本發(fā)明涉及真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器領(lǐng)域，尤其涉及共享式開(kāi)關(guān)電容(switch-capacitor，SC)真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器(true random number generator，TRNG)及其操作方法。

背景技術(shù)：

真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器是信息安全系統(tǒng)中的重要組成部分，在數(shù)據(jù)加密、數(shù)字簽名、身份鑒定等應(yīng)用中被廣泛采用。真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器的隨機(jī)性、可靠性、速度等都是重要的考慮因素。

已知真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器(TRNG)有多種產(chǎn)生原理，例如：熱噪聲放大方式、帶噪聲的低頻時(shí)鐘采樣高頻標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘方式、基于離散一維非線(xiàn)性方程的混沌原理等。這些產(chǎn)生原理各有各的優(yōu)點(diǎn)，通常會(huì)依據(jù)不同的應(yīng)用需求來(lái)選定。其中，使用開(kāi)關(guān)電容實(shí)現(xiàn)的基于混沌原理的真隨機(jī)產(chǎn)生器較其他原理，電路實(shí)現(xiàn)更容易、準(zhǔn)確，產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)隨機(jī)性最好。

在基于混沌原理的真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器中，通常使用離散一維非線(xiàn)性方程，如下式(1-1)所示。該方程產(chǎn)生的離散時(shí)間迭代結(jié)果表現(xiàn)出了混沌的特性，其長(zhǎng)期狀態(tài)具有不可預(yù)測(cè)，對(duì)初值敏感等特性，能夠作為真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生的原理，也是產(chǎn)生真隨機(jī)數(shù)的理想原理之一。對(duì)應(yīng)的函數(shù)如圖1所示。

能夠?qū)崿F(xiàn)式(1-1)所示的方程的開(kāi)關(guān)電容電路需要由運(yùn)算放大器和電容構(gòu)成的負(fù)反饋電路完成乘2及加減法運(yùn)算，其中首先通過(guò)電容完成對(duì)輸入信號(hào)的采樣，然后由電容和運(yùn)算放大器完成加減法及乘2運(yùn)算操作，即隨機(jī)數(shù)生成操作包括采樣操作和運(yùn)算操作。在采樣階段運(yùn)算放大器處于空閑的未使用狀態(tài)。

圖2示出了基于流水線(xiàn)ADC的真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器，該真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器通過(guò)級(jí)聯(lián)8個(gè)流水線(xiàn)ADC轉(zhuǎn)換級(jí)構(gòu)成環(huán)路。但圖2的真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器的缺點(diǎn)在于電路規(guī)模較大、復(fù)雜度較高，致使真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器的芯片占有面積較大、功耗較大。

因此，在真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生領(lǐng)域中，如何能夠降低芯片的功耗以及減少真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器中的電路元件的數(shù)量以減小芯片面積成為重點(diǎn)研究的方向。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的發(fā)明人進(jìn)行了積極的研究并提出本發(fā)明以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種共享式開(kāi)關(guān)電容真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器，其包括第一真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元和第二真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元，第一真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元和第二真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元以首尾連接的方式串聯(lián)在一起形成環(huán)路，第一真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元和第二真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元具有共享的運(yùn)算放大器，并且第一真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元和第二真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元分別在第一時(shí)鐘控制信號(hào)和第二時(shí)鐘控制信號(hào)的控制下交替完成隨機(jī)數(shù)生成操作。

