[논문]진성난수 생성기를 위한 베타선 센서 설계에 관한 연구

김영희; 김홍주; 박경환; 김종범; 하판봉

doi:10.17661/jkiiect.2019.12.6.619

초록
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본 논문에서는 진성난수 생성기를 위한 베타선 센서를 설계하였다. PMOS 피드백 트랜지스터의 게이트를 DC 전압으로 바이어스하는 대신 PMOS 피드백 트랜지스터에 흐르는 전류가 PVT 변동에 둔감하도록 설계된 전류 바이어스 회로를 mirroring하게 흐르도록 하므로 CSA의 signal voltage의 변동을 최소화하였다. 그리고 BGR (Bandgap Reference) 회로를 이용하여 공급된 정전류를 이용하여 신호 전압을 VCOM 전압 레벨까지 충전하므로 충전 시간의 변동을 줄여 고속 감지가 가능하도록 하였다. 0.18㎛ CMOS 공정으로 설계된 베타선 센서는 corner별 모의실험 결과 CSA 회로의 최소 신호전압과 최대 신호전압은 각각 205mV와 303mV이고, pulse shaper를 거친 출력 신호를 비교기의 VTHR (Threshold Voltage) 전압과 비교해서 발생된 펄스의 최소와 최대 폭은 각각 0.592㎲와 1.247㎲로 100kHz의 고속 감지가 가능한 결과가 나왔으며, 최대 100Kpulse/sec로 계수할 수 있도록 설계하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we designed a beta ray sensor for a true random number generator. Instead of biasing the gate of the PMOS feedback transistor to a DC voltage, the current flowing through the PMOS feedback transistor is mirrored through a current bias circuit designed to be insensitive to PVT fluctuat...

In this paper, we designed a beta ray sensor for a true random number generator. Instead of biasing the gate of the PMOS feedback transistor to a DC voltage, the current flowing through the PMOS feedback transistor is mirrored through a current bias circuit designed to be insensitive to PVT fluctuations, thereby minimizing fluctuations in the signal voltage of the CSA. In addition, by using the constant current supplied by the BGR (Bandgap Reference) circuit, the signal voltage is charged to the VCOM voltage level, thereby reducing the change in charge time to enable high-speed sensing. The beta ray sensor designed with 0.18㎛ CMOS process shows that the minimum signal voltage and maximum signal voltage of the CSA circuit which are resulted from corner simulation are 205mV and 303mV, respectively. and the minimum and maximum widths of the pulses generated by comparing the output signal through the pulse shaper with the threshold voltage (VTHR) voltage of the comparator, were 0.592㎲ and 1.247㎲, respectively. resulting in high-speed detection of 100kHz. Thus, it is designed to count up to 100 kilo pulses per second.

주제어

표/그림 (12)

그림 그림 1. 베타선 검출용 센서 회로의 블록도. Fig. 1. Block diagram of beta ray sensor.
그림 그림 2. PIN 다이오드, 테스트 커패시터와 CSA 회로로 구성된 AFE (Analog Front End) 회로도. Fig. 2. Analog front end (AFE) schematic consisting of a PIN diode, test capacitor, and a CSA circuit.
그림 그림 3. PMOS 피드백 트랜지스터의 게이트에 DC 전압을 인가하는 기존의 CSA 회로. Fig. 3. Conventional CSA circuit for applying DC voltage to the PMOS feedback transistor gate.
그림 그림 4. 기존 CSA 회로의 PMOS 피드백 트랜지스터 게이트에 DC 전압을 인가해주는 회로도. Fig. 4. Circuit diagram that applies DC voltage to the PMOS feedback transistor gate of a conventional CSA circuit: (a) I-to-V converter and (b) voltage follower.
표 표 1. 그림 3의 DC 전압 VBIASP_CSA를 인가하는 CSA 회로의 PVT 변동에 대한 신호전압 모의실험 결과. Table 1. Signal voltage simulation results for PVT fluctuations in the CSA circuit applying the DC voltage VBIASP_CSA in Figure 3.
표 표 2. 그림 3의 DC 전압 VBIASP_CSA를 인가하는 CSA 회로를 사용한 베타선 센서의 PVT 변동에 대한 비교기 출력 펄스 폭 모의실험 결과. Table 2. Comparator output pulse width simulation results for PVT fluctuations of a beta ray sensor using a CSA circuit applying the DC voltage VBIASP_CSA in Figure 3.
그림 그림 5. PMOS 피드백 트랜지스터의 게이트에 DC 전류 바이어스를 인가하는 제안된 CSA 회로. Fig. 5. A proposed CSA circuit applying a DC current bias to the PMOS feedback transistor gate.
그림 그림 6. 제안된 CSA 회로의 PMOS 피드백 트랜지스터 게이트에 DC 전류 바이어스를 공급하는 전류 바이어스 회로. Fig. 6. A current bias circuit that supplies a DC current bias to the PMOS feedback transistor gate of the proposed CSA circuit.
표 표 3. 그림 5의 DC 전류 바이어스 IBIASP_CSA를 인가하는 제안된 CSA 회로의 PVT 변동에 대한 신호전압 모의실험 결과. Table 3. Signal voltage simulation results for PVT variation of the proposed CSA circuit applying the DC current bias IBIASP_CSA in Figure 5.
표 표 4. 그림 5의 DC 전류 바이어스 IBIASP_CSA를 인가하는 CSA 회로를 사용한 베타선 센서의 PVT 변동에 대한 비교기 출력 펄스 폭 모의실험 결과. Table 4. Comparator output pulse width simulation results for PVT fluctuations of a beta ray sensor using a CSA circuit applying the DC current bias IBIASP_CSA in Figure 5.
그림 그림 7. 제안된 CSA 회로를 사용한 베타선 센서 회로에서 corner별 신호전압에 대한 모의실험 결과. Fig. 7. Corner simulation results for signal voltage in the beta ray sensor circuit using the proposed CSA circuit.
그림 그림 8. 0.18μm CMOS 공정으로 설계된 베타선 센서 칩의 레이아웃 이미지. Fig. 8. Layout image of beta ray sensor chip designed with 0.18μm CMOS process.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 진성난수 생성기를 위한 베타선 센서를 설계하였다. PMOS 피드백 트랜지스터의 게이트를 DC 전압으로 바이어스하는 대신 PMOS 피드백 트랜지스터에 흐르는 전류가 PVT 변동에 둔감하도록 설계된 전류 바이어스 회로를 mirroring하게 흐르도록 하므로 CSA의 signal voltage의 변동을 최소화하였다.

