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基于SAR ADC中电容失配的PUF的研究

鲍施奎  
【摘要】:无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)如今应用广泛,其中需要利用逐次逼近型模数转换器(SAR ADC)来处理外部模拟信号,然而WSN在进行信号处理时易受到攻击,因此本文提出了基于SAR ADC中电容器失配的物理不可克隆函数(PUF),在不影响WSN数据处理且不消耗多余硬件资源的条件下为系统提供安全保障。本文对基于SAR ADC中电容失配的PUF进行了研究,具体工作如下:1.基于SMIC 55nm CMOS工艺提出了一款低功耗电荷重分配型SAR ADC:通过优化其电容器阵列的逐次逼近转换方案降低了SAR ADC的功耗;采用了新型栅压自举采样开关电路,使得采样开关线性度得到改善;对动态锁存比较器的结构进行了优化调整,降低了比较器的噪声与失调等问题对电路的影响;数字SAR逻辑采用同步控制,通过适时使D触发器自锁,从而降低了控制逻辑中寄存器组的功耗。2.对SAR ADC以及基于电容失配的PUF的工作原理进行分析,给出了基于SAR ADC中电容失配的PUF的理论基础以及工作原理。然后在所设计的低功耗SAR ADC基础上实现了基于电容失配的PUF,并对该PUF进行了大量的蒙特卡洛仿真。通过cadence的spectre对SAR ADC电路进行整体仿真,在采样频率为1MHz、输入信号频率为16.601k Hz的条件下,本文所设计的SAR ADC的SFDR为73.6d B,有效位数ENOB为9.81位,全局电源电压VDD为1.2V时整体电路的平均功耗为1.4u W,计算得出FOM值为1.55f J/conversion-step。统计计算所提出的PUF的平均片间汉明距离为0.48、平均片内汉明距离为0.01,表明PUF的稳定性与唯一性表现良好,并且大量仿真数据表明PUF响应输出的均匀性也表现良好,符合无线传感器网络的安全要求。


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