優(yōu)選地，第一真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元和第二真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元還共享第一開(kāi)關(guān)組、基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路以及用于產(chǎn)生第一時(shí)鐘控制信號(hào)和第二時(shí)鐘控制信號(hào)的開(kāi)關(guān)時(shí)序控制電路，第一開(kāi)關(guān)組中的開(kāi)關(guān)受第一時(shí)鐘控制信號(hào)和第二時(shí)鐘控制信號(hào)的控制而閉合或斷開(kāi)，并且第一真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元和第二真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元中的每一個(gè)還包括：量化電平選擇電路，用于在開(kāi)關(guān)時(shí)序控制電路生成的第一時(shí)鐘控制信號(hào)或第二時(shí)鐘控制信號(hào)的控制下根據(jù)來(lái)自運(yùn)算放大器的輸出和由基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路生成的參考電壓來(lái)生成隨機(jī)數(shù)；第二開(kāi)關(guān)組，第二開(kāi)關(guān)組中的開(kāi)關(guān)在開(kāi)關(guān)時(shí)序控制電路生成的第一時(shí)鐘控制信號(hào)和第二時(shí)鐘控制信號(hào)的控制下而閉合或斷開(kāi)；以及第一電容和第二電容，用于在第一開(kāi)關(guān)組和第二開(kāi)關(guān)組中的開(kāi)關(guān)在第一時(shí)鐘控制信號(hào)和第二時(shí)鐘控制信號(hào)的控制下斷開(kāi)或閉合的情況下，與量化電平選擇電路和運(yùn)算放大器一起完成所在真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元的采樣或隨機(jī)數(shù)生成操作。

在一個(gè)實(shí)施例中，第一電容和第二電容相同且相匹配，或者跟優(yōu)選地，第一真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元和第二真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元中的第一電容和第二電容 均相同且相匹配。

此外，量化電平選擇電路還包括：檢測(cè)校正電路，用于確定運(yùn)算放大器的輸出是否超過(guò)預(yù)定閾值，并在超過(guò)閾值的情況下對(duì)運(yùn)算放大器的輸出進(jìn)行校正；具有鎖存功能的比較器，用于將運(yùn)算放大器的輸出與參考電壓進(jìn)行比較，并在第一時(shí)鐘控制信號(hào)或第二時(shí)鐘控制信號(hào)的控制下輸出邏輯信號(hào)；多路選擇器，用于根據(jù)邏輯信號(hào)選擇輸出基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路產(chǎn)生的一個(gè)參考電壓；以及后處理器，對(duì)邏輯信號(hào)進(jìn)行后處理以生成隨機(jī)數(shù)。

具體地，在第一時(shí)鐘控制信號(hào)和第二時(shí)鐘控制信號(hào)的控制下：在一個(gè)時(shí)鐘周期的前半周期內(nèi)，第一開(kāi)關(guān)組中的第一開(kāi)關(guān)集合、第一真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元的第二開(kāi)關(guān)組中的第一開(kāi)關(guān)集合和第二真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元的第二開(kāi)關(guān)組中的第二開(kāi)關(guān)集合閉合且第一開(kāi)關(guān)組中的第二開(kāi)關(guān)集合、第一真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元的第二開(kāi)關(guān)組中的第二開(kāi)關(guān)集合和第二真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元的第二開(kāi)關(guān)組中的第一開(kāi)關(guān)集合斷開(kāi)，使得：運(yùn)算放大器的反相輸入端通過(guò)第一開(kāi)關(guān)組連接第二真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元的第一電容和第二電容的一端且運(yùn)算放大器的第二輸出連接第一真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元的量化電平選擇電路的輸入且通過(guò)第二真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元的第二開(kāi)關(guān)組連接第二真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元的第二電容的另一端，第二真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元的第一電容的另一端通過(guò)第二真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元的第二開(kāi)關(guān)組連接第二真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元的量化電平選擇電路的輸出，第一真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元的第一電容和第二電容的一端通過(guò)第一開(kāi)關(guān)組連接基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路生成的參考電壓且另一端通過(guò)第一真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元的第二開(kāi)關(guān)組連接運(yùn)算放大器的第二輸出，從而第一真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元完成采樣操作且第二真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元完成隨機(jī)數(shù)生成操作；以及在一個(gè)時(shí)鐘周期的后半周期內(nèi)，第一開(kāi)關(guān)組中的第二開(kāi)關(guān)集合、第一真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元的第二開(kāi)關(guān)組中的第二開(kāi)關(guān)集合和第二真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元的第二開(kāi)關(guān)組中的第一開(kāi)關(guān)集合閉合且第一開(kāi)關(guān)組中的第一開(kāi)關(guān)集合、第一真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元的第二開(kāi)關(guān)組中的第一開(kāi)關(guān)集合和第二真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元的第二開(kāi)關(guān)組中的第二開(kāi)關(guān)集合斷開(kāi)，使得：運(yùn)算放大器的同相輸入端通過(guò)第一開(kāi)關(guān)組連接第一真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元的第一電容和第二電容的一端，運(yùn)算放大器的第一輸出連接第二真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元的量化電平選擇電路的輸入且通過(guò)第一真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元的第二開(kāi)關(guān)組連接第一真隨機(jī)數(shù) 產(chǎn)生單元的第一電容的另一端，第一真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元的第二電容的另一端通過(guò)第一真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元的第二開(kāi)關(guān)組連接第一真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元的量化電平選擇電路的輸出，第二真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元的第一電容和第二電容的一端通過(guò)第一開(kāi)關(guān)組連接基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路生成的參考電壓且另一端通過(guò)第二真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元的第二開(kāi)關(guān)組連接運(yùn)算放大器的第一輸出，從而第二真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元完成采樣操作且第一真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元完成隨機(jī)數(shù)生成操作。

