專利名稱：一種高線性補償?shù)碾娏髌秸娐返闹谱鞣椒?br> 技術領域：
本發(fā)明涉及電路電子領域，具體涉及高線性補償?shù)碾娏髌秸娐方Y構用于抵抗密碼芯片的差分功耗分析攻擊。
背景技術：
智能卡等密碼設備在電信、金融、企業(yè)安全和政府等各種行業(yè)部門中得以廣泛應用，其安全的重要性不言而喻。盡管密碼設備的嵌入式特性使攻擊者無法直接接觸密碼芯片中的密鑰信息，但密碼芯片工作時會泄漏一定的功耗、電磁輻射等側信道信息，差分功耗分析(Differential Power Analysis,DPA)攻擊技術利用密鑰數(shù)據(jù)與這些信息之間的相關性，通過數(shù)理統(tǒng)計等方式可分析得出密鑰的值。由于DPA攻擊的非入侵性，普適性且簡單易行等特點，其對智能卡等密碼芯片的安全性造成了嚴重威脅。抵抗DPA攻擊最基本的思想是消除密碼芯片的工作電流與其執(zhí)行算法時使用的數(shù)據(jù)的相關性。
電流平整技術通過使密碼芯片的供電電源端的電流保持相對恒定，消除了密碼芯片的功耗與密碼算法中數(shù)據(jù)的相關性，能夠增加攻擊者的攻擊難度，是一種比較實用的防守措施。與其它防護措施相比，電流平整技術具有很多優(yōu)勢。首先，電流平整電路的設計者無需了解原有密碼設備的內(nèi)部算法或電路，且電流平整電路不會影響原有密碼芯片的功能；再者，相對其他防護措施，電流平整電路的設計更簡單易行。為了達到較好的電流平整效果，電流平整電路中電流補償單元的線性度就顯得非常重要，而現(xiàn)有解決方案中電流補償單元通常采用簡單的跨導放大器，不能有效地解決線性度不足的問題。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決目前電流注入補償單元線性度的不足，達到高線性補償?shù)哪康模?提出了一種高線性補償?shù)碾娏髌秸娐贰?br> 本發(fā)明的高線性補償?shù)碾娏髌秸娐犯倪M了電流注入補償模塊的結構，它包括電流檢測模塊I和電流注入補 償模塊2 ；
電流檢測模塊1，用于檢測流經(jīng)密碼核心電路的電流1。_產(chǎn)生的變化電流Λ Icore, 并轉換變化電流Λ 1。_為相應的變化電壓AV，還用于將變化電壓AV發(fā)送給電流注入補償模塊2 ；
電流注入補償模塊2，用于將變化電壓AV線性轉換為補償電流AIb，并通過補償電流Λ Ik對變化電流Λ 1。_進行補償，使總的電源端檢測到的變化電流Λ Itot被削平；
電流檢測模塊I分別設置有變化電流Λ Icore采集端和變化電壓Λ V輸出端；電流注入補償模塊2分別設置有變化電壓AV輸入端和補償電流△ Ik輸出端；電流檢測模塊I 的變化電壓AV輸出端與電流注入補償模塊2的變化電壓ΛV輸入端連接；
電流注入補償模塊2由放大器Α、第三PMOS管M3、第四PMOS管Μ4和第五NMOS管 Μ5至第十NMOS管MlO組成，
第三PMOS管M3的柵極與漏極短接并同時與第四PMOS管Μ4的柵極、第五NMOS管M5的漏極、第十NMOS管MlO的漏極連接，
第五NMOS管M5的源極和第六NMOS管M6的漏極同時與放大器A的同相輸入端連接，
第十NMOS管MlO的柵極和第九NMOS管M9的柵極同時與放大器A的輸出端連接，
第九NMOS管M9的源極和第八NMOS管M8的漏極同時與放大器A的反相輸入端連接，
第八NMOS管M8的源極與第七NMOS管M7的漏極連接，
