1 民航航空器适航审定技术重点实验室, 天津 300300
2 中国民航大学 安全科学与工程学院, 天津 300300
针对传统的环形振荡器(RO)检测精度较低、检测面积较小的问题, 对传统的RO结构进行改进, 提出一种结构优化的RO。结构优化的RO通过增大与木马电路的接触面积来提高木马检测率和检测面积。在FPGA上的实验结果表明, 相比于传统的RO检测方法, 结构优化的RO有以下优点：1) 能够精确地检测出仅有20个逻辑单元的硬件木马; 2) 将RO的检测面积扩大了约1倍。
硬件木马 结构优化 环形振荡器 hardware Trojan structural optimization ring oscillator FPGA FPGA
1 中国电子科技集团公司第二十四研究所, 重庆 400060
2 中国人民解放军 93147部队, 重庆 400060
在分析传统环形振荡器的基础上, 提出了一种基于开关电容的高精度低温度系数环形振荡器。采用了带开关电容电路的频率负反馈架构, 使得输出频率的精度与其温度系数仅取决于外部设定电阻与片上电容, 通过合理选择外部设定电阻, 即可实现高精度、低温漂的时钟输出。设计的高精度低温度系数的环形振荡器采用06 μm标准CMOS工艺设计。仿真结果显示, 当输出频率为5 MHz时, 输出频率误差≤174%, 频率温度系数≤811×10-5/℃。
环形振荡器 开关电容 高精度 低温度系数 ring oscillator switched capacitor high precision low temperature coefficient
南京邮电大学 集成电路科学与工程学院， 南京 210023
基于110 nm CMOS工艺设计了一种应用于HDMI接收端电路的宽频带低抖动锁相环。采用一种改进型双环结构电荷泵，在25～250 MHz的宽输入频率范围内实现了快速锁定。通过高相噪性能的伪差分环形振荡器产生了调谐范围为125 MHz～1.25 GHz的时钟信号。仿真实验结果表明，该锁相环的锁定时间小于1.2 μs，在振荡器工作频率为0.8 GHz时，其相位噪声为-100.0 dBc/Hz @1 MHz，输出时钟峰峰值抖动为4.49 ps。
锁相环 宽频带 双环电荷泵 伪差分环形振荡器 phase-locked loop wide band double loop charge pump pseudo-differential ring oscillator
1 合肥工业大学 微电子学院， 合肥 230009
2 合肥工业大学 数学学院， 合肥 230009
在信息爆炸时代，信息的安全问题受到了广泛关注。在物联网设备的加密协议中，物理不可克隆函数(PUF)与真随机数发生器成为加密协议中基本的安全原语，提供了轻量级的解决方案。文章提出了一种熵源分离模型，能够分离环形振荡器中抖动(真随机数发生器的熵)和工艺偏差(PUF熵)引起的延时。基于该模型，在FPGA上设计了一种可重构的双工作模式电路，通过改变模式可分别生成PUF和真随机数。相较于FPGA上独立设计的PUF和真随机数发生器，该结构具有资源开销小、面积利用率高、功耗低等优势。实验结果表明，生成的PUF稳定性高、唯一性强、均匀性好；真随机数序列均通过了NIST测试，具有高随机性和不可预测性。
环形振荡器 抖动 工艺偏差 物理不可克隆函数 真随机数发生器 ring oscillator jitter process deviation physical unclonable function true random number generator
SPAD阵列的规模不断扩大对读出电路(Read-out Integrated Circuit, ROIC)提出了更高的要求，时间数字转换器(Time to Digital Converter, TDC)是ROIC的核心电路，完成对光子飞行时间(Time-of-Flight, TOF)高精度量化。为避免大规模阵列中高频时钟信号长距离走线而引起的串扰和噪声干扰，抑制初相误差引起的检测精度退化，设计了一种基于内置时钟的ROIC阵列电路，阵列像素间距均为100 µm，内置于各像素内的门控环形振荡器(Gated Ring Oscillator, GRO)独立提供像素TDC所需的高频分相时钟信号，各像素GRO均由像素外置锁相环(Phase Locked Loop, PLL)产生的压控信号控制。由于采用一种基于事件驱动的检测策略，只量化光子事件有效触发的TOF，有效降低了系统功耗。该芯片采用TSMC 0.18 µm 1.8 V标准CMOS工艺制造，测试结果表明：TDC的时间分辨率和量程分别为102 ps和100 ns，微分非线性DNL低于0.8 LSB，积分非线性INL低于1.3 LSB，系统功耗小于59.3 mW。
时间数字转换器 光子飞行时间 门控环形振荡器 锁相环 单光子雪崩光电二极管 time to digital converter time-of-flight gated ring oscillator phase-locked loop SPAD 红外与激光工程
2023, 52(9): 20220896