제안 방법

본 논문에서는 진성난수 생성기를 위한 베타선 센서를 설계하였다. PMOS 피드백 트랜지스터의 게이트를 DC 전압으로 바이어스하는 대신 PMOS 피드백 트랜지스터에 흐르는 전류가 PVT 변동에 둔감하도록 설계된 전류 바이어스 회로를 mirroring하게 흐르도록 하므로 CSA의 signal voltage의 변동을 최소화하였다. 그리고 BGR (Bandgap Reference) 회로를 이용하여 공급된 정전류를 이용하여 신호 전압을 VCOM 전압레벨까지 충전하므로 충전 시간의 변동을 줄여 고속 감지가 가능하도록 하였다.
그림 5는 PMOS 피드백 트랜지스터의 게이트에 DC 전류 바이어스를 인가하는 제안된 CSA 회로도이다. 그림 5의 IBIASP_CSA 전류 바이어스는 125nA의 정전류인 IADAPTIVE_CSA를 MN1과 MN2의 current mirror 비를 25:1로 하므로 MP3를 통해서 흐르는 전류를 5nA로 줄였다.
PMOS 피드백 트랜지스터의 게이트를 DC 전압으로 바이어스하는 대신 PMOS 피드백 트랜지스터에 흐르는 전류가 PVT 변동에 둔감하도록 설계된 전류 바이어스 회로를 mirroring하게 흐르도록 하므로 CSA의 signal voltage의 변동을 최소화하였다. 그리고 BGR (Bandgap Reference) 회로를 이용하여 공급된 정전류를 이용하여 신호 전압을 VCOM 전압레벨까지 충전하므로 충전 시간의 변동을 줄여 고속 감지가 가능하도록 하였다. 또한 노이즈를 줄이고 shaping time을 줄이기 위해 미분기와 적분기를 사용한 pulse shaper를 사용하였다.
PMOS 피드백 트랜지스터의 게이트를 DC 전압으로 바이어스하는 대신 PMOS 피드백 트랜지스터에 흐르는 전류가 PVT 변동에 둔감하도록 설계된 전류 바이어스 회로를 mirroring하게 흐르도록 하므로 CSA의 signal voltage의 변동을 최소화하였다. 그리고 BGR 회로를 이용하여 공급된 정전류를 이용하여 신호전압을 VCOM 전압레벨까지 충전하므로 충전시간의 변동을 줄여 고속 감지가 가능하도록 하였다. 또한 노이즈를 줄이고 shaping time을 줄이기 위해 미분기와 적분기를 사용한 pulse shaper를 사용하였다.
그리고 BGR (Bandgap Reference) 회로를 이용하여 공급된 정전류를 이용하여 신호 전압을 VCOM 전압레벨까지 충전하므로 충전 시간의 변동을 줄여 고속 감지가 가능하도록 하였다. 또한 노이즈를 줄이고 shaping time을 줄이기 위해 미분기와 적분기를 사용한 pulse shaper를 사용하였다. 0.
본 논문에서는 방사선 중 Ni-63 베타선원은 차폐가 용이하고, 크기가 작고, 휴대성이 높고, 발생속도가 높고 반도체 손상이 낮은 장점이 있으므로 진성난수 생성기를 위한 베타선 센서를 설계하였다. PMOS 피드백 트랜지스터의 게이트를 DC 전압으로 바이어스하는 대신 PMOS 피드백 트랜지스터에 흐르는 전류가 PVT 변동에 둔감하도록 설계된 전류 바이어스 회로를 mirroring하게 흐르도록 하므로 CSA의 signal voltage의 변동을 최소화하였다.
그림 6. 제안된 CSA 회로의 PMOS 피드백 트랜지스터 게이트에 DC 전류 바이어스를 공급하는 전류 바이어스 회로.

