CN108108153A - 随机数发生器和用可调整的亚稳定电压生成随机数的方法 - Google Patents

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Abstract

公开了随机数发生器和使用可调整的亚稳定电压生成随机数的方法。随机数发生器可以包括：第一亚稳定逆变器，具有彼此连接的输入端子和输出端子并被配置为生成亚稳定电压；放大器，被配置为放大亚稳定电压；控制电路，被配置为调整亚稳定电压的阈值电压；以及采样器，被配置为基于对亚稳定电压进行采样来生成随机数。随机数发生器可以被配置为根据多种操作模式中的不同操作模式来进行操作。放大器可以是第二亚稳定逆变器，被配置为基于随机数发生器分别根据多种操作模式中的第一操作模式或第二操作模式进行操作来放大亚稳定电压或包括彼此连接的输入端子和输出端子。

Description

随机数发生器和用可调整的亚稳定电压生成随机数的方法
相关申请的交叉引用
本专利申请要求于2016年11月24日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2016-0157442号的优先权，其整体内容通过引用结合于此。
技术领域
本文公开的本发明构思的实施例涉及随机数发生器，更具体地，涉及使用可调整的亚稳定电压(adjustable meta-stable voltage)的随机数发生器。
背景技术
随着信息通信技术的发展，信息加密对于维护信息的安全性是非常重要的。通常使用随机数来加密信息，因此需要用于生成随机数的随机数发生器。为了使加密信息的解密变得困难，随机数不应该是有规律的，并且特定值(例如，“0”或“1”)不应该以统一的长度或更长的长度被连续地输出。
通常，在使用环形振荡器电路的随机数发生器的情况下，有相当多的时间来积累抖动(jitter)，因此限制了生成随机数的速度。相比之下，在使用亚稳定性(meta-stability)的随机数发生器的情况下，生成随机数的速度是快的，但是由于亚稳定逆变器(meta-stable inverter)和放大器之间的不匹配或者在亚稳定逆变器之间的不匹配，降低了随机数的质量。
因此，为了快速加密信息并保护该信息，需要开发这样的随机数发生器，其改进生成随机数的速度，并且快速生成随机数。
发明内容
本发明构思的示例实施例提供了通过使用可调整的亚稳定电压来生成随机数的设备和方法。
根据一些示例实施例，随机数发生器可以被配置为根据多种操作模式中的不同操作模式进行操作。随机数发生器可以包括第一亚稳定逆变器、第二亚稳定逆变器、控制电路和采样器。第一亚稳定逆变器可以包括彼此连接的输入端子和输出端子。第一亚稳定逆变器可以被配置为生成亚稳定电压。第二亚稳定逆变器可以被配置为基于随机数发生器分别根据多种操作模式中的第一操作模式或第二操作模式进行操作来放大亚稳定电压或包括彼此连接的输入端子和输出端子。控制电路可以被配置为调整与第一亚稳定逆变器相关联的阈值电压和与第二亚稳定逆变器相关联的共模输入电压中的至少一个电压。亚稳定电压可以基于阈值电压和共模输入电压。采样器可以被配置为基于对亚稳定电压进行采样来生成随机数。
根据一些示例实施例，随机数发生器可以包括亚稳定逆变器、放大器、控制电路和采样器。亚稳定逆变器可以包括彼此连接的输入端子和输出端子。亚稳定逆变器可以被配置为生成亚稳定电压。放大器可以被配置为放大亚稳定电压。控制电路可以被配置为调整亚稳定电压的阈值电压。亚稳定电压的阈值电压可以是亚稳定电压的基础(base)。采样器可以被配置为基于对亚稳定电压进行采样来生成随机数。
根据一些示例实施例，生成随机数的方法可以包括从第一亚稳定逆变器输出亚稳定电压，第一亚稳定逆变器包括彼此连接的输入端子和输出端子。该方法可以包括基于使用第二亚稳定逆变器放大亚稳定电压和基于对放大的亚稳定电压进行采样来生成随机数。亚稳定电压可以基于第一亚稳定逆变器的阈值电压和第二亚稳定逆变器的共模输入电压。阈值电压和共模输入电压中的至少一个电压可以是可调整的。
根据一些示例实施例，随机数发生器可以包括存储指令程序(program ofinstructions)的存储器和处理器。处理器可以被配置为运行指令程序以调整由第一亚稳定逆变器输出的第一亚稳定电压的阈值电压，并基于对亚稳定电压进行采样来生成随机数，亚稳定电压至少基于阈值电压。
附图说明
上述和其它目的和特征将从以下参考附图的描述中变得清晰，其中，除非另有说明，否则相同的附图标号表示贯穿各个附图中的相同部件，并且其中：
图1是示出根据本发明构思的一些示例实施例的随机数发生器的框图；
图2是示出根据本发明构思的一些示例实施例的随机数发生器在第一模式中的操作的框图；
图3是示出根据本发明构思的一些示例实施例的随机数发生器在第二模式中的操作的框图；
图4A和图4B是用于示出根据本发明构思的一些示例实施例的通过使用随机数发生器来校正卡住的随机数(stuck random number)的过程的图形；
图5A和图5B是用于示出根据本发明构思的一些示例实施例的通过使用随机数发生器来校正卡住的随机数的过程的图形；
图6A是示出图1中示出的亚稳定逆变器的示图；
图6B是示出被调整或调谐(tuned)以生成期望电平的(desired level)亚稳定电压的亚稳定逆变器的示例的示图；
图7是示出图1中示出的控制电路的配置的框图；
图8是示出根据本发明构思的一些示例实施例的随机数发生器的操作方法的流程图；
图9是详细示出图8中示出的操作S110的流程图；
图10是示出根据本发明构思的一些示例实施例的随机数发生器的框图；
图11是示出在图10中示出的电压调节器的框图；
图12是示出根据本发明构思的一些示例实施例的随机数发生器的框图；
图13是示出图12的随机数发生器在第一模式中的操作的框图；
图14是示出图12的随机数发生器在第二模式中的操作的框图；
图15A到图15D是用于示出根据本发明构思的一些示例实施例的通过使用随机数发生器来校正卡住的随机数的过程的图形；
图16是示出根据本发明构思的一些示例实施例的随机数发生器的操作方法的流程图；
图17是详细示出根据一些示例实施例的图16的操作S230的流程图；
图18是详细示出根据一些示例实施例的图16的操作S230的流程图；
图19是详细示出根据一些示例实施例的图16的操作S230的流程图；
图20是示出根据本发明构思的一些示例实施例的随机数发生器的框图；
图21示出了由图20中示出的随机数发生器生成的随机数被卡住的情况；以及
图22示出了生成根据在图20中示出的随机数发生器的操作而没有被卡住的随机数的情况。
具体实施方式
下面，可以详细和清楚地描述本发明构思的示例实施例，使得本领域普通技术人员容易地实现本发明构思。
图1是示出根据本发明构思的一些示例实施例的随机数发生器1000的框图。随机数发生器1000可以包括亚稳定逆变器1101、放大器1102、控制电路1200和采样器1300。随机数发生器1000还可以包括复用电路1400和开关SW。
