專利名稱：用于產生隨機信號的裝置及方法
技術領域：
本發明涉及用于產生隨機信號(例如，可以用于產生隨機數的隨 機信號)的電路和方法。
背景技術：
在許多的電子應用中，例如計算機和電信應用中，都使用隨機(或 偽隨機)數生成。在某些應用中，可以從自然呈現隨機或偽隨機特性 的源中，生成隨機比特流，即，缺乏可辨識的模式或重復的二進制信 號序列。已經提出了多種用于生成隨機信號的電路。授予Miller, Jr.的美國 專利7,007,060描述了基于互補金屬氧化物半導體(CMOS)器件的熱 噪聲生成隨機信號的方法及電路。所描述的技術涉及將來自一對相同 的熱噪聲產生器的輸出饋到差分放大器，該放大器測量并放大該輸出 之間的差。將被放大的差與基準電壓進行比較以產生隨機比特流。韓 國專利申請2004-093872描述了類似的方法，其利用通過差分放大器感 測的熱噪聲來驅動壓控振蕩器(VCO)，該壓控振蕩器時鐘控制從另 一 VCO接收數據信號的觸發器。發明內容在本發明的某些實施例中，隨機信號產生器電路包括熱噪聲產生 器電路和自偏反相器，該自偏反相器具有耦接到該熱噪聲產生器電路 且連接到耦接于該自偏反相器的輸出的反饋電阻的輸入。該自偏反相 器配置來響應于由熱噪聲產生器電路所產生的熱噪聲而在輸出上產生 所感測的噪聲信號。放大器電路耦接到自偏反相器的輸出，并配置來放大所感測的噪聲信號，以產生飽和的(saturated)隨機信號。根據本發明另外的實施例，該放大器電路包括第一放大器電路，其耦接到該自偏反相器的輸出，并被配置來放大所感測的噪聲信號，以產生放大的噪聲信號；以及第二放大器電路，其AC耦合到該第一放大器電路，并被配置來響應于所放大的噪聲信號而產生飽和的隨機信 號。該第一放大器電路可以包括反相器或多個級聯的反相器。該第二 放大器電路可以包括自偏反相器和至少一個反相器的級聯組合。該第二放大器電路可以包括多個AC耦合的放大器電路。該多個AC耦合的 放大器電路的每一個都可以包括自偏反相器和至少一個反相器的級聯 組合。在某些實施例中，該第一放大器電路的增益可以是基本大于該自 偏反相器的增益，而該第二放大器電路的增益可以是基本大于該第一 放大器電路的增益。該自偏反相器可以包括自偏CMOS反相器，該第 一放大器電路可以包括CMOS反相器或多個級聯的CMOS反相器，而 該第二放大器電路可以包括自偏CMOS反相器和至少一個CMOS反相 器的級聯組合。在另外的實施例中，熱噪聲產生器電路包括耦接于該自偏反相器 的輸入的熱噪聲產生電阻器。該熱噪聲產生器電路可以包括耦接在該 自偏反相器的輸入與信號接地節點之間的電阻器和電容器的串聯組在另外的實施例中，可以將取樣器電路耦接到放大器電路，并且 可以將其配置來響應于時鐘信號而從所述飽和的隨機信號產生隨機二 進制信號。該取樣器電路可以包括觸發器。另外的實施例提供了包括
如上所述的隨機信號產生器電路的隨機數產生器電路。另外的實施例提供了一種隨機信號產生器電路，其包括熱噪聲 產生器電路；以及第一單端放大器電路，其耦接到該熱噪聲放大器電 路，并且被配置來感測并放大其噪聲信號，以產生放大的噪聲信號。 第二單端放大器電路AC耦合到該第一單端放大器電路，并配置來響應 于該放大的噪聲信號產生飽和的隨機信號。該第一單端放大器電路可以包括自偏反相器，其具有耦接到該 熱噪聲產生器電路的輸入，并且其被配置來響應于由該熱噪聲產生器 電路所產生的熱噪聲，在其輸出上產生感測的噪聲信號；以及至少一 個反相器，其耦接到該自偏反相器的輸出，且被配置來從該感測的噪 聲信號產生放大的噪聲信號。該第二單端放大器電路可以包括自偏反 相器至少一個反相器的級聯組合。該第二單端放大器電路可以包括多 個AC耦合的放大器電路。該多個AC耦合的放大器電路的每一都可以 包括自偏反相器和至少一個反相器的級聯組合。在進一步的實施例中，該熱噪聲產生器電路可以包括電阻器，該 第一單端放大器電路可以被配置來響應于跨該電阻器的熱噪聲電壓而產生放大的噪聲信號。