優(yōu)選地，在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，第一時(shí)鐘控制信號(hào)和第二時(shí)鐘控制信號(hào)的占空比小于50％且第一時(shí)鐘控制信號(hào)和第二時(shí)鐘控制信號(hào)相互不交疊以具有死區(qū)時(shí)間。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種操作共享式開(kāi)關(guān)電容真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器的方法，其中開(kāi)關(guān)電容真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器包括第一真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元和第二真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元，該方法包括：將第一真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元和第二真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元以首尾連接的方式串聯(lián)在一起形成環(huán)路，第一真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元和第二真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元具有共享的運(yùn)算放大器；以及利用第一時(shí)鐘控制信號(hào)和第二時(shí)鐘控制信號(hào)分別控制第一真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元和第二真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元來(lái)交替完成隨機(jī)數(shù)生成操作。

優(yōu)選地，第一真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元和第二真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元還共享第一開(kāi)關(guān)組、基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路以及和用于產(chǎn)生第一時(shí)鐘控制信號(hào)和第二時(shí)鐘控制信號(hào)的開(kāi)關(guān)時(shí)序控制電路，第一開(kāi)關(guān)組中的開(kāi)關(guān)受第一時(shí)鐘控制信號(hào)和第二時(shí)鐘控制信號(hào)的控制而閉合或斷開(kāi)，并且在第一真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元和第二真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元中的每一個(gè)中：利用量化電平選擇電路，在第一時(shí)鐘控制信號(hào)或第二時(shí)鐘控制信號(hào)的控制下根據(jù)來(lái)自運(yùn)算放大器的輸出和由基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路生成的參考電壓生成隨機(jī)數(shù)；利用第一時(shí)鐘控制信號(hào)和第二時(shí)鐘控制信號(hào)閉合或斷開(kāi)第二開(kāi)關(guān)組中的開(kāi)關(guān)；以及在第一開(kāi)關(guān)組和第二開(kāi)關(guān)組中的開(kāi)關(guān)在第一時(shí)鐘控制信號(hào)和第二時(shí)鐘控制信號(hào)的控制下斷開(kāi)或閉合的情況下，利用第一電容和第二電容與量化電平選擇電路和運(yùn)算放大器一起完成該真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元的采樣或隨機(jī)數(shù)生成操作。

優(yōu)選地，第一電容和第二電容相同且相匹配，或者更優(yōu)選地，第一真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元和第二真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元中的第一電容和第二電容均相同 且相匹配。

此外，在量化電平選擇電路中：利用檢測(cè)校正電路確定運(yùn)算放大器的輸出是否超過(guò)預(yù)定閾值，并在超過(guò)閾值的情況下對(duì)運(yùn)算放大器的輸出進(jìn)行校正；利用具有鎖存功能的比較器將運(yùn)算放大器的輸出與參考電壓進(jìn)行比較，并在第一時(shí)鐘控制信號(hào)或第二時(shí)鐘控制信號(hào)的控制下輸出邏輯信號(hào)；利用多路選擇器根據(jù)邏輯信號(hào)選擇輸出基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路產(chǎn)生的一個(gè)參考電壓；以及利用后處理器對(duì)邏輯信號(hào)進(jìn)行后處理以生成隨機(jī)數(shù)。

