(2002)713-725中出現(xiàn)的(O’Connor等人的)“Prospects for chargesensitive amplifiers in scaled CMOS”給出了用于將通常用于噪聲發(fā)生器中的反饋電阻器替代為MOSFET的一些特定電路實現(xiàn)的更詳細說明。從而，在第6.4節(jié)第722頁說明了電路，其中在三極管區(qū)中用MOSFET替代反饋電阻器，該MOSFET在源極和漏極短路的條件下利用柵極至溝道電容。
因此，公知在白噪聲發(fā)生器中利用MOSFET，該MOSFET用于線性區(qū)，以用作非常高阻抗的電阻器。也公知，除了在中波段區(qū)，MOSFET不產(chǎn)生白噪聲，并且產(chǎn)生的噪聲量取決于靜止?fàn)顟B(tài)和源極電阻。從而，由此可見，為了正常工作，晶體管需要合適的偏置，這意味著部分DC電流總是流過該器件。DC電流導(dǎo)致產(chǎn)生1/f噪聲，結(jié)果產(chǎn)生的噪聲不是白噪聲。1/f噪聲是非高斯的短噪聲，并且在晶體管、二極管和其它有源元件中，1/f噪聲正比于流過器件的DC電流，或者有些情況下正比于DC電流的乘方。另外，器件的寄生電容也降低了噪聲帶寬，從而降低噪聲幅度。
因此，如果能夠降低DC偏置的效應(yīng)，可改善由這種MOSFET所產(chǎn)生的白噪聲的質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個目的是提供基于利用在其線性區(qū)工作的MOSFET的改善的白噪聲發(fā)生器，其中降低了DC偏置的效應(yīng)。
根據(jù)本發(fā)明，通過包括在其線性區(qū)工作并具有零源極-漏極DC偏置電流的MOSFET的白噪聲發(fā)生器實現(xiàn)該目的。


為了理解本發(fā)明，并了解其如何在實踐中實施，現(xiàn)在將參考附圖，僅通過非限定的實例說明優(yōu)選實施例，其中圖1是示意性電路圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的白噪聲源；
圖2是示意性電路圖，示出了圖1所示的白噪聲源的等效電容；圖3是根據(jù)本發(fā)明利用兩個噪聲源的差分放大器的示意性表示；圖4是示意性電路圖，示出了根據(jù)圖3所示的電路的多級放大器的實際實現(xiàn)；圖5圖示了圖4所示的放大器的差分輸出噪聲譜密度；以及圖6圖示了具有圖4所示的差分放大器的噪聲源的測量結(jié)果。
具體實施例方式
圖1示意性示出了用作白噪聲源的第一MOSFET M1和耦合至噪聲源M1并用作放大器的的第二MOSFET M2。示出了用于偏置MOSFET M1的DC偏置電壓，以使該MOSFET M1在其線性區(qū)工作，從而漏極-源極電阻分別是漏極-源極電壓和電流VDS和IDS的線性函數(shù)。MOSFET M1的漏極或源極直接連接至MOSFET M2的柵極。從而，如圖所示，假定M1的漏極連接至M2的柵極，則在M1的源極產(chǎn)生噪聲。該噪聲是AC信號，該AC信號疊加至源極電壓的DC偏置電壓上?？紤]到在M1的漏極和M2的柵極之間的電路，很明顯，M2的柵極用作DC偏置信號的開路，以致沒有DC電流從M2流入M2的柵極。因此，DC漏極-源極電壓VDS等于零。
下面的等式示出了該電路的等效電阻RDS的推導(dǎo)，其中所有符號涉及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)]]>
由于沒有DC電流流過MOSFET，噪聲源M1呈現(xiàn)低1/f噪聲，并且具有小物理尺寸，從而導(dǎo)致器件本身的小寄生電容。
由電路所產(chǎn)生的噪聲量(或RMS噪聲)理論上與RDS無關(guān)，僅受限于C寄生+CAMP(可在文獻中發(fā)現(xiàn)或通過簡單積分計算出其數(shù)學(xué)論證)。
其中k-玻耳茲曼系數(shù)，T-開氏溫度。
希望使電容盡量小，以得到具有較大幅度的噪聲信號。
然而，由于由噪聲源M1驅(qū)動的放大器M2的帶寬，即使僅僅電容確定RMS值，也需要高值電阻器，以得到合理的噪聲信號。放大器M2的帶寬受到限制，因此由于噪聲總是在放大器的范圍之外衰減，沒有必要產(chǎn)生噪聲帶寬高于放大器M2的噪聲源M1。為此，可以用于與放大器M2的給定放大器電容CAMP一起使用，設(shè)計噪聲源M1的等效電阻值RDS，以使噪聲帶寬略高于放大器的帶寬。噪聲帶寬由下式給出，其中帶寬以Hz表示 放大器偏移遠遠大于由噪聲源產(chǎn)生的噪聲幅度。其可引起在放大器之后的噪聲信號的損耗。為此，在圖3中示意性示出了多級差分放大器，其結(jié)構(gòu)選擇為使偏移效應(yīng)最小化。從而，相應(yīng)的噪聲源(如圖1所示)耦合至第一差分放大器A1的正和負輸入，該第一差分放大器A1用作第一增益級，并且其相應(yīng)的正和負輸出直接連接至作為第二增益級的第二差分放大器A2的相應(yīng)的正和負輸入。通過反饋電阻器Rf，第二差分放大器的正輸出反饋至噪聲源，該噪聲源耦合至第一差分放大器A1的負輸入。同樣，通過反饋電阻器Rf，第二差分放大器的負輸出反饋至噪聲源，該噪聲源耦合至第一差分放大器A1的負輸入。與正和負輸入相關(guān)聯(lián)的相應(yīng)的輸入電容用Cf示出。