亚稳定逆变器1101(在这里也被称为“第一亚稳定逆变器”)可以被配置为生成亚稳定电压V1。亚稳定逆变器1101可以包括至少一个二极管连接的(diode-connected)PMOS晶体管和至少一个二极管连接的NMOS晶体管。在一些示例实施例中，由亚稳定逆变器1101生成的亚稳定电压V1可以根据(“可以至少部分地基于”)二极管连接的PMOS晶体管的电阻值对二极管连接的NMOS晶体管的电阻值的比率来确定。例如，如果和/或当亚稳定逆变器1101包括多个二极管连接的PMOS晶体管和二极管连接的NMOS晶体管时，亚稳定逆变器1101还可以包括独立地操作所述晶体管的适当的开关元件。
放大器1102可以放大从亚稳定逆变器1101输出(“由亚稳定逆变器1101生成”)的亚稳定电压V1以输出(“生成”)放大的电压V2。例如，放大器1102的配置可以与亚稳定逆变器1101的配置相同。在一些示例实施例中，放大器1102的配置可以不限于此。放大器1102可以被各种各样地配置以放大以相对较小的幅度(例如，小于特定阈值振荡幅度的幅度)振荡的亚稳定电压V1。
控制电路1200可以被配置为调整从亚稳定逆变器1101输出的亚稳定电压V1。例如，控制电路1200可以生成用于控制亚稳定逆变器1101的亚稳定控制信号CTRL_MS。例如，亚稳定控制信号CTRL_MS可以独立地控制亚稳定逆变器1101的二极管连接的PMOS晶体管和二极管连接的NMOS晶体管。因此，能够生成期望电平的亚稳定电压V1。在一些示例实施例中，控制电路1200可以由运行存储在存储器(“非瞬时计算机可读存储介质”)上的指令程序的处理器(“处理电路”)来实现。
采样器1300可以基于放大的电压V2和采样时钟CLK来生成随机数。例如，采样器1300可以对与采样时钟CLK同步输入的放大的电压V2进行采样。触发器(flip-flop)可以用作采样器1300的示例。在一些示例实施例中，采样器1300可以由运行存储在存储器的指令程序的处理器来实现。处理器可以包括在控制电路1200中。但是，本发明构思的实施例可以不限于此。除了触发器，也可以使用用于执行采样操作的各种逻辑元件(电路)。
复用电路1400和开关SW可以被适当地接通或断开，以通过控制亚稳定逆变器1101生成随机数。例如，如果和/或当随机数发生器1000根据第一模式(或放大模式、第一操作模式等)进行操作时，复用电路1400可以被断开以允许(“使能”)控制电路1200无法检测亚稳定电压V1。在第一模式中(“如果和/或当随机数发生器1000根据第一操作模式进行操作时”)，开关SW可以被接通以允许放大器1102放大亚稳定电压V1。相比之下，在第二模式中(“如果和/或当随机数发生器1000根据第二模式(或检测模式、感测模式、第二操作模式等)进行操作时”)，复用电路1400可以被接通以允许控制电路1200检测亚稳定电压V1。在第二模式中，开关SW可以被断开以允许亚稳定电压V1不被转移到放大器1102。
根据本发明构思的一些示例实施例，随机数发生器1000可以根据各种操作模式(“模式”)进行操作，以限制和/或防止来自采样器1300的随机数被卡在(stuck to)一位“0”或“1”。例如，随机数发生器1000可以在第一模式中生成随机数，并且可以在第二模式中调整或调谐亚稳定逆变器1101。随机数发生器1000的一些操作模式被示出在图2和图3中。通过限制和/或防止来自采样器1300的随机数被卡在一位“0”或“1”，随机数发生器1000可以以改进的速度来生成随机数，由此使得能够实现信息可被加密的改进的速度，从而改进对这样的信息的保护。因此，随机数发生器1000解决了信息(“数据”)加密不够快的问题。
图2是示出根据本发明构思的一些示例实施例的随机数发生器1000在第一模式中的操作的框图。为了便于理解，将参考图1给出描述。
在第一模式中，亚稳定逆变器1101可以生成亚稳定电压V1。如图2中所示，在第一模式中，亚稳定逆变器1101的输入端子和输出端子彼此连接。结果，可以由亚稳定逆变器1101相对于特定(“具体”)电平(“大小”)的电压(以下称为“阈值电压”)生成亚稳定电压V1，该亚稳定电压V1包括二极管连接的PMOS晶体管和二极管连接的NMOS晶体管的噪声，而特定电平的电压是基于PMOS晶体管和NMOS晶体管的电阻比率而输出的。之后，放大器1102可以放大亚稳定电压V1，并且采样器1300可以对放大的电压V2进行采样，并且可以生成随机数。
在一些示例实施例中，如果和/或当亚稳定逆变器1101和放大器1102匹配时，即，如果对应于亚稳定电压V1的振动的中心的电压电平(即，阈值电压)与放大器1102的共模输入电压的电平相同，则从采样器1300输出的随机数可以包括随机排列的位“0”和/或“1”。
在一些示例实施例中，在亚稳定逆变器1101的阈值电压和放大器1102的共模输入电压之间的电平(“大小”)差可以不同于任何阈值。在这种情况下，从采样器1300输出的随机数可能被卡在“0”或“1”。也就是说，为了生成高质量的随机数，需要调整或调谐亚稳定逆变器1101，使得随机数不被卡在“0”或“1”。
图3是示出根据本发明构思的一些示例实施例的随机数发生器1000在第二模式中的操作的框图。为了便于理解，将参考图1给出描述。
在第二模式中，控制电路1200可以检测亚稳定逆变器1101的阈值电压的电平(“大小”)。为此，复用电路1400可以执行开关(switching)操作，使得来自亚稳定逆变器1101的亚稳定电压V1被转移到控制电路1200。例如，如果和/或当亚稳定电压V1在任何特定值的上限和下限之间振荡时，亚稳定逆变器1101的阈值电压电平可以是大约亚稳定电压V1的上限和下限之间的中间值。
控制电路1200可以使亚稳定逆变器1101和放大器1102匹配，使得从亚稳定电压V1放大的电压V2不被卡住。例如，控制电路1200可以生成亚稳定控制信号CTRL_MS，亚稳定控制信号CTRL_MS用于调整或调谐亚稳定逆变器1101，使得亚稳定逆变器1101的阈值电压是与放大器1102的共模输入电压相同的电压。例如，亚稳定控制信号CTRL_MS可以包括多个控制信号，所述多个控制信号使得亚稳定逆变器1101的二极管连接的PMOS晶体管和二极管连接的NMOS晶体管被独立地控制。
在一些示例实施例中，控制电路1200可以调整亚稳定逆变器1101的阈值电压，使得放大器1102的共模输入电压在亚稳定电压V1的上限和下限之间。如稍后将详细描述的，可以通过允许亚稳定逆变器1101的一些PMOS晶体管和NMOS晶体管操作来调整亚稳定逆变器1101的阈值电压。
如果和/或当在第二模式中亚稳定逆变器1101的阈值电压被完全地调整或调谐时，在复用电路1400的控制下，亚稳定逆变器1101的输出端子和控制电路1200可以彼此断开，而亚稳定逆变器1101的输出端子和放大器1102可以彼此连接。这可意味着随机数发生器1000再次进入第一模式。
图4A和图4B是示出根据本发明构思的一些示例实施例的通过使用随机数发生器来校正卡住的随机数的过程的图形。例如，图4A示出了从随机数发生器输出的随机数被卡住的情况，而图4B示出了通过使用随机数发生器校正卡住的随机数的情况。为了便于理解，将参考图1到图3给出描述。