데이터처리

그림 7. 제안된 CSA 회로를 사용한 베타선 센서 회로에서 corner별 신호전압에 대한 모의실험 결과.

성능/효과

0.18µm CMOS 공정으로 설계된 베타선 센서는 corner별 모의실험 결과 CSA 회로의 최소 신호전압과 최대 신호전압은 각각 205mV와 303mV이고, pulse shaper를 거친 출력 신호를 비교기의 VTHR (Threshold Voltage) 전압과 비교해서 발생된 펄스의 최소와 최대 폭은 각각 0.592µs와 1.247µs로 100KHz의 고속 감지가 가능한 결과가 나왔다.
0.18µm CMOS 공정으로 설계된 베타선 센서는 corner별 모의실험 결과 CSA 회로의 최소 신호전압과 최대 신호전압은 각각 205mV와 303mV이고, pulse shaper를 거친 출력 신호를 비교기의 VTHR 전압과 비교해서 발생된 펄스의 최소와 최대 폭은 각각 0.592µs와 1.247µs로 100kHz의 고속 감지가 가능한 결과가 나왔으며, 최대 100Kpulse/sec로 계수할 수 있도록 설계하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	난수 (random number)가 활용되는 분야는?	난수 (random number)는 암호화와 모의실험 등의 다양한 과학, 기술 분야에서 활용되고 있다[1]. 대부분은 유사난수 (pseudo random number)를 사용하고 있으나 높은 보안등급, 고신뢰성을 요구하는 IoT 보안 분야에서는 날로 고도화되고 있는 해킹 (hacking)을 방지하는데 가장 효과적인 진성난수 (true random number)를 사용하고 있다[2].
	난수는 어디에서 활용되는가?	난수 (random number)는 암호화와 모의실험 등의 다양한 과학, 기술 분야에서 활용되고 있다[1]. 대부분은 유사난수 (pseudo random number)를 사용하고 있으나 높은 보안등급, 고신뢰성을 요구하는 IoT 보안 분야에서는 날로 고도화되고 있는 해킹 (hacking)을 방지하는데 가장 효과적인 진성난수 (true random number)를 사용하고 있다[2].
	베타선 센서 설계 시 CSA의 signal voltage의 변동을 최소화하는 방법은?	본 논문에서는 진성난수 생성기를 위한 베타선 센서를 설계하였다. PMOS 피드백 트랜지스터의 게이트를 DC 전압으로 바이어스하는 대신 PMOS 피드백 트랜지스터에 흐르는 전류가 PVT 변동에 둔감하도록 설계된 전류 바이어스 회로를 mirroring하게 흐르도록 하므로 CSA의 signal voltage의 변동을 최소화하였다. 그리고 BGR (Bandgap Reference) 회로를 이용하여 공급된 정전류를 이용하여 신호 전압을 VCOM 전압 레벨까지 충전하므로 충전 시간의 변동을 줄여 고속 감지가 가능하도록 하였다.

참고문헌 (10)

M. Herrero-Collantes et al., "Quantum Random Number Generators," Reviews of Modern Physics, Feb. 2017.
K. H. Park et al., "Apparatus and Method for Generating Quantum Random Number," Korean Patent applied no. 10-2018-0054533, May 2018.
John Gribbin, Q is for Quantum, ISBN-13: 978-0684855783, pp. 291-292, 1998.
Anil and Ananthaswamy. How to Turn a Quantum Computer into the Ultimate Randomness Generator. Quanta Magazine. June 19, 2019.
Glen F. Knoll, Radiation Detection and Measurement, Third Edition, John Wiley & Sons Inc., 2000.
W. R. Wampler, B. L. Doyle, "Low-Energy Beta Spectroscopy Using PIN Diodes to Monitor Tritium Surface Contamination", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A349, pp. 473-480, 1994.
Mihai Culcer, Mariana Iliescu, Marian Curuia, Adrian Enache, Ioan Stefanescu, Catalin Ducu, Viorel Malinovschi, "Tritium Contaminated Surface Monitoring with a Solid-State Device," Proceedings of the International Conference Nuclear Energy for New Europe, 713.1-6, Sep. 2004.
P. Grybos et al., "Measurements of Matching and High Count Rate Performance of Multichannel ASIC for Digital X-Ray Imaging Systems," IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 54, no. 4, Aug. 2007.

상세보기
S. B. Baek et al., "A Design of Single Pixel Photon Counter for Digital X-ray Image Sensor," Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering vol. 11, no. 2, Feb. 2007.
Solid State Division Technical Information, "Characteristics and use of Charge amplifier," HAMAMATSU, Oct. 2001.

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