該熱噪聲產生器電路可以包括耦接在該第一單 端放大器電路的輸入與信號接地節點之間的電阻器和電容器的串聯組 合。該隨機信號產生器電路可以進一步包括取樣器電路，其配置來從 該飽和的隨機信號中產生隨機二進制信號。本發明的某些實施例包括一方法，其中熱噪聲產生器電路耦接到 自偏反相器的輸入，以在其輸出產生感測的噪聲信號。該感測的噪聲 信號施加到第一放大器電路，以產生非飽和的放大的噪聲信號。該非 飽和的噪聲信號AC耦合到第二放大器電路，以產生飽和的隨機信號。 可以從該飽和的隨機信號產生隨機二進制信號，例如，通過響應于時 鐘信號對該飽和的隨機信號取樣來產生該隨機二進制信號。
圖1是示出根據本發明某些實施例的隨機數產生器電路的示意圖；圖2是示出根據本發明某些實施例的隨機信號產生器電路的示意圖；圖3是示出根據本發明某些實施例的隨機信號產生器電路中使用 的噪聲源和自偏反相器電路的示意圖；圖4是示出根據本發明某些實施例的隨機信號產生器電路的示意圖；圖5a-5c是示出圖4的隨機信號產生器電路的示例性操作的波形圖；圖6是示出根據本發明另外的實施例的隨機信號產生器電路的示意圖；圖7是示出根據本發明某些實施例的取樣器電路的示意圖；以及 圖8是示出圖7的取樣器電路的示例性操作的波形圖。
具體實施方式
下面參考附圖更全面地說明本發明，在附圖中示出了本發明的實 施例。但是，本發明可以以許多不同的形式來實施，并且本發明不應 當被認為受到在此所示的諸實施例的限制。而是，提供這些實施例以 使得本公開將更加透徹完整，并且將本發明的范圍完整地傳達給本領 域技術人員。在附圖中，為清晰起見，將元件的尺寸或結構理想化或 夸大。將理解，當一個元件被稱作"連接"或"耦接"到另一個元件時， 它可以直接連接或耦接到該另一元件，或者可以存在中間元件。反之， 當一個元件被稱作"直接連接"或"直接耦接"到另一元件時，不存 在中間元件。相同的附圖標記表示相同的元件。如在此所使用的，術 語"和/或"包括一個或多個相關列出項的任意和全部組合。將理解，盡管這里可以使用術語第一、第二、第三等等來描述不 同元件、組件和/或部分，但是這些元件、組件和/或部分不應當受這些 術語的限制。這些術語僅是用來將一個元件、組件或部分與另一元件、 區域或部分區分開。因此，下面所討論的第一元件、組件或部分也可 以被命名為第二元件、組件或部分而不脫離本發明的教導。這里所使用的命名體系僅是出于描述特定實施例的目的，而不是 限制本發明。如在此所討論的，單數形式"一"、"一種"和"該" 意思是也包括復數形式，除非上下文明確指出不同于此。將進一步理 解，術語"包括"和/或"包含"用在本說明書中時表示存在所陳述的 特征、整體、步驟、操作、元件和/或組件，但是并不排除其一個或多 個其他特征、整體、步驟、操作、元件和/或組件的存在或增添。除非另有定義，這里所使用的所有術語(包括科技術語)具有與 本發明所屬領域的技術人員通常所理解的相同的含義。將進一步理解， 比如那些在常用字典中定義的術語應當被解釋成與它們在相關領域及 本說明書的上下文中的含義一致，并且除非明確地如此定義，否則不 應當對這些術語望文生義。圖1示出了產生隨機信號RS的隨機信號產生器電路100。隨機信號產生器電路100的輸出耦接到取樣器電路300的輸入，該取樣器電 路對隨機信號RS取樣，以產生隨機二進制信號RBS，例如，在第一和 第二態之間隨機轉換的數字信號。可以將該隨機二進制信號RBS提供 給例如處理器500或其他電路。例如，可以配置處理器500來從隨機 二進制信號RBS產生隨機數，例如，通過將該隨機二進制信號RBS的 二進制值加載到移位寄存器中來產生隨機的多位的字。將理解，在其 他實施例中，可以類似地釆用處理器以外的電路來產生隨機數。圖2示出了根據本發明某些實施例的隨機信號產生器電路100'。