首先，参考图4A，从亚稳定逆变器1101输出的亚稳定电压V1相对于阈值电压Vth1垂直地振荡。假设亚稳定电压V1的上限通过阈值电压Vth1和ΔN的总和来定义，而亚稳定电压V1的下限通过阈值电压Vth1和ΔN之间的差来定义。也就是说，“ΔN”可以是亚稳定电压V1的上限与阈值电压Vth1之间的差，或者可以是阈值电压Vth1与亚稳定电压V1的下限之间的差。应当理解，亚稳定电压V1的实际波形可能与图4A的图示不同。
如果亚稳定电压V1的上限小于放大器1102的共模输入电压Vth2，则随机数会被卡在“0”，如图4A中所示。也就是说，为了生成随机数以使得“0”和“1”不规则地重复，亚稳定电压V1的上限可以至少大于放大器1102的共模输入电压Vth2。
基于各种因素，随机数可能被卡在“0”或“1”：放大亚稳定电压V1的逆变器的数量、以及放大亚稳定电压V1的逆变器用反相放大器(inverting amplifier)来实现还是用非反相放大器来实现。在一些示例实施例中，随机数被卡在“0”仅意味着随机数不是被正常地生成，并且随机数的值可能并不重要。
参考图4B，通过响应于亚稳定控制信号CTRL_MS调整或调谐亚稳定逆变器1101，生成具有大于放大器1102的共模输入电压Vth2的上限的亚稳定电压V1。在这种情况下，可以从比共模输入电压Vth2的电平更大的亚稳定电压V1生成随机数“1”(或者在反相的情况下生成随机数“0”)，并且可以从比共模输入电压Vth2的电平更小的亚稳定电压V1生成随机数“0”(或者在反相的情况下生成随机数“1”)。
如参考图4A和4B所描述的，为了限制和/或防止随机数被卡在一个值上，亚稳定电压V1的上限必须至少大于放大器1102的共模输入电压Vth2。也就是说，亚稳定逆变器1101的阈值电压Vth1'与共模输入电压Vth2之间的差ΔVth必须小于ΔN。在一些示例实施例中，附于阈值电压Vth1'的单引号表示阈值电压通过亚稳定控制信号CTRL_MS被调整或调谐。例如，“ΔN”可以是亚稳定电压V1的上限与阈值电压Vth1'之间的差。在一些示例实施例中，“ΔN”可以对应于亚稳定电压V1的幅度的一半。
不同于图4A，即使当放大器1102的共模输入电压Vth2小于亚稳定逆变器1101的阈值电压Vth1'时，随机数也可能被卡在特定值。在这种情况下，随机数可能被卡在与图4A相反的值。这种情况作为示例被示出在图5A和5B中。
图5A和图5B是示出根据本发明构思的一些示例实施例的通过使用随机数发生器来校正卡住的随机数的过程的图形。在一些示例实施例中，除了随机数被卡在与图4A相反的值以外，图5A和5B分别类似于图4A和图4B。
首先，参考图5A，从亚稳定逆变器1101输出的亚稳定电压V1相对于阈值电压Vth1垂直地振荡。如果亚稳定电压V1的下限大于放大器1102的共模输入电压Vth2，则随机数可能被卡在“1”。也就是说，为了生成随机数以使得“0”和“1”不规则地重复，亚稳定电压V1的下限可以至少小于放大器1102的共模输入电压Vth2。
参考图5B，通过响应于亚稳定控制信号CTRL_MS调整或调谐亚稳定逆变器1101，生成具有小于放大器1102的共模输入电压Vth2的下限的亚稳定电压V1。在这种情况下，可以从比共模输入电压Vth2的电平更大的亚稳定电压V1生成随机数“1”(或者在反相的情况下生成随机数“0”)，并且可以从比共模输入电压Vth2的电平更小的亚稳定电压V1生成随机数“0”(或者在反相的情况下生成随机数“1”)。
如参考图5A和图5B所描述的，为了限制和/或防止随机数被卡在一个值上，亚稳定电压V1的下限必须小于放大器1102的共模输入电压Vth2。也就是说，共模输入电压Vth2和亚稳定逆变器1101的阈值电压Vth1'之间的差ΔVth必须小于ΔN。在一些示例实施例中，附于阈值电压Vth1'的单引号表示阈值电压通过亚稳定控制信号CTRL_MS被调整或调谐。
此外，如从图4B和图5B所理解的，为了限制和/或防止由随机数发生器生成的随机数被卡在一个值上，可以调整或调谐亚稳定逆变器1101的阈值电压Vth1，使得放大器1102的共模输入电压Vth2在亚稳定电压V1的上限和下限之间。
图6A是示出图1中示出的亚稳定逆变器1101的示图。为了便于理解，将参考图1给出描述。
亚稳定逆变器1101可以包括多个二极管连接的PMOS晶体管P1至Pm和多个二极管连接的NMOS晶体管N1至Nm。如这里所使用的，“m”可以是整数。如图6A中所示，可以在PMOS晶体管P1至Pm的漏极端子(“漏极电极”)与NMOS晶体管N1至Nm的漏极端子(“漏极电极”)连接的状态下生成亚稳定电压V1。
亚稳定逆变器1101还可以包括开关晶体管PS1至PSm和NS1至NSm，其被配置为控制二极管连接的PMOS晶体管P1至Pm和二极管连接的NMOS晶体管N1至Nm。例如，PMOS开关晶体管PS1至PSm中的每一个可以连接在相应的二极管连接的PMOS晶体管的一端(例如，相应的PMOS晶体管的源极电极)和电源电压VDD之间，并且NMOS开关晶体管NS1至NSm中的每一个可以连接在相应的二极管连接的NMOS晶体管的一端和地电压之间。
亚稳定逆变器1101还可以包括被配置为独立地控制PMOS开关晶体管PS1至PSm的第一解码器DEC1、以及被配置为独立地控制NMOS开关晶体管NS1至NSm的第二解码器DEC2。PMOS开关晶体管PS1至PSm可以彼此不连接。也就是说，PMOS开关晶体管PS1至PSm的栅极电极可以独立地与第一解码器DEC1连接。类似地，NMOS开关晶体管NS1至NSm的栅极电极可以独立地与第二解码器DEC2连接。
第一解码器DEC1和第二解码器DEC2可以分别通过第一亚稳定控制信号CTRL_MS1和第二亚稳定控制信号CTRL_MS2来控制。可以通过经由亚稳定控制信号CTRL_MS1和CTRL_MS2独立地接通或断开开关晶体管PS1至PSm和NS1至NSm来生成期望电平的亚稳定电压V1，详细地说，期望电平的阈值电压。这在图6B中被示出。
图6B是示出被配置为调整或调谐以生成期望电平(“大小”)的亚稳定电压的亚稳定逆变器1101的示例的示图。在一些示例实施例中，假设第一PMOS开关晶体管PS1和第二PMOS开关晶体管PS2通过第一亚稳定控制信号CTRL_MS1被接通，并且第二NMOS开关晶体管NS2和第m NMOS开关晶体管NSm通过第二亚稳定控制信号CTRL_MS2被接通。
在这种情况下，可以如图6B中所示对亚稳定逆变器1101进行建模。电阻器RP1和RP2可以分别对应于PMOS晶体管P1和P2的电阻，并且电阻器RN2和RNm可以分别对应于NMOS晶体管N2和Nm的电阻。根据分压规则，可以通过将电源电压VDD乘以电阻器RP1和RP2以及电阻器RN2和RNm的比率来表达亚稳定电压V1。由于PMOS晶体管P1、P2和NMOS晶体管N2、Nm的寄生分量(parasitic components)，亚稳定电压V1会具有相对于阈值电压Vth1垂直地振荡的噪声。