具體地，在第一時(shí)鐘控制信號(hào)和第二時(shí)鐘控制信號(hào)的控制下：在一個(gè)時(shí)鐘周期的前半周期內(nèi)，第一開(kāi)關(guān)組中的第一開(kāi)關(guān)集合、第一真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元的第二開(kāi)關(guān)組中的第一開(kāi)關(guān)集合和第二真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元的第二開(kāi)關(guān)組中的第二開(kāi)關(guān)集合閉合且第一開(kāi)關(guān)組中的第二開(kāi)關(guān)集合、第一真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元的第二開(kāi)關(guān)組中的第二開(kāi)關(guān)集合和第二真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元的第二開(kāi)關(guān)組中的第一開(kāi)關(guān)集合斷開(kāi)，使得：運(yùn)算放大器的反相輸入端通過(guò)第一開(kāi)關(guān)組連接第二真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元的第一電容和第二電容的一端且運(yùn)算放大器的第二輸出連接第一真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元的量化電平選擇電路的輸入且通過(guò)第二真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元的第二開(kāi)關(guān)組連接第二真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元的第二電容的另一端，第二真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元的第一電容的另一端通過(guò)第二真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元的第二開(kāi)關(guān)組連接第二真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元的量化電平選擇電路的輸出，第一真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元的第一電容和第二電容的一端通過(guò)第一開(kāi)關(guān)組連接基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路生成的參考電壓且另一端通過(guò)第一真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元的第二開(kāi)關(guān)組連接運(yùn)算放大器的第二輸出，從而第一真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元完成采樣操作且第二真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元完成隨機(jī)數(shù)生成操作；以及在一個(gè)時(shí)鐘周期的后半周期內(nèi)，第一開(kāi)關(guān)組中的第二開(kāi)關(guān)集合、第一真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元的第二開(kāi)關(guān)組中的第二開(kāi)關(guān)集合和第二真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元的第二開(kāi)關(guān)組中的第一開(kāi)關(guān)集合閉合且第一開(kāi)關(guān)組中的第一開(kāi)關(guān)集合、第一真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元的第二開(kāi)關(guān)組中的第一開(kāi)關(guān)集合和第二真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元的第二開(kāi)關(guān)組中的第二開(kāi)關(guān)集合斷開(kāi)，使得：運(yùn)算放大器的同相輸入端通過(guò)第一開(kāi)關(guān)組連接第一真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元的第一電容和第二電容的一端且運(yùn)算放大器的第一輸出連接第二真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元的量化電平選擇電路的輸入且通過(guò)第一真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元的第二開(kāi)關(guān)組連接第一真隨機(jī)數(shù) 產(chǎn)生單元的第一電容的另一端，第一真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元的第二電容的另一端通過(guò)第一真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元的第二開(kāi)關(guān)組連接第一真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元的量化電平選擇電路的輸出，第二真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元的第一電容和第二電容的一端通過(guò)第一開(kāi)關(guān)組連接基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路生成的參考電壓且另一端通過(guò)第二真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元的第二開(kāi)關(guān)組連接運(yùn)算放大器的第一輸出，從而第二真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元完成采樣操作且第一真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元完成隨機(jī)數(shù)生成操作。

優(yōu)選地，在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，第一時(shí)鐘控制信號(hào)和第二時(shí)鐘控制信號(hào)的占空比小于50％且第一時(shí)鐘控制信號(hào)和第二時(shí)鐘控制信號(hào)相互不交疊以具有死區(qū)時(shí)間。

在本發(fā)明的技術(shù)方案中，通過(guò)共享運(yùn)算放大器，可以減少真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器中的電路元件以減小芯片面積，并且通過(guò)交替控制真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元，可以實(shí)現(xiàn)功耗的降低。

附圖說(shuō)明

圖1是隨機(jī)數(shù)生成原理的示意圖；

圖2是一種現(xiàn)有的基于流水線(xiàn)型ADC真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器的示意圖；

圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的共享式開(kāi)關(guān)電容真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器的示意圖；

圖4是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施的開(kāi)關(guān)時(shí)序控制電路輸出的控制信號(hào)時(shí)序示意圖；

圖5是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的量化電平選擇電路的框圖；

圖6是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的在一個(gè)周期的第一狀態(tài)下的電路連接示意圖；