第三PMOS管M3的源極、第四PMOS管M4的源極和第九NMOS管M9的漏極接電源端 VDD，
第六NMOS管M6的源極、第七NMOS管M7的源極和第十NMOS管MlO的源極接地，
第六NMOS管M6的柵極接第三偏置電壓V。,第七NMOS管M7的柵極接第四偏置電壓Vd和第八NMOS管M8的柵極接第五偏置電壓Ve ；
第四PMOS管M4的漏極為電流注入補償模塊2的補償電流Λ Ie輸出端；第四PMOS 管Μ4的漏極與密碼核心電路的地端連接，
第五NMOS管Μ5的柵極為電流注入補償模塊2的變化電壓Λ V輸入端。
本發(fā)明在密碼核心電路正常工作時，流經(jīng)密碼核心電路的電流Icore會產(chǎn)生Λ Icore 變化，電流檢測模塊I迅速檢測這些電流變化，并轉換為相應的電壓變化△ V，然后電流注入補償模塊2將Λ V線性地轉換為補償電流Λ Ie,在總的電源端檢測到的總電流變化Λ Itot 將被削平，達到隱藏芯片核心電流變化的目的。


圖1是本發(fā)明高線性補償?shù)碾娏髌秸娐返慕Y構示意圖；圖2是本發(fā)明高線性補償?shù)碾娏髌秸娐返碾娐穲D；圖3是本 發(fā)明高線性補償?shù)碾娏髌秸娐吩贠. 18 μ m CMOS工藝下的仿真結果圖，該圖中曲線O表示經(jīng)過平整后的電源端的總電流，曲線P表示電流注入模塊產(chǎn)生的補償電流，曲線Q表示密碼核心電流的電流。
具體實施方式
具體實施方式
一結合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式包括電流檢測模塊 I和電流注入補償模塊2 ；
電流檢測模塊1，用于檢測流經(jīng)密碼核心電路的電流1。_產(chǎn)生的變化電流Λ Icore, 并轉換變化電流Λ 1。_為相應的變化電壓AV，還用于將變化電壓AV發(fā)送給電流注入補償模塊2 ；
電流注入補償模塊2，用于將變化電壓AV線性轉換為補償電流ΛΙΚ，并通過補償電流Λ Ie對變化電流1。_進行補償，使總的電源端檢測到的變化電流Λ Itot被削平；
電流檢測模塊I分別設置有變化電流Λ Icore采集端和變化電壓Λ V輸出端；電流注入補償模塊2分別設置有變化電壓AV輸入端和補償電流△ Ik輸出端；電流檢測模塊I 的變化電壓AV輸出端與電流注入補償模塊2的變化電壓ΛV輸入端連接；
電流注入補償模塊2由放大器Α、第三PMOS管M3、第四PMOS管Μ4和第五NMOS管 Μ5至第十NMOS管MlO組成，
第三PMOS管M3的柵極與漏極短接并同時與第四PMOS管M4的柵極、第五NMOS管 M5的漏極、第十NMOS管MlO的漏極連接，
第五NMOS管M5的源極和第六NMOS管M6的漏極同時與放大器A的同相輸入端連接，
第十NMOS管MlO的柵極和第九NMOS管M9的柵極同時與放大器A的輸出端連接，
第九NMOS管M9的源極和第八NMOS管M8的漏極同時與放大器A的反相輸入端連接，
第九NMOS管M9的源極與第八NMOS管M8的漏極短接并反 饋至放大器A的反相輸入端構成負反饋；
第八NMOS管M8的源極與第七NMOS管M7的漏極連接，
第三PMOS管M3的源極、第四PMOS管M4的源極和第九NMOS管M9的漏極接電源端 VDD，
第六NMOS管M6的源極、第七NMOS管M7的源極和第十NMOS管MlO的源極接地，
第六NMOS管M6的柵極接第三偏置電壓V。,第七NMOS管M7的柵極接第四偏置電壓Vd和第八NMOS管M8的柵極接第五偏置電壓Ve ;第三偏置電壓V。、第四偏置電壓Vd和第五偏置電壓V6可從外部偏置電路獲得；