在一些示例实施例中，由于亚稳定逆变器1101包括“m”个PMOS晶体管P1至Pm和“m”个NMOS晶体管N1至Nm，因此可以生成具有“m×m”位分辨率的亚稳定电压V1。在一些示例实施例中，考虑到应用随机数发生器1000的系统的规格、芯片面积、成本等，可以不同地确定晶体管的数量“m”。
图7是示出图1中示出的控制电路1200的配置的框图。为了便于理解，将参考图1和图6A给出描述。
控制电路1200可以包括放大器1202、模数转换器1204和亚稳定(MS)电压控制电路1206。亚稳定电压控制电路1206可以由运行存储在存储器的指令程序的处理器(“处理电路”)来实现。
放大器1202可以接收和放大亚稳定电压V1。例如，放大器1202可以用电压跟随器来实现。
模数转换器1204可以通过转换放大器1202的输出电压来生成数字值。也就是说，模数转换器1204的输出可以对应于数字化的亚稳定电压V1的值。
亚稳定电压控制电路1206可以确定是否需要调整或调谐亚稳定逆变器1101。例如，亚稳定电压控制电路1206可以预先存储放大器1202的共模输入电压。在这种情况下，亚稳定电压控制电路1206通过比较数字化的亚稳定电压和预先存储的放大器1202的共模输入电压来确定是否需要调整或调谐亚稳定逆变器1101。
如果比较结果表示数字化的亚稳定电压在容许范围内，则不需要调整亚稳定逆变器1101。在一些示例实施例中，容许范围可以指由参考图4A到图5B描述的亚稳定电压V1的上限和下限定义的范围。
如果比较结果表示数字化的亚稳定电压超出容许范围，则亚稳定电压控制电路可以生成用于调整亚稳定逆变器1101的阈值电压Vth1(参照图4A)的亚稳定控制信号CTRL_MS。亚稳定控制信号CTRL_MS可以包括用于独立地控制开关晶体管PS1至PSm以及NS1至NSm的信号。当开关晶体管PS1至PSm以及NS1至NSm通过亚稳定控制信号CTRL_MS被控制时，生成具有期望电平的阈值电压Vth1或亚稳定电压V1的操作，其详细描述因此被省略。
图8是示出根据本发明构思的一些示例实施例的随机数发生器的操作方法的流程图。为了便于理解，将参考图1和图7给出描述。
在操作S110中，可以通过使用亚稳定逆变器1101来生成随机数。例如，除了亚稳定逆变器1101之外，还可以使用放大器1102和采样器1300。
在操作S120中，可以确定亚稳定逆变器1101的输出(即亚稳定电压V1)是否在容许范围内。在一些示例实施例中，容许范围可以指由参考图4A至图5B描述的亚稳定电压V1的上限和下限定义的范围。该确定可以由亚稳定电压控制电路1206执行。
例如，可以实时或周期地执行操作S120。在一些示例实施例中，当随机数被卡在特定值(即，“0”或“1”)时，可以执行操作S120。在这种情况下，随机数发生器1000还可以包括感测卡住的随机数的单独的传感器。
可以根据确定结果进行操作分支。如果亚稳定电压V1在容许范围内，则过程进行到操作S110，继续生成随机数。相比之下，如果亚稳定电压V1超出容许范围，则过程进行到操作S130。
在操作S130中，可以调整亚稳定逆变器1101以在容许范围内生成亚稳定电压。例如，可以通过独立地控制连接至亚稳定逆变器1101的二极管连接的PMOS晶体管和二极管连接的NMOS晶体管的开关晶体管来进行调整。如果亚稳定逆变器1101的调整或调谐完成，则过程进行到操作S110。
尽管图8中未示出，根据本发明构思的一些示例实施例，随机数发生器1000可以继续生成随机数，直到发出单独的命令或指令。例如，可以从外部(例如，包括随机数发生器的电子设备)接收命令或指令。例如，可以在操作S110至操作S130中的任一个操作中接收指令，当接收到停止生成随机数的指令时，随机数的生成可以立即停止。
一个实施例被描述为首先生成随机数，之后调整亚稳定逆变器1101。在一些示例实施例中，本发明构思的实施例可以不限于此。例如，可以首先调整或调谐亚稳定逆变器1101，之后生成随机数。
图9是详细示出图8中示出的操作S110的流程图。为了便于理解，将参考图1给出描述。
在操作S112中，可以通过使用亚稳定逆变器1101来生成亚稳定电压V1。可以基于二极管连接的PMOS晶体管和二极管连接的NMOS晶体管的电阻比率从亚稳定逆变器1101输出相对于阈值电压Vth1垂直地振荡的噪声。
在操作S114中，亚稳定电压V1可以由放大器1102放大。放大器1102的配置可以与亚稳定逆变器1101的配置相同或类似，但是本发明构思的实施例可以不限于此。
在操作S116中，可以对与采样时钟CLK同步输入的放大的电压进行采样。可以生成随机数作为采样结果。
图10是示出根据本发明构思的一些示例实施例的随机数发生器2000的框图。为了便于理解，将参考图6A给出描述。
随机数发生器2000可以包括亚稳定逆变器2101、放大器2102、控制电路2200、采样器2300、复用电路2400和开关SW。随机数发生器2000还可以包括电压调节器2500和分压器2600。随机数发生器2000与图1的随机数发生器1000基本相同(例如，在制造公差和/或材料公差内相同)，除了随机数发生器2000还包括电压调节器2500和分压器2600。因此，这里可以不重复其详细描述。
电压调节器2500可以被配置为向随机数发生器2000提供稳定电压。如参考图4A至图5B所描述的，亚稳定逆变器2101的阈值电压必须在容许范围内。为此，可能需要向亚稳定逆变器2101提供稳定电压(例如，图6A的VDD)。原因在于，如果电源电压VDD不稳定，则从亚稳定逆变器2101输出的亚稳定电压V1，具体地说，阈值电压超出容许范围。
例如，由电压调节器2500生成的电源电压VDD可以被提供给亚稳定逆变器2101的PMOS开关晶体管PS1至PSm的源极端子。可以提供电源电压VDD来驱动放大器2102。
分压器2600可以被提供以使得容易地对以高速振荡的噪声(即，亚稳定电压)进行采样。例如，可以使用触发器作为分压器2600的示例。在这种情况下，通过连接触发器的输入“D”和输出“Q”，触发器可以作为分压器来操作。在一些示例实施例中，分压器2600的配置可以不限于此，并且各种逻辑元件可以用作分压器2600。
图11是示出图10中所示的电压调节器2500的框图。例如，电压调节器2500可以是诸如低压差(low dropout，LDO)调节器的线性调节器。在一些示例实施例中，本发明构思的实施例可以不限于此。例如，可以使用各种配置的调节器来稳定地驱动亚稳定逆变器2101和/或放大器2102。
电压调节器2500可以包括误差放大器EA、第一电阻器R1和第二电阻器R2、传输晶体管(pass transistor)PT、开关晶体管ST、稳定电容器C和保护电路2510。
参考电压Vref可以被施加到误差放大器EA的第一输入端子。误差放大器EA的输出端子可以连接到传输晶体管PT的栅极电极。来自外部的电压VS可以被施加到传输晶体管PT的源极端子，并且电源电压VDD可以通过传输晶体管PT的漏极端子输出。第一电阻器R1可以连接在误差放大器EA的第二输入端子和传输晶体管PT的漏极端子之间，并且第二电阻器R2可以连接在误差放大器EA的第二输入端子与地之间。
