PL B1. POLITECHNIKA WARSZAWSKA, Warszawa, PL BUP 04/11. KRZYSZTOF GOŁOFIT, Lublin, PL WUP 06/14

Transkrypt

1 PL B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: (51) Int.Cl. H03K 3/023 ( ) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: (54) Przerzutnik typu zatrzask (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 04/11 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 06/14 (73) Uprawniony z patentu: POLITECHNIKA WARSZAWSKA, Warszawa, PL (72) Twórca(y) wynalazku: KRZYSZTOF GOŁOFIT, Lublin, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Krystyna Lewińska

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest przerzutnik typu zatrzask. Wynalazek może być stosowany w różnicowo-prądowych układach o arytmetycznych, a w szczególności o układach kryptograficznych do ochrony przed atakami z kanałem pobocznym oraz do realizacji cyfrowej części mieszanych układów analogowo-cyfrowych. Znany jest z publikacji M. Usama, T. Kwasniewski, Design and comparison of CMOS Current Mode Logic latches. Proceedings of the 2004 International Symposium on Circuits and Systems, ISCAS'04, Volume 4, Page(s): 353-6, 2004, przerzutnik typu zatrzask, który zawiera źródło prądowe dołączone do masy układu i pierwszego układu różnicowego, do którego dołączony jest drugi układ różnicowy oraz para sprzężonych ze sobą tranzystorów, przy czym do drugiego układu różnicowego i do pary sprzężonych ze sobą tranzystorów dołączone są dwa elementy przewodzące podłączone do dodatniego napięcia zasilania. Znana jest ze zgłoszenia patentowego Różnicowo-prądowa bramka logiczna, zwłaszcza do układów kryptograficznych odpornych na ataki z kanałem pobocznym z dn r. w UP RP pod numerem P , w której dwa układy różnicowe podłączone są do dwóch źródeł prądowych i obydwa układy różnicowe sterowane są tym samym napięciem na odbiorniku i układy różnicowe połączone są ze sobą elementami przewodzącymi i bramka posiada pierwszy układ blokujący połączony z pierwszym układem różnicowym i posiada drugi układ blokujący połączony z drugim układem różnicowym i pierwszy układ blokujący połączony jest z pierwszą parą zacisków wyjściowych, a drugi układ blokujący połączony jest z drugą parą zacisków wyjściowych. Celem wynalazku jest realizacja podstawowej komórki pamięci o różnicowo prądowych wejściach i wyjściach dla zastosowań różnicowej technologii prądowej. Istotą wynalazku jest przerzutnik zawierający różnicowo-prądową bramkę logiczną, do której dołączony jest zespół przełączników. Różnicowo-prądowa bramka logiczna zawiera dwa źródła prądowe, z których pierwsze źródło prądowe dołączone jest do masy układu, a drugie źródło prądowe do dodatniego napięcia zasilania i zawiera dwa układy różnicowe, z których pierwszy układ różnicowy dołączony jest do pierwszego źródła prądowego, a drugi układ różnicowy do drugiego źródła prądowego, przy czym obydwa układy różnicowe sterowane są tym samym napięciem na odbiorniku i bramka zawiera zaciski wejściowe dołączone do odbiornika i zawiera dwa elementy przewodzące, poprzez które połączone są obydwa układy różnicowe i bramka posiada pierwszy układ blokujący, który jedną końcówką dołączony jest w miejscu połączenia pierwszego układu różnicowego do pierwszego elementu przewodzącego, a drugą końcówką dołączony jest w miejscu połączenia pierwszego układu różnicowego do drugiego elementu przewodzącego oraz posiada drugi układ blokujący, który jedną końcówką dołączony jest w miejscu połączenia drugiego układu różnicowego do pierwszego elementu przewodzącego, a drugą końcówką dołączony jest w miejscu połączenia drugiego układu różnicowego do drugiego elementu przewodzącego i pierwszy układ blokujący posiada dwie końcówki wyjściowe, do których dołączona jest pierwsza para zacisków wyjściowych, i drugi układ blokujący posiada dwie końcówki wyjściowe, do których dołączona jest druga para zacisków wyjściowych, które stanowią dwie pary zacisków wyjściowych przerzutnika. Przerzutnik posiada cztery przełączniki, z których pierwsze dwa przełączniki włączone są pomiędzy zaciski wejściowe bramki a zaciski wejściowe przerzutnika, i trzeci przełącznik włączony jest pomiędzy pierwszy zacisk wejściowy bramki, a pierwszy zacisk pierwszej pary zacisków wyjściowych i czwarty przełącznik włączony jest pomiędzy drugi zacisk wejściowy bramki a drugi zacisk drugiej pary zacisków wyjściowych, przy czym pierwsze dwa przełączniki działają w przeciwfazie do drugiej pary przełączników. Przerzutnik posiada piąty przełącznik włączony pomiędzy zaciski wejściowe bramki. Przerzutnik posiada szósty przełącznik włączony pomiędzy pierwszy zacisk wejściowy bramki a zacisk dodatniego napięcia i posiada siódmy przełącznik włączony pomiędzy drugi zacisk wejściowy bramki a zacisk ujemnego napięcia. Przerzutnik posiada ósmy przełącznik włączony pomiędzy drugi zacisk wejściowy bramki a zacisk dodatniego napięcia i posiada dziewiąty przełącznik włączony pomiędzy pierwszy zacisk wejściowy bramki a zacisk ujemnego napięcia. Korzystnym skutkiem wynalazku jest sprzężenie wyjść różnicowo-prądowej bramki z jej wejściami oraz przełączniki ustawiające przerzutnik w jeden ze stanów prądowych: 0, -1 i 1, niezależnie od wejścia przerzutnika i aktualnie pamiętanego stanu. Innym korzystnym skutkiem wynalazku jest to, że w trybie przyjmowania stanu, który aktywowany jest nie zboczem lecz poziomem, przerzutnik realizuje funkcję różnicowo-prądowej bramki będącej jego częścią.