第四PMOS管M4的漏極為電流注入補償模塊2的補償電流Λ Ie輸出端；第四PMOS 管Μ4的漏極與密碼核心電路的地端連接，
第五NMOS管Μ5的柵極為電流注入補償模塊2的變化電壓Λ V輸入端，第五NMOS 管Μ5的柵極接電流檢測模塊I中M2的漏極，
電路中第五NMOS管Μ5用作源跟隨器，第六NMOS管Μ6工作在放大區(qū)，第十NMOS 管MlO工作在飽和區(qū)；第九NMOS管Μ9的尺寸設計得較大，由于第七NMOS管Μ7、第八NMOS 管Μ8和放大器A的調節(jié)作用，第九NMOS管Μ9的源極節(jié)點電壓與第六匪OS管Μ6的漏源電壓相等。
具體實施方式
二 結合圖2說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式
一不同點在于電流檢測模塊I由第一 NMOS管Ml、第二 NMOS管M2、第i^一 NMOS管Ml1、第十二 NMOS 管M12，第十三PMOS管M13、第十四PMOS管M14、第十五PMOS管M15和電阻Rl組成，
第一 NMOS管Ml的漏極為電流檢測模塊I的變化電流Λ Icore采集端，第一 NMOS管 Ml的漏極與密碼核心電路的地端同時與第十三PMOS管Μ13的柵極連接，
第一 NMOS管Ml的柵極、第二 NMOS管M2的柵極、第十二 NMOS管Μ12的漏極與第十四NMOS管Μ14的漏極連接，
第^^一 NMOS管Mll的柵極、第十二 NMOS管Μ12的柵極、第i^一 NMOS管Mll的漏極與第十三PMOS管M13的漏極連接，
第十三PMOS管M13的源極、第十四PMOS管M14的源極與第十五PMOS管M15的漏極連接，
第二 NMOS管M2的漏極與電阻Rl的一端連接為電流檢測模塊I的變化電壓Λ V 輸出端；第二 NMOS管M2的漏極節(jié)點電壓作為電流檢測模塊I的變化電壓AV輸出送至電流注入補償模塊2的變化電壓Λ V輸入端，即第五NMOS管Μ5的柵極，
電阻Rl的一端與第十五PMOS管Μ15的源極接電源端VDD，
第一 NMOS管Ml的源極、第二 NMOS管M2的源極、第i^一 NMOS管Mll的源極和第十二 NMOS管M12的源極接地，
第十四PMOS管M14的柵極接第二偏置電壓Vb、第十五PMOS管M15的柵極接第一偏置電壓Va，第一偏置電壓Va和第二偏置電壓Vb可從外部偏置電路獲得。
其它組成和連接方式與具體實施方式
一相同。
本發(fā)明內(nèi)容不僅限于上述各實施方式的內(nèi)容，其中一個或幾個具體實施方式
的組合同樣也可以實現(xiàn)發(fā)明的目的。
本發(fā)明給出的電流平整電路解決方案細節(jié)如圖2所示。電路中的等電壓以及放大器正常工作所需的偏置電壓均由偏置電路提供。其中電流檢測模塊I是一種改進電流鏡結構(由第一 NMOS管Ml、第二 NMOS管M2、第i^一 NMOS管Ml1、第十二NMOS管 M12，第十三PMOS管M13、第十四PMOS管M14、第十五PMOS管M15和電阻R1組成)。第i^一 NMOS管Mll至第十五PMOS管M15組成一個差分放大器，密碼核心電路的地端電壓V__c與第二偏置電壓Vb(由外部偏置電路提供)作為差分放大器的輸入，輸出作為電流鏡中第一 NMOS管Ml和第二 NMOS管M2的柵壓，通過反饋作用，將電流鏡中的第一 NMOS管Ml的源漏電壓固定在較低電壓值，且變化范圍很小。經(jīng)過改進后的電流鏡結構，可以在保證第一 NMOS 管Ml和第二 NMOS管M2始終工作在飽和區(qū)的前提下，不影響到密碼核心電路本身的工作， 能夠快速準確的復制密碼核心電路的電流變化值。第二 NMOS管M2 —側將密碼核心電路的變化電流轉換為變化的電壓。當設備電流增大△1。_時，使節(jié)點&的電壓下降Λ V，反之亦然。