开关晶体管ST可以被配置为通过ON/OFF(通/断)信号被接通或断开，并在期望的定时向亚稳定逆变器2101和/或放大器2102提供电源电压VDD。例如，当随机数发生器2000生成随机数时，或者当随机数发生器2000的亚稳定逆变器2101被调整或调谐时，开关晶体管ST可以接通。
稳定电容器C可以连接在传输晶体管PT的漏极端子和地之间。稳定电容器C可以限制和/或防止电源电压VDD快速地变化，并且因此，可以稳定地提供电源电压VDD。根据一些示例实施例，可以不提供稳定电容器C。
保护电路2510可以限制和/或防止生成超出特定范围的电源电压VDD。例如，保护电路2510可以包括限制和/或防止生成超过特定电平的电压的过电压保护设备、以及限制和/或防止生成小于特定电平的电压的欠电压保护设备。
将理解，图11中示出的电压调节器2500的配置只是示例，并且不限于此。例如，电压调节器2500可以被各种各样地改变，以包括用NMOS晶体管实现的路径晶体管或者包括NMOS晶体管和PMOS晶体管的组合。
图12是示出根据本发明构思的一些示例实施例的随机数发生器3000的框图。随机数发生器3000可以包括第一亚稳定逆变器3101、第二亚稳定逆变器3102、控制电路3200和采样器3300。随机数发生器3000还可以包括复用电路3400、第一开关SW1和第二开关SW2。
第一亚稳定逆变器3101可以被配置为生成亚稳定电压V1。例如，第一亚稳定逆变器3101可以包括至少一个二极管连接的PMOS晶体管和至少一个二极管连接的NMOS晶体管。第一亚稳定逆变器3101的配置和操作与参考图6A描述的基本相同。因此，这里可以不重复其描述。
第二亚稳定逆变器3102可以接收亚稳定电压V1，并且可以生成放大的电压V2。第二亚稳定逆变器3102的配置可以与第一亚稳定逆变器3101的配置基本相同。因此，这里可以不重复其描述。
控制电路3200可以被配置为调整从第一亚稳定逆变器3101输出的亚稳定电压V1，详细地说，第一亚稳定逆变器3101的阈值电压。此外，控制电路3200可以被配置为调整第二亚稳定逆变器3102的共模输入电压。
例如，控制电路3200可以调整第一亚稳定逆变器3101和第二亚稳定逆变器3102，使得第一亚稳定逆变器3101的阈值电压和第二亚稳定逆变器3102的共模输入电压与预设值相同。例如，控制电路3200可以调整第一亚稳定逆变器3101，使得第一亚稳定逆变器3101的阈值电压与预设值相同，并且可以在随机数不被卡住的容许范围内调整第二亚稳定逆变器3102。在这种情况下，控制电路3200可以生成用于调整或调谐第一亚稳定逆变器3101和第二亚稳定逆变器3102的亚稳定控制信号CTRL_MS。
在一些示例实施例中，控制电路3200可以调整第一亚稳定逆变器3101，使得第一亚稳定逆变器3101的阈值电压和第二亚稳定逆变器3102的共模输入电压相同(或在容许范围内)。该过程可以类似于参考图4A至图5B描述的过程。在这种情况下，控制电路3200可以生成用于调整或调谐第一亚稳定逆变器3101的亚稳定控制信号CTRL_MS。
在一些示例实施例中，控制电路3200可以调整第二亚稳定逆变器3102，使得第一亚稳定逆变器3101的阈值电压和第二亚稳定逆变器3102的共模输入电压相同(或在容许范围内)。在这种情况下，控制电路3200可以生成用于调整或调谐第二亚稳定逆变器3102的亚稳定控制信号CTRL_MS。
不同于参考图1至图11描述的实施例，在一些示例实施例中，调整或调谐两个亚稳定逆变器3101和3102。因此，可以灵活地应对随机数被卡住的问题。
采样器3300可以对与采样时钟CLK同步输入的放大的电压V2进行采样。触发器可以用作采样器3300的示例。在一些示例实施例中，本发明构思的实施例可以不限于此。除了触发器，还可以使用用于执行采样操作的各种逻辑元件。
可以根据随机数发生器3000的操作模式适当地接通或断开复用电路3400以及开关SW1和SW2。
例如，在第一模式中，复用电路3400可以被断开以允许控制电路3200无法检测亚稳定电压V1。在第一模式中，第一开关SW1可以被接通以允许第二亚稳定逆变器3102放大亚稳定电压V1。第二开关SW2可以被接通以允许放大的电压V2被输入到采样器3300。
相比之下，在第二模式中，复用电路3400可以被接通以允许控制电路3200检测亚稳定电压V1和放大的电压V2。在第二模式中，可以控制第一开关SW1以允许亚稳定电压V1不被转移到第二亚稳定逆变器3102，以及放大的电压V2被输入到第二亚稳定逆变器3102。在第二模式中，可以控制第二开关SW2以允许放大的电压V2不被转移到采样器3300，以及放大的电压V2被输入到第二亚稳定逆变器3102。
根据本发明构思的一些示例实施例，随机数发生器3000可以在第一模式和第二模式中操作，以限制和/或防止来自采样器3300的随机数被卡在一位“0”或“1”，并且可以在第二模式中调整或调谐第一亚稳定逆变器3101和第二亚稳定逆变器3102。
在一些示例实施例中，随机数发生器3000还可以包括参考图10描述的电压调节器2500和分压器2600。随机数发生器3000还可以在第二亚稳定逆变器3102和采样器3300之间包括放大器1102(参考图1)。这里可以不重复其详细描述。
图13是示出图12的随机数发生器3000在第一模式中的操作的框图。为了便于理解，将参考图12给出描述。
在第一模式中，第一亚稳定逆变器3101可以生成亚稳定电压V1，第二亚稳定逆变器3102可以放大亚稳定电压V1。即使第二亚稳定逆变器3102的配置与图1所示的放大器1102的配置不同，在亚稳定电压V1被放大这一点上，图13所示的实施例也类似于图2所示的实施例。因此，这里可以不重复其详细描述。
图14是示出图12的随机数发生器3000在第二模式中的操作的框图。为了便于理解，将参考图12给出描述。
在第二模式中，控制电路3200可以检测亚稳定电压V1，即第一亚稳定逆变器3101的阈值电压的电平。此外，控制电路3200可以检测放大的电压V2，即第二亚稳定逆变器3102的共模输入电压的电平。
为了检测电压，控制电路3200可以包括图7中所示的放大器、模数转换器和亚稳定电压控制电路。在一些示例实施例中，为了分别检测两个电压，控制电路3200可以包括至少两个放大器、至少两个模数转换器和亚稳定电压控制电路。除了检测两个电压以外，控制电路3200的功能类似于图7所示的控制电路1200的功能。
控制电路3200可以使第一亚稳定逆变器3101和第二亚稳定逆变器3102匹配，使得从亚稳定电压V1放大的电压V2不被卡住。例如，控制电路3200可以调整第一亚稳定逆变器3101和第二亚稳定逆变器3102中的至少一个，使得第一亚稳定逆变器3101的阈值电压和第二亚稳定逆变器3102的共模输入电压是相同的。
在一些示例实施例中，控制电路3200可以控制第一亚稳定逆变器3101和第二亚稳定逆变器3102中的至少一个，使得第二亚稳定逆变器3102的共模输入电压在亚稳定电压V1的上限和下限之间。