物理不可克隆函数(PUF)作为一种可有效地应对硬件安全问题的电路结构, 在近些年得到了广泛的关注。环形振荡器(RO) PUF由于不需要完全对称的布线方式, 因此被认为是最理想的PUF结构之一。现有的RO PUF设计愈加复杂且需要“硬宏”来固定电路, 这导致PUF的移植性很差。文章利用FPGA中固有的进位逻辑资源实现RO PUF, 通过将3个进位逻辑中的11个异或门级联, 经配置实现11阶振荡环, 有效解决了可移植性问题, 避免了使用“硬宏”来固定电路。采用Xilinx Spartan-6, 对提出的结构进行实验。实验结果表明, 设计的RO PUF实现了50.65%的均匀性、48.48%的唯一性和1.56%的误码率。该设计方法具有易于实现、资源占用形式单一、无需手动布局布线等特点。
硬件安全 物理不可克隆函数 环形振荡器 进位逻辑 反相器 hardware security physical unclonable function ring oscillator carry logic inverter
1 中国科学院上海光学精密机械研究所航天激光工程部，上海 201800
2 中国科学院大学，北京 100049
3 国科大杭州高等研究院物理与光电工程学院，江苏 杭州 310024
研制了一种小型全光纤耦合非平面环形腔固体激光器，在1.5 W的808 nm半导体激光器泵浦下，单模保偏光纤耦合输出功率近600 mW，线宽小于200 Hz，偏振对比度优于20 dB。对该激光器的调谐、频率稳定性、功率稳定性等性能进行了研究，该激光器通过了力学试验(随机振动均方根加速度为19.8g，其中g为重力加速度)和温度试验(－20～＋65 ℃)，试验前后输出功率变化小于5%，可以用于对力学环境和温度环境要求较高的场合。
激光器 非平面环形腔 窄线宽 稳定性 力学试验 温度试验 中国激光
2022, 49(13): 1301002
1 中国电子科技集团公司第 54研究所, 河北 石家庄 050081
2 河北师范大学物理科学与信息工程学院, 河北 石家庄 050024
提出一种适用于无源超高频射频识别 (UHF RFID)标签芯片的时钟产生电路。电路使用 N型金属-氧化物-半导体 (NMOS)栅极电压取代了复杂的比较器电路作为比较电平, 精简了电路结构, 降低了电路功耗, 减小了版图面积; 使用二极管方式连接的 NMOS管作温度及工艺补偿感应管, 利用其栅压变化控制充放电电流, 使其在不同工艺角下, 当温度在较大范围内变化时, 均能实现输出频率稳定。采用中芯国际 0.18 μm工艺进行仿真验证, 结果表明：当电源电压为 1V, 基准电流为 130 nA时, 电路功耗仅为 447 nW; 在工艺角由 ss变化到 ff的过程中, 输出频率偏差不超过 2.43%,; 温度在-40~90 ℃范围变化时, 输出频率偏差小于 0.99%, 适合无源射频识别标签芯片使用。
低功耗 弛豫振荡器 环形振荡器 时钟生成 超高频射频识别 low power relaxation oscillator ring oscillator clock generation Ultra High Frequency Radio Frequency Identificatio 太赫兹科学与电子信息学报
2018, 16(2): 357
1 中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理联合实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学, 北京 100049
研究了激光二极管端面抽运非平面环形腔(NPRO)激光器，获得了1.254 W的1064 nm单频可调谐激光输出，斜率效率为51.5%，在1 h测试时间内的功率稳定度为±0.8%。对输出激光的光束质量进行了测量，两方向的光束质量因子分别为M2x=1.16和M2y=1.05，采用拍频法测量表明激光线宽小于2 kHz。通过对激光晶体的温度控制实现了18 GHz的频率变化，在无跳模情况下，连续调谐系数约为-2.9 GHz/℃。通过光纤延迟自拍法对激光频率的短期稳定度进行了测试，获得激光器在100 ms积分时间内的频率稳定度为4.7×10-12。
激光器 单频激光器 非平面环形腔 频率调谐 频率稳定度 光学学报
2013, 33(10): 1014001
中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理联合实验室, 上海 201800
为了分析光轴在单块晶体加工过程中镜面失谐的自洽特征，建立了非平面环形腔镜面倾斜的数学模型，利用增广的光线矩阵讨论了光轴变动。结论显示：当存在距离误差时，不会影响光轴闭合；当输入输出耦合面设计成曲面时，能实现光轴自洽闭合；当它为平面时，静态分析表明，如果两个对称全反面的失谐角度满足特定关系，能再次实现光轴的闭合。如果失谐角度不满足对应关系，对称失谐和减小失谐量能减小耦合点偏离距离。动态分析过程则给出了一个更加合理的分析加工容差方法，同时为实验的调光过程提供了理论指导。
激光光学 非平面环形腔 光线矩阵 光轴失谐 自洽特征