圖7是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的在一個(gè)周期的第二狀態(tài)下的電路連接示意圖；

圖8是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的共享運(yùn)算放大器的一種電路結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖9是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的共享式開(kāi)關(guān)電容真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器的全差分結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方式的示意圖；以及

圖10是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的共享式開(kāi)關(guān)電容真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器的操作方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例和技術(shù)方案，下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行更詳細(xì)的說(shuō)明，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部實(shí)施例?；诒景l(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供了一種共享式開(kāi)關(guān)電容真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器，其包括第一真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元和第二真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元，第一和第二真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元以首尾連接的方式串聯(lián)在一起形成環(huán)路，第一和第二真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元具有共享的運(yùn)算放大器，并且第一真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元和第二真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元分別在第一時(shí)鐘控制信號(hào)和第二時(shí)鐘控制信號(hào)的控制下交替完成隨機(jī)數(shù)生成操作。通過(guò)共享運(yùn)算放大器并交替控制真隨機(jī)數(shù)生成單元，可以減少所使用的元件的數(shù)量來(lái)減小芯片面積、降低功耗。

以下參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的共享式開(kāi)關(guān)電容真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器的具體實(shí)現(xiàn)方式。

圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的共享式開(kāi)關(guān)電容真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器的示意圖。如圖所示，開(kāi)關(guān)電容真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器包括：共享運(yùn)算放大器100、共享開(kāi)關(guān)時(shí)序控制電路110、量化電平選擇電路120、電容組130、開(kāi)關(guān)組140、開(kāi)關(guān)組150和共享基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路160。其中包括了兩個(gè)能夠完成式(1-1)運(yùn)算功能的TRNG單元(以下稱(chēng)為T(mén)RNG單元A和TRNG單元B)，其中TRNG單元A由運(yùn)算放大器100、開(kāi)關(guān)時(shí)序控制電路110、基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路160、量化電平選擇電路A、開(kāi)關(guān)組150以及圖3中上半部分中的開(kāi)關(guān)組140(S1-S4)和電容組130(C1和C2)組成，TRNG單元B由運(yùn)算放大器100、開(kāi)關(guān)時(shí)序控制電路110、基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路160、量化電平選擇電路B、開(kāi)關(guān)組150以及圖3中下半部分中的開(kāi)關(guān)組140(S5-S8)和電容組130(C3和C4)組成。其中TRNG單元A和TRNG單元B分時(shí)共享復(fù)用的組件包括運(yùn)算放大器100、開(kāi)關(guān)時(shí)序控制電路110、開(kāi)關(guān)組150和基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路160。但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，TRNG單元A和TRNG單元B也可以不共享開(kāi)關(guān)時(shí)序控制電路、開(kāi)關(guān)組和基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路而是各自具有對(duì) 應(yīng)的電路。

其中，開(kāi)關(guān)組150對(duì)應(yīng)于權(quán)利要求中的第一開(kāi)關(guān)組，開(kāi)關(guān)S10、S11和S14對(duì)應(yīng)于權(quán)利要求中的第一開(kāi)關(guān)組的第一開(kāi)關(guān)集合，S9、S12、S13對(duì)應(yīng)于權(quán)利要求中的定義開(kāi)關(guān)組的第二開(kāi)關(guān)集合，開(kāi)關(guān)組140對(duì)應(yīng)于權(quán)利要求中的第二開(kāi)關(guān)組，開(kāi)關(guān)S1和S4對(duì)應(yīng)于權(quán)利要求中的第一真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元的第二開(kāi)關(guān)組的第二開(kāi)關(guān)集合，開(kāi)關(guān)S2和S3對(duì)應(yīng)于權(quán)利要求中的第一真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元的第二開(kāi)關(guān)組的第一開(kāi)關(guān)集合，開(kāi)關(guān)S5和S8對(duì)應(yīng)于權(quán)利要求中的第二真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元的第二開(kāi)關(guān)組的第二開(kāi)關(guān)集合，開(kāi)關(guān)S6和S7對(duì)應(yīng)于權(quán)利要求中的第二真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元的第二開(kāi)關(guān)組的第一開(kāi)關(guān)集合。此外，電容C1和C3對(duì)應(yīng)于權(quán)利要求中的第一電容，電容C2和C4對(duì)應(yīng)于權(quán)利要求中的第二電容。