如果第一亚稳定逆变器3101和第二亚稳定逆变器3102中的至少一个在第二模式中被完全调整或调谐，则在复用电路3400的控制下，第一亚稳定逆变器3101的输出端子和控制电路3200彼此断开，第一亚稳定逆变器3101的输出端子和第二亚稳定逆变器3102彼此连接。这可意味着随机数发生器3000再次进入第一模式。
图15A至图15D是用于示出根据本发明构思的一些示例实施例的通过使用随机数发生器来校正卡住的随机数的过程的图形。例如，图15A示出了从随机数发生器输出的随机数被卡住的情况，图15B至图15D示出了通过使用随机数发生器来校正卡住的随机数的情况。为了便于理解，将参考图12至图14给出描述。
首先，参考图15A，从第一亚稳定逆变器3101输出的亚稳定电压V1相对于阈值电压Vth1垂直地振荡。附图中所示的目标电压Vtar表示调整或调谐的亚稳定电压V1。假设亚稳定电压V1的上限由阈值电压Vth1和ΔN的总和定义，并且亚稳定电压V1的下限由阈值电压Vth1和ΔN之间的差定义。在图15A中，由于亚稳定电压V1的上限小于第二亚稳定逆变器3102的共模输入电压，所以随机数可能被卡住。这类似于参考图4A描述的情形，因此可以省略其详细描述。
图15B示出了第一亚稳定逆变器3101和第二亚稳定逆变器3102全部被调整的情况。
由于第一亚稳定逆变器3101在亚稳定控制信号CTRL_MS的控制下被调整或调谐，所以第一亚稳定逆变器3101可以生成相对于调整的阈值电压Vth1或目标电压Vtar垂直地振荡的亚稳定电压V1。可以使第一亚稳定逆变器3101的阈值电压Vth1的调整类似于参考图6A所描述的调整。在一些示例实施例中，如果仅调整第一亚稳定逆变器3101，则从随机数发生器3000输出的随机数仍可能被卡住。因此，需要调整第二亚稳定逆变器3102。
由于第二亚稳定逆变器3102在亚稳定控制信号CTRL_MS的控制下被调整或调谐，所以第二亚稳定逆变器3102的共模输入电压Vth2'可以在亚稳定电压V1的上限和下限之间。可以基于大于共模输入电压Vth2'的亚稳定电压V1来生成随机数“1”，并且可以基于小于共模输入电压Vth2'的亚稳定电压V1来生成随机数“0”(或者反之亦然)。
图15C示出了第一亚稳定逆变器3101被调整的情况。在一些示例实施例中，可以调整或调谐第一亚稳定逆变器3101，使得第一亚稳定逆变器3101的阈值电压Vth1'在容许范围内。在一些示例实施例中，由于容许范围是随机数不被卡住的范围，所以亚稳定电压V1的上限可以大于共模输入电压Vth2，并且亚稳定电压V1的下限可以小于共模输入电压Vth2。
即使亚稳定逆变器3101和3102在配置上是相同的，本实施例与参考图4B所描述的实施例的相似之处在于仅第一亚稳定逆变器3101被调整或调谐。因此，这里可以不重复其详细描述。
图15D示出了第二亚稳定逆变器3102被调整的情况。在一些示例实施例中，可以调整或调谐第二亚稳定逆变器3102，使得第二亚稳定逆变器3102的共模输入电压Vth2'在容许范围内。在一些示例实施例中，由于容许范围是随机数不被卡住的范围，所以第二亚稳定逆变器3102的共模输入电压Vth2'可以在亚稳定电压Vth1的上限和下限之间。
图16是示出根据本发明构思的一些示例实施例的随机数发生器的操作方法的流程图。为了便于理解，将参考图12至图15D给出描述。
在操作S210中，可以生成随机数。操作S210可以对应于随机数发生器3000在第一模式中的操作。
在操作S212中，可以通过使用第一亚稳定逆变器(INV1)3101来生成亚稳定电压。可以基于二极管连接的PMOS晶体管和二极管连接的NMOS晶体管的电阻比率从第一亚稳定逆变器3101输出相对于阈值电压Vth1垂直地振荡的噪声。
在操作S214中，亚稳定电压V1可以由第二亚稳定逆变器(INV2)3102放大。第一开关SW1可以被适当地开关以放大亚稳定电压V1。第二亚稳定逆变器3102的配置可以与亚稳定逆变器1101的配置基本相同。
在操作S216中，可以对与采样时钟CLK同步输入的放大的电压V2进行采样。第二开关SW2可以被适当地开关以对放大的电压V2进行采样。作为采样结果，可以生成随机数。
在操作S220中，可以确定随机数是否被卡住。例如，可以实时地或周期性地执行操作S220。随机数不被卡住(否)意味着随机数被正常地生成。因此，可以继续执行操作S210，直到接收到停止生成随机数的单独的指令。相比之下，如果确定随机数被卡住(是)，则过程进行到操作S230。
在操作S230中，可以调整或调谐第一亚稳定逆变器(INV1)3101和第二亚稳定逆变器(INV2)3102中的至少一个。
图17是详细示出根据一些示例实施例的图16的操作S230的流程图。为了便于理解，将参考图12和图15B给出描述。
在操作S232a中，可以确定第一亚稳定逆变器3101的阈值电压Vth1是否在容许范围内。可以首先检测阈值电压Vth1和共模输入电压Vth2以进行比较。即使在图17中使用了术语“目标范围”，目标范围也可以是固定值，而不是范围值。例如，控制电路3200可以在第二模式中将从第一亚稳定逆变器3101输出的亚稳定电压Vth1与预设值进行比较。
可以根据确定结果进行操作分支。相比之下，如果亚稳定电压Vth1在电压的目标范围内，则过程进行到操作S236a。即使亚稳定电压Vth1在目标范围内，随机数也可能被卡住，这意味着第二亚稳定逆变器3102的共模输入电压Vth2超出容许范围。相比之下，如果亚稳定电压Vth1超出目标范围，则过程进行到操作S234a。
在操作S234a中，可以调整或调谐第一亚稳定逆变器(INV1)3101，使得第一亚稳定逆变器(INV1)3101的阈值电压Vth1在目标范围内。这可以通过独立地控制分别连接至第一亚稳定逆变器3101的二极管连接的PMOS晶体管和二极管连接的NMOS晶体管的开关晶体管来实现(参考图6A)。该操作可以对应于使得阈值电压Vth1和目标电压Vtar彼此重合，如图15B所示。
在操作S236a中，第二亚稳定逆变器(INV2)3102的共模输入电压Vth2可以在容许范围内进行调整。如图15B所示，共模输入电压Vth2可以在调整的亚稳定电压Vth1'的上限和下限之间。
图18是详细示出根据一些示例实施例的图16的操作S230的流程图。为了便于理解，将参考图12和图15C给出描述。
在操作S232b中，可以检测第一亚稳定逆变器(INV1)3101的阈值电压Vth1的电平和第二亚稳定逆变器(INV2)3102的共模输入电压Vth2的电平。
在操作S234b中，可以调整第一亚稳定逆变器(INV1)3101，使得阈值电压Vth1在容许范围内。在一些示例实施例中，由于容许范围是随机数不被卡住的范围，所以相对于阈值电压Vth1振荡的亚稳定电压V1的上限可以大于共模输入电压Vth2，并且亚稳定电压V1的下限可以小于共模输入电压Vth2。