電流注入補償模塊2將電流檢測模塊I傳遞過來的變化電壓Λ V轉換為補償電流 Δ Ie,電流注入 補償模塊2產(chǎn)生的補償電流Λ Ie是流經(jīng)第六NMOS管Μ6和第十NMOS管MlO 兩個MOS管的電流之和的復制，其中第六NMOS管Μ6工作在線性區(qū)，第十NMOS管MlO工作在飽和區(qū)。經(jīng)過合理設計電路參數(shù)，流經(jīng)第六NMOS管Μ6與第十NMOS管MlO的電流之和與輸入電壓能保持很高的線性關系。在圖2中，第五NMOS管Μ5構成源跟隨器，第六NMOS管 Μ6的漏源電壓可由下式得到
= AF- Fr5 - (2 J1 / β AF - Vrs⑴
其中β = UnCox W/L。工作在線性區(qū)的第六NMOS管Μ6的漏電流的大小為
h6 = fiWGS6 — VtJVds6 — I2 (2,
第十NMOS管MlO工作在飽和區(qū)，忽略溝道長度調制效應時，其漏電流人小為
1Dio ~ ~ β ( V i, s ιο _ 1 I )22(3)
將式⑵和式(3)相加，即第六NMOS管M6與第十NMOS管MlO中電流相加可得
AZftH ~Vf)Sb}^\PiVam-V1J2 2 (4)
假設Vesitl-Vntl = Vds6,則式(4)變?yōu)?br> ΔΙΕ = β (Vgs6-Vt6) (AV-Vt5)(5)
通過設置￥^6-\6為一個固定的第三偏置電壓Vc，變化電壓AV和輸出補償電流 Λ Ik之間就可以得到線性關系，β為其系數(shù)。
其中，Vesitl-Vntl = Vds6條件可以通過合理設計電路參數(shù)得到滿足。放大器的同相輸入端電壓為漏源電壓VDS6，反相輸入端電壓由于反饋也固定在Vds6，放大器輸出電壓為Vesi(l。 將第九NMOS管M9的寬長比設計的較大，流過第九NMOS管M9的電流為Ib，則
權利要求
1.一種高線性補償?shù)碾娏髌秸娐罚涮卣髟谟谒娏鳈z測模塊(I)和電流注入補償模塊⑵；電流檢測模塊(I)，用于檢測流經(jīng)密碼核心電路的電流1。_產(chǎn)生的變化電流△ 1。_，并轉換變化電流Λ 1。_為相應的變化電壓AV，還用于將變化電壓AV發(fā)送給電流注入補償模塊⑵；電流注入補償模塊(2)，用于將變化電壓AV線性轉換為補償電流ΛΙΚ，并通過補償電流Λ Ik對變化電流Λ 1。_進行補償，使總的電源端檢測到的變化電流Λ Itot被削平；電流檢測模塊⑴分別設置有變化電流Λ 1。_采集端和變化電壓Λ V輸出端；電流注入補償模塊⑵分別設置有變化電壓AV輸入端和補償電流八1,輸出端；電流檢測模塊 (I)的變化電壓△ V輸出端與電流注入補償模塊(2)的變化電壓AV輸入端連接；電流注入補償模塊⑵由放大器Α、第三PMOS管M3、第四PMOS管Μ4和第五NMOS管Μ5 至第十NMOS管MlO組成，第三PMOS管M3的柵極與漏極短接并同時與第四PMOS管Μ4的柵極、第五NMOS管Μ5 的漏極、第十NMOS管MlO的漏極連接，第五NMOS管Μ5的源極和第六NMOS管Μ6的漏極同時與放大器A的同相輸入端連接， 第十NMOS管MlO的柵極和第九NMOS管Μ9的柵極同時與放大器A的輸出端連接，第九NMOS管Μ9的源極和第八NMOS管Μ8的漏極同時與放大器A的反相輸入端連接， 第八NMOS管Μ8的源極與第七NMOS管Μ7的漏極連接，第三PMOS管M3的源極、第四PMOS管Μ4的源極和第九NMOS管Μ9的漏極接電源端VDD， 第六NMOS管Μ6的源極、第七NMOS管Μ7的源極和第十NMOS管MlO的源極接地，第六NMOS管Μ6的柵極接第三偏置電壓V。