在DC和低頻下，放大器作為單位增益放大器工作，并且強負反饋禁止了偏移效應(yīng)。在較高頻率下，反饋被“禁止”，于是通過兩個增益級放大噪聲。更有益的是，由于沒有放大低頻，該結(jié)構(gòu)衰減了1/f噪聲。因此，根據(jù)該實施例，MOSFET放大器配置為頻率相關(guān)的反饋放大器，該頻率相關(guān)的反饋放大器在DC和低頻下工作為單位增益放大器，而在較高頻率下其反饋顯著降低，從而由于低頻基本上沒有放大，衰減了1/f噪聲。該特性可利用其它MOSFET放大器得以實現(xiàn)，并且不取決于作為差分放大器的放大器。也可通過在亞閾值區(qū)工作的MOS晶體管實現(xiàn)高值電阻器Rf。
圖4是示意性電路圖，示出了付諸實施的包括放大級和兩個電壓輸出器(每個輸出上一個)的增益級的實際實現(xiàn)。通過PMOS差分對實現(xiàn)放大級，該PMOS差分對由具有公共模式反饋控制的NOS有源負載進行加載。放大的信號反饋進入電壓輸出器，該電壓輸出器通過以單位增益配置的簡單差分放大器實現(xiàn)。
為了不削減噪聲帶寬，增益級輸入電容應(yīng)保持為盡量低。
由于以下原因采用公共模式反饋a)為使放大級輸出保持在穩(wěn)定的DC水平，因為其輸出是高阻抗節(jié)點；b)為改善放大器的電源抑制(PSR)性能；c)為保持輸出為差分的。
由于以下四個主要原因選擇輸出器的電流配置a)為使增益級輸出DC水平保持在施加到放大器的正電源電壓的約一半；b)為使處理變化效應(yīng)最小化。具體地說，公知可以多種方法實現(xiàn)具有單位電壓增益的放大器。最簡單的是源極輸出器，但該方法相對于輸入使輸出的DC水平向上(或向下)偏移，并且其增益強烈取決于處理條件(制造精度、建模質(zhì)量等)。因此，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實現(xiàn)以反饋為基礎(chǔ)。電壓增益為1-1/A，其中A是簡單放大器的電壓增益。從而，如果A足夠大，則總電壓增益約為1。即使A改變，總電壓增益不會受到很大影響；c)為得到低輸出阻抗；d)為降低增益損耗。
圖5圖示了圖4所示的差分放大器的差分輸出噪聲譜密度。
圖6圖示了具有圖4所示的差分放大器的噪聲源的測量結(jié)果。
權(quán)利要求
1.一種白噪聲發(fā)生器，包括在其線性區(qū)工作并具有零源極-漏極DC偏置電流的MOSFET。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的白噪聲發(fā)生器，其中所述源極和所述漏極接線端處于相同的DC電勢，以防止DC電流流過所述MOSFET。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的白噪聲發(fā)生器，其中所述MOSFET的所述源極或漏極接線端連接至MOSFET放大器的柵極接線端。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的白噪聲發(fā)生器，其中所述MOSFET放大器是多級差分放大器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的白噪聲發(fā)生器，其中所述MOSFET放大器包括第一差分放大器，具有用于耦合至相應(yīng)的噪聲源的正和負輸入，并具有相應(yīng)的正和負輸出；第二差分放大器，具有分別耦合至所述第一差分放大器的所述正和負輸出的正和負輸入；所述第二差分放大器的正輸出反饋至噪聲源，所述噪聲源耦合至所述第一差分放大器的所述負輸入；所述第二差分放大器的負輸出反饋至噪聲源，所述噪聲源耦合至所述第一差分放大器的所述正輸入。
6.根據(jù)權(quán)利要求3的白噪聲發(fā)生器，其中所述MOSFET放大器配置為頻率相關(guān)的反饋放大器，所述頻率相關(guān)的反饋放大器在DC和低頻下工作為單位增益放大器，而在較高頻率下其反饋顯著降低，從而由于基本上沒有放大低頻，衰減了1/f噪聲。
全文摘要
一種白噪聲發(fā)生器，包括在其線性區(qū)工作并具有零源極－漏極DC偏置電流的MOSFET。這可通過將所述MOSFET的所述源極或漏極接線端連接至MOSFET放大器的柵極接線端實現(xiàn)，所述MOSFET放大器可實現(xiàn)為多級差分放大器。該噪聲源避免了導(dǎo)致產(chǎn)生1/f噪聲的DC電流的效應(yīng)，并且具有產(chǎn)生器件本身的低寄生電容的小物理尺寸。
文檔編號H03B29/00GK1770620SQ20051011751
公開日2006年5月10日 申請日期2005年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月4日
發(fā)明者G·布爾多 申請人:國際商業(yè)機器公司