該隨機信號產生器電路100，包括產生噪聲信號NS的噪聲源電路110。該隨機信號產生器電路100'進一步包括自偏反相器電路130，其感測噪 聲信號NS，并作為響應產生感測的噪聲信號SNS。感測的噪聲信號SNS 被提供給放大器電路150，該放大器電路將感測的噪聲信號SNS放大， 以產生隨機信號RS。圖3示出了根據本發明另外實施例的噪聲源電路110'和自偏反相 器電路130'。噪聲源電路110'包括與噪聲電阻器RN串聯連接的噪聲 電容器CN。該噪聲電阻RN耦接到自偏反相器電路130，的輸入節點 Nl。自偏反相器電路130，包括PMOS晶體管PM，其柵極耦接到該輸 入節點N1，源極耦接到電源供應節點VDD，漏極耦接到輸出節點N2。 自偏反相器電路130'進一步包括NMOS晶體管NM，其柵極耦接到輸 入節點Nl，源極耦接到輸出節點N2，而漏極耦接到電源供應地節點 VSS。自偏反相器電路130'進一步包括耦接在輸入節點N1和輸出節點 N2之間的偏置電阻RB。圖4示出了可以耦接到自偏反相器電路130'的輸出的示例放大器 電路150'。該放大器電路150'包括第一級153，其包括兩個串聯連接的 反相器電路，各自包括互補PMOS/NMOS晶體管對PM11/NM11、 PM12/NM12。第一級153的輸出節點Nil通過耦合電容器CC耦接到 第二級157的輸入節點N12。該第二級157包括自偏反相器電路，其 包括互補晶體管PM13、 NM13及偏置電阻器RB2，以及分別包括互補 晶體管對PM14/NM14、 PM15/NM15的兩個串聯連接的反相器電路。參考圖4和圖5a-5c，由自偏反相器電路130'所產生的感測的信號 SNS饋入到第一級153，其響應地產生放大信號AS。第二級153進一 步將該放大信號AS放大，以在輸出節點N13產生隨機信號RS。如圖 5c中所示，與非飽和的放大信號AS形成對比，隨機信號RS飽和，艮P， 放大信號AS的信號偏移(excursion)被放大，使得隨機信號RS的相 應變換的全部或大部分延伸在電源電壓VDD和地電壓VSS之間，產 生被"鉗位(Clip)"的波形，使得隨機信號主要在電源電壓vdd或接地電壓vss上，這縮短了它們之間的轉換。如下所示，可以使用數 字電路，如觸發器，對該飽和信號取樣。耦合電容器cc作用來在第二 級157的放大之前阻斷放大信號as的dc分量。圖6示出根據本發明另外的實施例可以耦接到自偏反相器電路 130'的輸出的示例放大器電路150"。該放大器電路150"包括第一級 253，其包括單一反相器，該反相器包括互補晶體管對pm21/nm21。 第一級253的輸出節點n21通過第一耦合電容器cc1而ac耦合到第 二級258的輸入節點n22，該第二級包括自偏反相器電路和反相器電 路的串聯組合，該自偏反相器電路包括互補晶體管pm22、 nm22和偏 置電阻器rb2，而該反相器電路包括互補pmos/nmos晶體管對 pm23、 nm23。第二級258的輸出節點n23通過第二耦合電容器cc2 而ac耦合到第三級259的輸入節點n24，該第三級259包括自偏反相 器電路和反相器電路的串聯組合，該自偏反相器電路包括互補晶體管 pm24、 nm24以及偏置電阻器rb3 ，而該反相器電路包括互補的 pmos/nmos晶體管對pm25、 nm25。由自偏反相器電路130'所產生的感測的噪聲信號sns被饋入到第 一級253的輸入，該第一級作為響應在輸出節點n21產生第一放大信 號as1。第二級253進一步將放大信號as1放大，以在輸出節點n23 產生第二放大信號as2。第三級259進一步放大第二放大信號as2， 以在輸出節點n25產生隨機信號rs。 ac耦合電容器cc1、 cc2作用 來在后續級的放大之前阻斷放大信號as1、 as2的dc分量。再次參考圖1，用來對隨機信號rs取樣以產生隨機二進制信號 rbs的取樣器電路300，可以采取許多不同形式中的任意形式。例如， 圖7示出了以觸發器300'的形式的取樣器電路，該觸發器包括數據輸 入d，其接收隨機信號rs并與施加到時鐘信號輸入ck的時鐘信號 clk同步地對隨機信號rs取樣，以在數據輸出q上產生與時鐘信號 CLK同步的隨機二進制信號RBS。例如，圖8示出通過在時鐘信號CLK 的上升沿取樣隨機信號RS的"低"(L)和"高"(h)而產生的隨機 二進制信號RBS的二進制值"0"和"1"。