3 PL B1 3 Przedmiot wynalazku w przykładach wykonania jest uwidoczniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat blokowy różnicowo-prądowego przerzutnika typu zatrzask, a fig. 2 - schemat ideowy jednej z realizacji przerzutnika. Przerzutnik typu zatrzask uwidoczniony na fig. 1 posiada dwa układy różnicowe R1 i R2 dołączone do dwóch źródeł prądowych 11 i 12 i obydwa układy różnicowe R1 i R2 sterowane są tym samym napięciem na odbiorniku Ow, do którego dołączone są dwa zaciski wejściowe bramki 1w i 2w. Układy różnicowe R1 i R2 połączone są ze sobą elementami przewodzącymi Pa i Pb oraz przerzutnik posiada pierwszy układ blokujący B1, który jedną końcówką dołączony jest w miejscu połączenia pierwszego układu różnicowego R1 do pierwszego elementu przewodzącego Pa, a drugą końcówką dołączony jest w miejscu połączenia pierwszego układu różnicowego R1 do drugiego elementu przewodzącego Pb oraz posiada drugi układ blokujący, który jedną końcówka dołączony jest w miejscu połączenia drugiego układu różnicowego R2 do pierwszego elementu przewodzącego Pa, a drugą końcówką dołączony jest w miejscu połączenia drugiego układu różnicowego R2 do drugiego elementu przewodzącego Pb. Pierwszy układ blokujący posiada dwie końcówki wyjściowe podłączone do pierwszej pary zacisków wyjściowych bramki 1a i 1b, a drugi układ blokujący posiada dwie końcówki wyjściowe podłączone do drugiej pary zacisków wyjściowych bramki 2a i 2b. Ponadto, przerzutnik posiada dziewięć przełączników. Pierwsze dwa przełączniki s1 i s2 włączone są pomiędzy zaciski wejściowe bramki 1w i 2w a zaciski wejściowe przerzutnika W1 i W2, a kolejne dwa przełączniki s3 i s4 włączone są pomiędzy zaciski wyjściowe bramki a zaciski wejściowe bramki, przy czym trzeci przełącznik włączony jest pomiędzy pierwszy zacisk pierwszej pary zacisków wyjściowych bramki 1a a pierwszy zacisk wejściowy bramki 1w, a czwarty przełącznik s4 włączony jest pomiędzy drugi zacisk drugiej pary zacisków wyjściowych bramki 2b a drugi zacisk wejściowy bramki 2w. Pierwsze dwa przełączniki i działają w przeciwfazie do kolejnych dwóch przełączników s3 i s4. Włączenie pierwszych dwóch przełączników s1 i s2 wprowadza stan prądowy z wejść przerzutnika W1 i W2, a włączenie drugiej pary przełączników s3 i s4 powoduje zapamiętanie tego stanu prądowego. Piąty przełącznik a5 włączony jest pomiędzy zaciski wejściowe bramki 1w i 2w, a jego włączenie ustawia stan prądowy bramki na 0. Szósty przełącznik s6 włączony jest pomiędzy pierwszym zaciskiem wejściowym bramki 1w a zaciskiem dodatniego napięcia Up, a siódmy przełącznik s7 włączony jest pomiędzy drugim zaciskiem wejściowym 2w a zaciskiem ujemnego