其中，共享運(yùn)算放大器100是完成上述式(1-1)運(yùn)算功能的核心元件。

開(kāi)關(guān)時(shí)序控制電路110能夠產(chǎn)生圖4所示的兩相不交疊時(shí)鐘信號(hào)。用于控制開(kāi)關(guān)組140和開(kāi)關(guān)組150中開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟和關(guān)閉、以及為量化電平產(chǎn)生電路120中的帶鎖存功能的比較器122提供時(shí)序。

兩個(gè)電容組130分別屬于兩個(gè)隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元，其中電容C1和電容C2以及電容C3和C4是完成式(1-1)的重要元件，電容C1和電容C2相等且需要匹配，電容C3和C4且需要匹配。更優(yōu)選地，電容C1、C2、C3、C4均相等且需要匹配。

開(kāi)關(guān)組140和開(kāi)關(guān)組150根據(jù)開(kāi)關(guān)時(shí)序產(chǎn)生電路110輸出的時(shí)序控制信號(hào)，通過(guò)內(nèi)部開(kāi)關(guān)的配合完成式(1-1)的運(yùn)算。

基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路160用于產(chǎn)生參考電壓Vref、參考電壓Vr1、參考電壓Vr2、參考電壓Vr3和參考電壓Vr4，用于為開(kāi)關(guān)組150提供參考電壓Vref，為量化電平選擇電路120中帶鎖存功能的比較器122提供參考電壓Vr1、Vr2，以及為多路選擇器123提供參考電壓Vr3、Vr4和Vref。

以下參照?qǐng)D5具體描述量化電平產(chǎn)生電路120。如圖5所示，量化電平產(chǎn)生電路120包括：檢測(cè)校正電路121、兩個(gè)帶鎖存功能的比較器122、多路選擇器123和數(shù)字后處理器124。

檢測(cè)校正電路121用于檢測(cè)量化電平產(chǎn)生電路120輸入信號(hào)Vin(TRNG單元A或TRNG單元B的運(yùn)算結(jié)果)的電壓范圍，在輸入信號(hào)Vin超過(guò)正 常電壓范圍外的最大閾值后，校正整個(gè)TRNG電路的輸出，使TRNG的輸出返回到正常范圍。

帶鎖存功能的比較器122的同相輸入端接輸入信號(hào)Vin，兩個(gè)反相輸入端分別接參考電壓Vr1和Vr2。在開(kāi)關(guān)時(shí)序控制電路110提供的時(shí)鐘的作用下，輸出邏輯信號(hào)D1和D2，用于多路選擇器123的控制輸入和數(shù)字后處理器124產(chǎn)生最后的隨機(jī)數(shù)輸出的操作。

多路選擇器123能夠根據(jù)輸入邏輯信號(hào)D1和D2，選擇輸入信號(hào)Vr3、Vref或Vr4中的一個(gè)到輸出Vout來(lái)為T(mén)RNG單元A(或TRNG單元B)在完成式(1-1)運(yùn)算時(shí)提供參考電平。

數(shù)字后處理器124用于對(duì)帶鎖存功能的比較器122的輸出D1和D2進(jìn)行處理，從而輸出最后的隨機(jī)數(shù)輸出RNG。數(shù)字后處理的算法可以是簡(jiǎn)單的異或操作，也可以是復(fù)雜的增加隨機(jī)性的其他算法，本文并不限定數(shù)字后處理的算法復(fù)雜度。

如上所述，在上述實(shí)施例中，通過(guò)分時(shí)共享復(fù)用運(yùn)算放大器100、開(kāi)關(guān)組150、開(kāi)關(guān)時(shí)序控制電路110、基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路160，能夠?qū)崿F(xiàn)兩個(gè)真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元通過(guò)首尾連接方式，隨時(shí)鐘交替完成式(1-1)的運(yùn)算。從而能夠節(jié)省一個(gè)運(yùn)算放大器，節(jié)省了隨機(jī)數(shù)的電路面積和功耗。