同步的隨機二進制信號RBS 可以特別適用于例如時鐘進入寄存器，以用于產生隨機多位字。前述示例說明了本發明，并且不認為是對本發明的限制。盡管已 經描述了本發明的一些示范實施例，本領域普通技術人員將容易理解， 在這些示范實施例中許多修改都是可能的，而不會在實質上偏離本發 明的新穎教導和優點。因此，所有這些修改都被包括在如權利要求所 限定的本發明的范圍內。因而，應當理解，前述示例說明了本發明， 而不認為是限制到所公開的具體實施例，并且對所公開的實施例以及 其他實施例的修改都被包括在所附權利的范圍內。
權利要求
1.一種隨機信號產生器電路，包括熱噪聲產生器電路；自偏反相器電路，其具有耦接到該熱噪聲產生器電路的輸入，且該輸入耦接到耦接于該自偏反相器電路的輸出的反饋電阻，該自偏反相器電路配置來響應于該熱噪聲產生器電路所產生的熱噪聲，在輸出上產生感測的噪聲信號；以及放大器電路，其耦接到該自偏反相器電路的輸出，并配置來放大該感測的噪聲信號，以產生飽和的隨機信號。
2. 如權利要求1所述的隨機信號產生器電路，其中該放大器電路 包括第一放大器電路，其耦接到該自偏反相器電路的輸出，并被配置 來放大所感測的噪聲信號，以產生放大的噪聲信號；以及第二放大器電路，其AC耦合到該第一放大器電路，并被配置來 響應于放大的噪聲信號而產生飽和的隨機信號。
3. 如權利要求2所述的隨機信號產生器電路，其中該第一放大器 電路包括反相器電路。
4. 如權利要求3所述的隨機信號產生器電路，其中該第一放大器 電路包括多個級聯的反相器電路。
5. 如權利要求2所述的隨機信號產生器電路，其中該第二放大器 電路包括自偏反相器電路和至少一個反相器電路的級聯組合。
6. 如權利要求2所述的隨機信號產生器電路，其中該第二放大器 電路包括多個AC耦合的放大器電路。
7. 如權利要求6所述的隨機信號產生器電路，其中該多個AC耦合的放大器電路的每一個都包括自偏反相器電路和至少一個反相器電 路的級聯組合。
8. 如權利要求2所述的隨機信號產生器電路，其中該第一放大器 電路的增益基本上大于該自偏反相器電路的增益，而其中該第二放大 器電路的增益基本大于該第一放大器電路的增益。
9. 如權利要求2所述的隨機信號產生器電路 其中該自偏反相器電路包括自偏CMOS反相器電路； 其中該第一放大器電路包括CMOS反相器電路或多個級聯的CMOS反相器電路；以及其中該第二放大器電路包括自偏CMOS反相器電路和至少一個 CMOS反相器電路的級聯組合。
10. 如權利要求1所述的隨機信號產生器電路，其中該熱噪聲產 生器電路包括耦接到該自偏反相器電路的輸入的熱噪聲產生電阻器。
11. 如權利要求IO所述的隨機信號產生器電路，其中該熱噪聲產 生器電路包括耦接在該自偏反相器電路的輸入與信號接地節點之間的 電阻器和電容器的串聯組合。
12. 如權利要求1所述的隨機信號產生器電路，進一步包括取樣 器，其耦接到該放大器電路，并且配置來響應于時鐘信號而從所述飽 和的隨機信號產生隨機數字信號。
13. 如權利要求12所述的隨機信號產生器電路，其中該取樣器包 括觸發器。
14. 一種包括如權利要求1所述的隨機信號產生器電路的隨機數 產生器電路。
15. —種隨機信號產生器電路，包括 熱噪聲產生器電路；第一單端放大器電路，其耦接到該熱噪聲產生器電路，并且配置 來感測并放大其噪聲信號，以產生放大的噪聲信號；以及第二單端放大器電路，其ac耦合到該第一單端放大器電路，并且配置來響應于該放大的噪聲信號而產生飽和的隨機信號。
16. 如權利要求15所述的隨機信號產生器電路，其中該第一單端 放大器電路包括自偏反相器電路，其具有耦接到該熱噪聲產生器電路的輸入，并 且配置來響應于由該熱噪聲產生器電路所產生的熱噪聲而在其輸出產 生感測的噪聲信號；以及至少一個反相器電路，其耦接到該自偏反相器電路的輸出，并且 配置來從所感測的噪聲信號產生放大的噪聲信號。