此外，在一些示例实施例中，由于基于共模输入电压Vth2来调整第一亚稳定逆变器(INV1)3101，所以不需要与图15A所示的目标电压Vtar相关联的信息。
图19是详细示出根据一些示例实施例的图16的操作S230的流程图。为了便于理解，将参考图12和图15D给出描述。
在操作S232c中，可以检测第一亚稳定逆变器(INV1)3101的阈值电压Vth1的电平和第二亚稳定逆变器(INV2)3102的共模输入电压Vth2的电平。
在操作S234c中，可以调整第二亚稳定逆变器(INV2)3102，使得共模输入电压Vth2在容许范围内。在一些示例实施例中，由于容许范围是随机数不被卡住的范围，所以第二亚稳定逆变器3102的共模输入电压Vth2'可以在亚稳定电压Vth1的上限和下限之间。
图20是示出根据本发明构思的一些示例实施例的随机数发生器4000的框图。随机数发生器4000可以包括第一亚稳定逆变器4101至第n亚稳定逆变器410n、控制电路4200和采样器4300。随机数发生器4000还可以包括复用电路4400和第一开关SW1至第n开关SWn。尽管图20中未示出，随机数发生器4000还可以包括参考图10描述的电压调节器2500和分压器2600。
第一亚稳定逆变器4101至第n亚稳定逆变器410n可以具有相同的配置。例如，每个亚稳定逆变器可以包括二极管连接的PMOS晶体管(“输出端子连接的PMOS晶体管”)、二极管连接的NMOS晶体管(“输出端子连接的NMOS晶体管”)、分别与PMOS晶体管和NMOS晶体管连接的开关晶体管、以及被配置为控制开关晶体管的解码器(参考图6A)。
在第一模式中，第一亚稳定逆变器4101可以操作为用于生成亚稳定电压V1的源，并且第二亚稳定逆变器4102至第n亚稳定逆变器410n中的每一个可以操作为用于放大前级的输出的放大器。为此，开关SW1至SWn可以被适当地开关，使得前级和后级的亚稳定逆变器彼此连接。
在第二模式中，可以检测第一亚稳定逆变器4101的阈值电压(即，亚稳定电压V1以其为中心振荡的电压)。第二亚稳定逆变器4102至第n亚稳定逆变器410n中的每一个的共模输入电压也可以由控制电路4200检测。为此，当然，复用电路4400和开关SW1至SWn可以被适当地开关。
例如，控制电路4200可以在将阈值电压Vth1设定为预设值的同时，在容许范围内调整共模输入电压Vth2至Vthn。在一些示例实施例中，共模输入电压Vth2至Vthn可分别对应于亚稳定逆变器4102至410n。
在一些示例实施例中，控制电路4200可以基于第一亚稳定逆变器4101的阈值电压Vth1来调整或调谐第二亚稳定逆变器4102至第n亚稳定逆变器410n。
在一些示例实施例中，控制电路4200可以基于第二亚稳定逆变器4102的共模输入电压Vth2来调整或调谐第一亚稳定逆变器4101和第三亚稳定逆变器4103至第n亚稳定逆变器410n。也就是说，可以使用第二亚稳定逆变器4102至第n亚稳定逆变器410n中的任何一个的共模输入电压作为用于调谐或调整的参考。
图21示出了由图20中示出的随机数发生器4000生成的随机数被卡住的情况。也就是说，图21示出了当不进行随机数发生器4000的调整或调谐时的亚稳定逆变器的特性曲线。为了便于理解，将参考图20给出描述。在一些示例实施例中，假设亚稳定逆变器的数量为“3”(即，n＝3)。
由“INV1”表示的图形是指第一亚稳定逆变器4101的输入/输出图形。由“INV2”表示的图形是指第二亚稳定逆变器4102的输入/输出图形。由“INV3”表示的图形是指第三亚稳定逆变器4103的输入/输出图形。
如果输入分布在相对于由“a”表示的虚线的上侧的电压，则可以输出“1”；如果输入分布在相对于由“a”表示的虚线的下侧的电压，则可以输出“0”。也就是说，由“INV1”表示的图形和由“a”表示的图形的交叉点(intersection)可以被理解为第一亚稳定逆变器INV1的阈值电压Vth1。如在上面的描述中，由“INV2”表示的图形和由“a”表示的图形的交叉点可以被理解为第二亚稳定逆变器INV2的共模输入电压Vth2。由“INV3”表示的图形和由“a”表示的图形的交叉点可以被理解为第三亚稳定逆变器INV3的共模输入电压Vth3。
简而言之，假设从第一亚稳定逆变器INV1输出的电压为“Vth1”。实际上，当然，从第一亚稳定逆变器INV1输出的电压可以是相对于阈值电压Vth1振荡的噪声。“Vth1”可以输入到第二亚稳定逆变器INV2，因此第二亚稳定逆变器INV2可以输出“V2”。接下来，“V2”可以输入到第三亚稳定逆变器INV3，因此第三亚稳定逆变器INV3可以输出“V2”。也就是说，由于第一亚稳定逆变器INV1至第三亚稳定逆变器INV3彼此不匹配，所以随机数可能被卡住。
图22示出了生成根据在图20中示出的随机数发生器的操作而没有被卡住的随机数的情况。
图22示出了第一亚稳定逆变器INV1的阈值电压Vth1、第二亚稳定逆变器INV2的共模输入电压Vth2和第三亚稳定逆变器INV3的共模输入电压Vth3彼此重合的情况。在随机数不被卡住的容许范围的情况下，当然，阈值电压Vth1、共模输入电压Vth2和共模输入电压Vth3可能彼此不重合。
如图22所示，从“b”表示的图形会理解，从第三亚稳定逆变器INV3输出的放大的电压相对于电压Vth3振荡。对应于放大的电压的图形“b”可以最终由采样器进行采样，因此可以生成随机数。
根据本发明构思的一些示例实施例，可以通过使用可调整的亚稳定电压来生成随机数。
此外，根据本发明构思的一些示例实施例，能够改进随机数生成速度并且生成不被卡在特定值的高质量随机数。
虽然已经参考示例性实施例描述了本发明构思，但是本领域技术人员将清楚，在不脱离本发明构思的精神和范围的情况下，可以进行各种改变和修改。因此，应当理解，上述实施例不是限制性的，而是说明性的。

Claims (25)

1.一种随机数发生器，被配置为根据多种操作模式中的不同操作模式进行操作，所述随机数发生器包括：
第一亚稳定逆变器，包括第一输入端子和第一输出端子，所述第一输入端子和所述第一输出端子彼此连接，第一亚稳定逆变器被配置为生成亚稳定电压；
第二亚稳定逆变器，被配置为分别根据多种操作模式中的第一操作模式或第二操作模式来放大所述亚稳定电压或包括彼此连接的第二输入端子和第二输出端子；
控制电路，被配置为调整与第一亚稳定逆变器相关联的阈值电压和与第二亚稳定逆变器相关联的共模输入电压中的至少一个电压，所述亚稳定电压基于所述阈值电压和所述共模输入电压；以及
采样器，被配置为基于对所述亚稳定电压进行采样来生成随机数。
2.如权利要求1所述的随机数发生器，其中，在第一操作模式中，所述采样器被配置为基于对放大的亚稳定电压进行采样来生成所述随机数。
3.如权利要求1所述的随机数发生器，其中，在第二操作模式中，所述控制电路被配置为：
控制第一亚稳定逆变器，使得所述阈值电压为目标电压，并且
控制第二亚稳定逆变器，使得所述共模输入电压在所述亚稳定电压的上限和下限之间。
4.如权利要求1所述的随机数发生器，其中，在第二操作模式中，所述控制电路被配置为控制第一亚稳定逆变器，使得所述亚稳定电压的上限大于所述共模输入电压并且所述亚稳定电压的下限小于所述共模输入电压。