napięcia Un. Napięcia na zaciskach Up i Un dobrane są tak, aby wysterować układy różnicowe R1 i R2. Przełączniki s6 i s7 przełączane są jednocześnie, a ich włączenie ustawia stan prądowy bramki na -1 przy drugim wariancie łączenia zacisków wyjściowych, w którym zwarte są pierwsze zaciski pierwszej i drugiej pary, 1a z 2a oraz zwarte są drugie zaciski pierwszej i drugiej pary, 1b z 2b. Ósmy przełącznik s8 włączony jest pomiędzy drugim zaciskiem wejściowym bramki 2w a zaciskiem dodatniego napięcia Up oraz dziewiąty przełącznik s9 włączony jest pomiędzy pierwszym zaciskiem wejściowym 1w a zaciskiem ujemnego napięcia Un. Przełączniki s8 i s9 przełączane są jednocześnie, a ich włączenie ustawia stan prądowy bramki na 1. Przykładowa realizacja wynalazku przedstawiona na fig. 2 została zbudowana przy pomocy tranzystorów MOSFET i jest realizacją jednego z wariantów łączenia zacisków wyjściowych wg zastrz. 2 zgłoszenia pat. nr P , w którym zwarte są pierwsze zaciski pierwszej i drugiej pary, 1a z 2a z fig. 1, tworząc nowy zacisk Oa oraz zwarte są drugie zaciski pierwszej i drugiej pary, 1b z 2b z fig. 1, tworząc zacisk Ob. Tranzystor TRref pełni rolę rezystora i reguluje wartość prądu płynącą przez tranzystor Tr, z którego bramki pochodzi wartość napięcia odniesienia -Uref dla źródeł prądowych typu n działających na zasadzie luster prądowych. Podobnie z bramki tranzystora Tr-p, którego prąd określa lustro prądowe Tr-n, pochodzi wartość napięcia odniesienia +Uref dla źródeł prądowych typu p. Dzięki tym napięciom odniesienia wiele źródeł prądowych może być realizowanych jako pojedyncze tranzystory, co też ma miejsce w przypadku T11 i T12. Tranzystory TR1a i TR1b oraz TR2a i TR2b realizują odpowiednio układy różnicowe R1 oraz R2 z fig. 1. Sterowanie układami różnicowymi odbywa się poprzez napięcie na tranzystorze TROw pełniącego rolę rezystora - odbiornika. Tranzystor ten zamyka obwód wejściowy pomiędzy zaciskami wejściowymi 1w i 2w bramki, a sygnały napięciowe podawane są bramki tranzystorów Tr1a, Tr1b, TR2a i TR2b. Elementy przewodzące Pa i Pb z fig. 1 zostały zrealizowane jako tranzystory TRPa i TRPb, natomiast układy blokujące B1 oraz B2 jako tranzystory TB1a i TB1b oraz TB2a i TB2b, odpowiednio. W stanie równowagi i stanie bliskim równowagi układów różnicowych prąd płynie przez tranzystory TRPa i TRPb, a tranzystory TB1a, TB1b, TB2a i TB2b są wyłączone. Natomiast w stanie nierównowagi, na przykład, gdy tranzystory TR1a i TR2b są w stanie przewodzenia, a tranzystory TR1b i TR2a są w stanie zatkania, tranzystor TRPb podnosi napięcie na bramce tranzystora TB1a włączając go, a tranzystor TRPa włącza tranzystor TB2b obni-