17. 如權利要求15所述的隨機信號產生器電路，其中該第二單端 放大器電路包括自偏反相器電路和至少一個反相器電路的級聯組合。
18. 如權利要求15所述的隨機信號產生器電路，其中該第二單端 放大器電路包括多個ac耦合的放大器電路。
19. 如權利要求18所述的隨機信號產生器電路，其中該多個ac 耦合的放大器電路的每一個都包括自偏反相器電路和至少一個反相器 電路的級聯組合。
20. 如權利要求15所述的隨機信號產生器電路，其中該熱噪聲產 生器電路包括電阻器，并且其中該第一單端放大器電路配置來響應于 橫跨該電阻器生成的熱噪聲電壓而產生放大的噪聲信號。
21. 如權利要求15所述的隨機信號產生器電路，其中該熱噪聲產 生器電路包括耦接在該第一單端放大器電路的輸入與信號接地節點之 間的電阻器和電容器的串聯組合。
22. 如權利要求15所述的隨機信號產生器電路，進一步包括取樣器，其配置來從飽和的隨機信號產生隨機數字信號。
23. —種包括如權利要求1所述的隨機信號產生器電路的隨機數 產生器電路。
24. —種方法，包括將熱噪聲產生器電路耦接到自偏反相器電路的輸入，以在其輸出 產生感測的噪聲信號；將感測的噪聲信號施加到第一放大器電路，以產生非飽和的放大 的噪聲信號；以及將該非飽和的噪聲信號AC耦合到第二放大器電路，以產生飽和 的隨機信號。
25. 如權利要求24所述的方法，其中該第一放大器電路包括反相 器電路。
26. 如權利要求25所述的方法，其中該第一放大器電路包括多個 級聯的反相器電路。
27. 如權利要求24所述的方法，其中該第二放大器電路包括自偏 反相器電路和至少一個反相器電路的級聯組合。
28. 如權利要求24所述的方法，其中該第二放大器電路包括多個 AC耦合的放大器電路。
29.如權利要求28所述的方法，其中該多個AC耦合的放大器電 路的每一個都包括自偏反相器電路和至少一個反相器電路的級聯組
30. 如權利要求24所述的方法，其中將熱噪聲產生器電路耦接到 自偏反相器電路的輸入以在其輸出產生感測的噪聲信號的步驟包括 響應于橫跨該熱噪聲產生器電路生成的熱噪聲電壓產生感測的噪聲信 號。
31. 如權利要求30所述的方法，其中該熱噪聲產生器電路包括耦 接在該自偏反相器電路的輸入與信號接地節點之間的電阻器和電容器 的串聯組合。
32. 如權利要求24所述的方法，其中該第一放大器電路的增益基 本上大于該自偏反相器電路的增益，并且其中該第二放大器電路的增 益基本大于該第一放大器電路的增益。
33. 如權利要求24所述的方法其中該自偏反相器電路包括自偏CMOS反相器電路 其中該第一放大器電路包括CMOS反相器電路或多個級聯的CMOS反相器電路；以及其中該第二放大器電路包括自偏CMOS反相器電路和至少一個CMOS反相器電路的級聯組合。
34. 如權利要求24所述的方法，進一步包括從所述飽和的隨機信 號產生隨機數字信號。
35. 如權利要求34所述的方法，其中從飽和的隨機信號產生隨機 數字信號的步驟包括響應于時鐘信號對飽和的隨機信號取樣以產生 該隨機數字信號。
36. 如權利要求35所述的方法，其中響應于時鐘信號對飽和的隨機信號取樣以產生該隨機數字信號的步驟包括利用觸發器對飽和的 隨機信號取樣。
37. 如權利要求34所述的方法，進一步包括從該隨機數字信號產生隨機數。
全文摘要
一種隨機信號產生器電路，其包括熱噪聲產生器電路；以及自偏反相器電路，其具有耦接到該熱噪聲產生器電路的輸入，且該輸入耦接到耦接于該自偏反相器電路的輸出的反饋電阻，該自偏反相器電路配置來響應于該熱噪聲產生器電路所產生的熱噪聲在輸出上產生感測的噪聲信號。放大器電路耦接到該自偏反相器電路的輸出，并配置來放大該感測的噪聲信號，以產生飽和的隨機信號。可以利用例如觸發器對飽和隨機信號取樣，以產生隨機二進制信號，其可以用于隨機數產生。
文檔編號G06F7/58GK101126975SQ20071010657
公開日2008年2月20日 申請日期2007年6月6日 優先權日2006年8月14日
發明者申順均 申請人:三星電子株式會社