随着物联网(Internet of Things,IoT)的快速发展,信息安全已从传统的政治、军事等重要领域全面推广到民生领域因而受到越来越多的关注。为了实现信息系统的保密性、完整性和可控性需要对数据进行加密。数据加密的核心是安全密钥,它的构建基于随机数提供的不确定性和不可预测性,因此在安全性较高的应用中通常选用真随机数发生器(True Random Number Generator,TRNG)生成密钥。TRNG采用自然界具有随机特性的现象作为熵源(如热噪声、核衰变、宇宙辐射等),熵源经过量化和数字后处理转换成随机序列。在集成电路领域,最易获得并利用的随机现象是热噪声,因此本论文将重点研究基于热噪声的真随机数发生器设计。研究内容主要包括以下三个部分:1.通过对热噪声模型和灵敏放大器匹配机理的研究,提出一种可自适应匹配的TRNG设计方案。该方案在灵敏放大器中嵌入可配置NMOS阵列,通过动态补偿算法调整阵列的等效宽长比使得灵敏放大器工作电流达到平衡,从而实现TRNG自适应校准功能。电路采用TSMC 65nm工艺设计,仿真结果表明TRNG在0.8V~1.4V电源电压和-40℃~120℃的环境下工作稳定,最大比特率1Gbps,平均能耗0.165pJ/bit。2.通过对比较器共模模式的研究,提出一种优化可自适应匹配的TRNG随机性和鲁棒性的方案。该方案中热噪声反相器首尾相连形成环路,使得节点电压收敛并保持在亚稳态电位。亚稳态下反相器输出节点热噪声与共模模式下比较器热噪声相叠加,经TRNG转换成随机序列。所提电路采用SMIC 55nm工艺设计,仿真结果表明TRNG在五个工艺角下(tt,ss,ff,sf,fs)均可稳定工作,输出序列均匀性显著改善,最大比特率1Gbps,平均能耗0.426pJ/bit。3.通过对频率抖动机理的研究,提出一种基于压控振荡器(Voltage-Controlled Oscillator,VCO)的TRNG设计方案。该方案中将电阻热噪声放大后作为VCO的控制信号使其振荡频率在中心频率附近随机抖动。VCO所产生的慢振荡抖动信号对周期固定的高频振荡信号采样生成原始随机序列,然后利用后处理电路提高序列均匀性并消除自相关性。通过调节VCO的中心频率可实现输出序列比特率和随机性之间的权衡。所提电路采用SMIC 55nm工艺设计,版图面积0.0124mm~2,比特率10Mbps,平均功率0.81mW。所设计三款TRNG性能优良,输出的真随机数序列均可通过NIST SP 800-22测试,安全性高,可广泛应用于信号加密等领域。