4 4 PL B1 żając napięcie na jego bramce. Sytuacja przedstawia się analogicznie w przeciwnym stanie nierównowagi. Przełączniki z fig. 1 zostały zrealizowane jako klucze tranzystorowe TS1-TS9, natomiast napięcia zacisków Up i Un z fig. 1 zostały zrealizowane poprzez dołączenie ich do źródeł prądowych T12 i Τ11. Klucze TS1 i TS2 są tranzystorami MOS typu n, natomiast klucze TS3 i TS4 typu p, aby pracować w przeciwfazie do TS1 i TS2 - wszystkie cztery tranzystory sterowane są tym samym sygnałem napięciowym load. Pozostałe przełączniki zostały zrealizowane jako tranzystory MOS typu n, przy czym TS5 sterowany jest sygnałem napięciowym set 0, TS6 i TS7 sterowane są jednym sygnałem set 1, a TS8 i TS9 sterowane są jednym sygnałem set - 1. Możliwości zastosowania wynalazku przewiduje się w zależności od eksploatowanych cech wynalazku. Po pierwsze, zastosowanie do budowy układów kryptograficznych - tam gdzie istnieje potrzeba ograniczenia wycieku informacji, związanego z korelującymi z obliczeniami zmianami prądu zasilania i pola elektromagnetycznego wokół układu. Po drugie, zastosowanie w układach i konstrukcjach szczególnie czułych na zakłócenia przenoszone drogą zasilania lub interferencje (przesłuchy pomiędzy połączeniami w układzie) - przykładem są mieszane układy analogowo-cyfrowe, gdzie wymagane jest, aby część cyfrowa układu nie powodowała zakłóceń w części analogowej. Po trzecie, w realizacjach, w których zastosowanie ma logika wielowartościowa, ponieważ rozwiązania o charakterze prądowym wykorzystują efektywnie możliwości sumowania i odejmowania prądów w węzłach. Po czwarte, w obszarach, gdzie eksploatowane byłyby szczególne właściwości obliczeniowe wynalazku - takie jak naturalna trójwartościowość dla obliczeń w ciałach charakterystyki 3, np. algorytmy kryptograficzne oparte na Tate/Weil Pairing. Zastrzeżenia patentowe 1. Przerzutnik typu zatrzask zawierający źródło prądowe dołączone jedną końcówką do masy układu a drugą końcówką układu różnicowego, znamienny tym, że zawiera różnicowo-prądową bramkę logiczną, do której dołączony jest zespół przełączników. 2. Przerzutnik według zastrz. 1, znamienny tym, że różnicowo-prądowa bramka logiczna zawiera dwa źródła prądowe (I1) i (I2), z których pierwsze źródło prądowe (I1) dołączone jest do masy układu (U1), a drugie źródło prądowe (U2) do dodatniego napięcia zasilania (U2) i zawiera dwa układy różnicowe (R1) i (R2), z których pierwszy układ różnicowy (R1) dołączony jest do pierwszego źródła prądowego (I1), a drugi układ różnicowy (R2) do drugiego źródła prądowego (I2), przy czym obydwa układy różnicowe sterowane są tym samym napięciem na odbiorniku (Ow) i bramka zawiera zaciski wejściowe (1w) i (2w) dołączone do odbiornika i zawiera dwa elementy przewodzące (Pa) i (Pb), poprzez które połączone są obydwa układy różnicowe (R1) i (R2) i bramka posiada pierwszy układ blokujący (B1), który jedną końcówką dołączony jest w miejscu połączenia pierwszego układu różnicowego (R1) do pierwszego elementu przewodzącego (Pa), a drugą końcówką dołączony jest w miejscu połączenia pierwszego układu różnicowego (R1) do drugiego elementu przewodzącego (Pb) oraz posiada drugi układ blokujący (B2), który jedną końcówka dołączony jest w miejscu połączenia drugiego układu różnicowego (R2) do pierwszego elementu przewodzącego (Pb), a drugą końcówką dołączony jest w miejscu połączenia drugiego układu różnicowego (R2) do drugiego elementu przewodzącego (Pb) i pierwszy układ blokujący (B1) posiada dwie końcówki wyjściowe, do których dołączona jest pierwsza para zacisków wyjściowych (1a) i (1b), i drugi układ blokujący (B2) posiada dwie końcówki wyjściowe, do których dołączona jest druga para zacisków wyjściowych (2a) i (2b), które stanowią dwie pary zacisków wyjściowych przerzutnika. 3. Przerzutnik według zastrz. 1 lub 2, znamienny tym, że posiada cztery przełączniki (s1-s4), z których pierwsze dwa przełączniki (s1) i (s2) włączone są pomiędzy zaciski wejściowe bramki (1w, 2w) a zaciski wejściowe przerzutnika (W1) i (W2), i trzeci przełącznik (s3) włączony jest pomiędzy pierwszy zacisk wejściowy bramki (1w) a pierwszy zacisk pierwszej pary zacisków wyjściowych (1a), i czwarty przełącznik (s4) włączony jest pomiędzy drugi zacisk wejściowy bramki (2w) a drugi zacisk drugiej pary zacisków wyjściowych (2b), przy czym pierwsze dwa przełączniki (s1) i (s2) działają w przeciwfazie do drugiej pary przełączników (s3) i (s4). 4. Przerzutnik według zastrz. 1 lub 2, znamienny tym, że posiada piąty przełącznik (s5) włączony pomiędzy zaciski wejściowe bramki (1w) i (2w). 5. Przerzutnik według zastrz. 1 lub 2, znamienny tym, że posiada szósty przełącznik (s6) włączony pomiędzy pierwszy zacisk wejściowy bramki (1w) a zacisk dodatniego napięcia (Up) i posiada

5 PL B1 5 siódmy przełącznik (s7) włączony pomiędzy drugi zacisk wejściowy bramki (2w) a zacisk ujemnego napięcia (Un). 6. Przerzutnik według zastrz. 1 lub 2, znamienny tym, że posiada ósmy przełącznik (s8) włączony pomiędzy drugi zacisk wejściowy bramki (2w) a zacisk dodatniego napięcia (Up) i posiada dziewiąty przełącznik (s9) włączony pomiędzy pierwszy zacisk wejściowy bramki (1w) a zacisk ujemnego napięcia (Un). Rysunki

6 6 PL B1 Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)