，第七NMOS管Μ7的柵極接第四偏置電壓Vd 和第八NMOS管Μ8的柵極接第五偏置電壓Ve ；第四PMOS管Μ4的漏極為電流注入補償模塊⑵的補償電流Λ Ie輸出端；第四PMOS 管Μ4的漏極與密碼核心電路的地端連接，第五NMOS管Μ5的柵極為電流注入補償模塊⑵的變化電壓Λ V輸入端。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種高線性補償?shù)碾娏髌秸娐?，其特征在于它電流檢測模塊(I)由第一 NMOS管Ml、第二 NMOS管M2、第^^一 NMOS管Ml1、第十二 NMOS管M12，第十三 PMOS管M13、第十四PMOS管M14、第十五PMOS管M15和電阻Rl組成，第一 NMOS管Ml的漏極為電流檢測模塊⑴的變化電流Λ Icore采集端，第一 NMOS管 Ml的漏極和第十三PMOS管Μ13的柵極同時與密碼核心電路的地端連接，第一 NMOS管Ml的柵極、第二 NMOS管M2的柵極、第十二 NMOS管Μ12的漏極與第十四 NMOS管Μ14的漏極連接，第i^一 NMOS管Mll的柵極、第十二 NMOS管M12的柵極、第i^一 NMOS管Mll的漏極與第十三PMOS管M13的漏極連接，第十三PMOS管M13的源極、第十四PMOS管M14的源極與第十五PMOS管M15的漏極連接，第二 NMOS管M2的漏極與電阻Rl的一端連接為電流檢測模塊(I)的變化電壓AV輸出端；電阻Rl的一端與第十五PMOS管M15的源極接電源端VDD，第 一 NMOS管Ml的源極、第二 NMOS管M2的源極、第i^一 NMOS管Mll的源極和第十二 NMOS管M12的源極接地，第十四PMOS管M14的柵極接第二偏置電壓Vb、第十五PMOS管M15的柵極接第一偏置電壓\。
全文摘要
一種高線性補償?shù)碾娏髌秸娐?，它涉及電路電子領域，它解決了目前電流注入補償單元線性度的不足，達到高線性補償?shù)哪康?。它包括電流檢測模塊和電流注入補償模塊；電流檢測模塊，用于檢測流經(jīng)密碼核心電路的電流Icore產(chǎn)生的變化電流ΔIcore，并轉換變化電流ΔIcore為相應的變化電壓ΔV，還用于將變化電壓ΔV發(fā)送給電流注入補償模塊；電流注入補償模塊，用于將變化電壓ΔV線性轉換為補償電流ΔIR，并通過補償電流ΔIR對變化電流ΔIcore進行補償，使總的電源端檢測到的變化電流ΔItot被削平；電流注入補償模塊由放大器A、第三PMOS管M3、第四PMOS管M4和第五NMOS管M5至第十NMOS管M10組成。本發(fā)明達到隱藏芯片核心電流變化的目的，能夠在加密中廣泛應用。
文檔編號G05F1/565GK102999077SQ20121050915
公開日2013年3月27日 申請日期2012年12月3日 優(yōu)先權日2012年12月3日
發(fā)明者王晨旭, 王新勝, 喻明艷, 王進祥, 韓志偉 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(威海)