5.如权利要求1所述的随机数发生器，其中，在第二操作模式中，所述控制电路被配置为控制第二亚稳定逆变器，使得所述共模输入电压在所述亚稳定电压的上限和下限之间。
6.如权利要求1所述的随机数发生器，其中，所述控制电路包括：
电压跟随器，被配置为接收所述亚稳定电压和其第二输入端子和第二输出端子彼此连接的第二亚稳定逆变器的输出电压中的至少一个电压；
模数转换器，被配置为基于所述电压跟随器的输出生成至少一个数字值；以及
亚稳定电压控制电路，被配置为基于所述至少一个数字值来确定是控制第一亚稳定逆变器还是第二亚稳定逆变器。
7.如权利要求1所述的随机数发生器，其中，第一亚稳定逆变器包括：
至少一个PMOS晶体管，包括均连接到所述第一输出端子的栅极电极和漏极电极；
至少一个NMOS晶体管，包括均连接到所述第一输出端子的栅极电极和漏极电极；
至少一个PMOS开关晶体管，连接在电源电压和所述至少一个PMOS晶体管的源极电极之间；
至少一个NMOS开关晶体管，连接在所述至少一个NMOS晶体管的源极电极和地电压之间；以及
解码器，被配置为独立地控制所述至少一个PMOS开关晶体管和所述至少一个NMOS开关晶体管。
8.如权利要求7所述的随机数发生器，其中，第二亚稳定逆变器和第一亚稳定逆变器具有下述公共配置：至少一个输出端子连接的PMOS晶体管、至少一个输出端子连接的NMOS晶体管、与PMOS晶体管连接的至少一个PMOS开关晶体管、与NMOS晶体管连接的至少一个NMOS开关晶体管、以及被配置为独立地控制所述至少一个PMOS开关晶体管和所述至少一个NMOS开关晶体管的解码器。
9.如权利要求1所述的随机数发生器，还包括：
复用电路，被配置为：
在第一操作模式中，将第一亚稳定逆变器的第一输出端子连接到第二亚稳定逆变器，或者
在第二操作模式中，将第一亚稳定逆变器的第一输出端子连接到控制电路。
10.如权利要求1所述的随机数发生器，还包括：
电压调节器，被配置为生成电源电压以驱动第一亚稳定逆变器和第二亚稳定逆变器；以及
分压器，被配置为：
划分由第二亚稳定逆变器放大的亚稳定电压以生成分压，以及
将分压转移到所述采样器。
11.一种随机数发生器，包括：
亚稳定逆变器，包括彼此连接的输入端子和输出端子，所述亚稳定逆变器被配置为生成亚稳定电压；
放大器，被配置为放大所述亚稳定电压；
控制电路，被配置为调整所述亚稳定电压的阈值电压，所述亚稳定电压的阈值电压是所述亚稳定电压的基础；以及
采样器，被配置为基于对亚稳定电压进行采样来生成随机数。
12.如权利要求11所述的随机数发生器，其中，
随机数发生器被配置为根据多种操作模式中的不同操作模式来进行操作，以及
所述放大器被配置为在所述多种操作模式中的放大模式中放大所述亚稳定电压，以及
所述采样器被配置为基于对放大的亚稳定电压进行采样来生成所述随机数。
13.如权利要求11所述的随机数发生器，其中，
随机数发生器被配置为根据多种操作模式中的不同操作模式来进行操作，
控制电路被配置为在多种操作模式中的感测模式中控制所述亚稳定逆变器，使得所述亚稳定电压的上限大于所述放大器的共模输入电压并且所述亚稳定电压的下限小于所述共模输入电压。
14.如权利要求11所述的随机数发生器，其中，所述亚稳定逆变器包括：
至少一个PMOS晶体管，包括均连接到所述输出端子的栅极电极和漏极电极；
至少一个NMOS晶体管，包括均连接到所述输出端子的栅极电极和漏极电极；
至少一个PMOS开关晶体管，连接在电源电压和所述至少一个PMOS晶体管的源极电极之间；
至少一个NMOS开关晶体管，连接在所述至少一个NMOS晶体管的源极电极和地电压之间；以及
解码器，被配置为独立地控制所述至少一个PMOS开关晶体管和所述至少一个NMOS开关晶体管。
15.如权利要求11所述的随机数发生器，还包括：
电压调节器，被配置为生成电源电压以驱动所述亚稳定逆变器；以及
分压器，被配置为：
划分由所述放大器放大的亚稳定电压以生成分压，以及
将分压转移到所述采样器。
16.一种生成随机数的方法，包括：
从第一亚稳定逆变器输出亚稳定电压，第一亚稳定逆变器包括彼此连接的输入端子和输出端子；
基于使用第二亚稳定逆变器放大所述亚稳定电压；以及
基于对放大的亚稳定电压进行采样来生成随机数，
其中，所述亚稳定电压基于第一亚稳定逆变器的阈值电压，
其中，所述阈值电压和第二亚稳定逆变器的共模输入电压中的至少一个电压是可调整的。
17.如权利要求16所述的方法，还包括：
基于所生成的随机数被卡住的确定，调整所述阈值电压和共模输入电压中的所述至少一个电压。
18.如权利要求17所述的方法，其中，所述调整包括：
基于所述阈值电压在电压的目标范围之外的确定，控制第一亚稳定逆变器，使得所述阈值电压被调整以生成处于电压的目标范围内的调整的阈值电压；以及
控制第二亚稳定逆变器，使得共模输入电压在基于调整的阈值电压的亚稳定电压的上限和下限之间。
19.如权利要求17所述的方法，其中，所述调整包括：
控制第一亚稳定逆变器，使得所述亚稳定电压的上限大于所述共模输入电压并且所述亚稳定电压的下限小于所述共模输入电压。
20.如权利要求17所述的方法，其中，所述调整包括：
控制第二亚稳定逆变器，使得所述共模输入电压在所述亚稳定电压的上限和下限之间。
21.一种随机数发生器，包括：
存储器，存储指令程序；以及
处理器，被配置为运行指令程序以执行以下操作：
调整由第一亚稳定逆变器输出的第一亚稳定电压的阈值电压，第一亚稳定电压至少基于所述阈值电压，并且
基于对第一亚稳定电压进行采样来生成随机数。
22.如权利要求21所述的随机数发生器，其中，
所述处理器被配置为运行指令程序以控制第一亚稳定逆变器，使得第一亚稳定电压的上限大于被配置为放大第一亚稳定电压的放大器的共模输入电压并且第一亚稳定电压的下限小于所述共模输入电压。
23.如权利要求21所述的随机数发生器，其中，
所述处理器被配置为运行指令程序以调整所述阈值电压和与第二亚稳定逆变器相关联的共模输入电压中的至少一个，以及
第二亚稳定逆变器被配置为在第一操作模式中放大第一亚稳定电压，以基于所述阈值电压和共模输入电压生成第二亚稳定电压，以及
第二亚稳定逆变器包括被配置为在第二操作模式中彼此连接的输入端子和输出端子。
24.如权利要求23所述的随机数发生器，其中，
所述处理器被配置为运行指令程序，以基于所述随机数发生器根据第二操作模式进行操作来执行以下操作：
控制第一亚稳定逆变器，使得所述阈值电压为目标电压，并且
控制第二亚稳定逆变器，使得所述共模输入电压在第一亚稳定电压的上限和下限之间。
25.如权利要求23所述的随机数发生器，其中，
所述处理器被配置为运行指令程序，以基于所述随机数发生器根据第二操作模式进行操作来执行以下操作：控制第一亚稳定逆变器，使得第一亚稳定电压的上限大于所述共模输入电压并且第一亚稳定电压的下限小于所述共模输入电压。
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