返回參照?qǐng)D4，示出了開(kāi)關(guān)時(shí)序控制電路110產(chǎn)生的兩個(gè)不交疊時(shí)鐘輸出信號(hào)，分別為CLK1和CLK2。在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，將CLK1為高電平定義為Φ1狀態(tài)，將CLK2為高電平定義為Φ2狀態(tài)。從圖4中可以看到,CLK1和CLK2的高電平的持續(xù)時(shí)間略小于T/2，死區(qū)時(shí)間用于保證開(kāi)關(guān)組140和開(kāi)關(guān)組150的開(kāi)關(guān)切換過(guò)程不會(huì)影響到電路的正常運(yùn)算結(jié)果。

每個(gè)TRNG單元都需要兩個(gè)狀態(tài)(Φ1狀態(tài)和Φ2狀態(tài))才能完成式(1-1)的運(yùn)算功能，概括為對(duì)輸入的采樣操作和運(yùn)算操作(隨機(jī)數(shù)生成操作)。兩個(gè)TRNG單元間隔半個(gè)時(shí)鐘周期依次完成采樣和運(yùn)算操作，從而都能夠一個(gè)周期內(nèi)完成式(1-1)的運(yùn)算關(guān)系。兩個(gè)TRNG單元在Φ1狀態(tài)(或者Φ2狀態(tài))分別完成采樣和運(yùn)算操作(運(yùn)算和采樣操作)。

下面分別參照?qǐng)D6和圖7分別描述本發(fā)明實(shí)施例電路的具體操作過(guò)程，即在圖4定義的第n個(gè)周期Φ1狀態(tài)和Φ2狀態(tài)的具體工作過(guò)程。

在圖6中示出了在第n個(gè)周期T_n的第一狀態(tài)(Φ1狀態(tài))下，開(kāi)關(guān)組140 和開(kāi)關(guān)組150的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。其中TRNG單元B在T_n-1的Φ2狀態(tài)對(duì)輸入V1采樣，在T_n的Φ1狀態(tài)時(shí)完成輸入為V1的式(1-1)的運(yùn)算操作。TRNG單元A則在T_n的Φ1狀態(tài)下完成對(duì)TRNG單元B的輸出V2的采樣操作。

具體地，開(kāi)關(guān)組140和開(kāi)關(guān)組150中的開(kāi)關(guān)S2、S3、S5、S8、S10、S11和S14閉合，其余開(kāi)關(guān)全部斷開(kāi)。共享運(yùn)算放大器100和電容組130中電容C3、C4構(gòu)成乘2及加減運(yùn)算的負(fù)反饋運(yùn)算電路，其中共享運(yùn)算放大器100的反相輸入端接電容C3和C4一端、同相輸入端通過(guò)開(kāi)關(guān)組150的開(kāi)關(guān)S11接基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路160提供的參考電壓Vref，共享運(yùn)算放大器100在Φ1狀態(tài)的輸出為V2，電容C4的另一端接輸出V2，電容C3的另一端接量化電平選擇電路B 120的輸出Vout，同時(shí)共享運(yùn)算放大器輸出V2接量化電平選擇電路A120的輸入Vin。在Φ1狀態(tài)下TRNG單元B完成運(yùn)算操作。

同時(shí)在Φ1狀態(tài)，TRNG單元A中的電容組130，電容C1和C2的一端通過(guò)開(kāi)關(guān)組150的開(kāi)關(guān)S10接參考電壓Vref，電容C1和C2的另一輸入端通過(guò)開(kāi)關(guān)組140的開(kāi)關(guān)S2和S3接共享運(yùn)算放大器的輸出端V2，完成TRNG單元A的采樣操作。量化電平選擇電路A 120完成對(duì)輸出電壓V2的電壓比較，并將比較結(jié)果鎖存，為緊隨的TRNG單元A的運(yùn)算階段提供量化電平，同時(shí)輸出本周期內(nèi)TRNG單元B的隨機(jī)數(shù)輸出RNG1。

圖7示出了在第n個(gè)周期T_n的第二狀態(tài)(Φ2狀態(tài))下，開(kāi)關(guān)組140和開(kāi)關(guān)組150的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。其中TRNG單元A在T_n的Φ1狀態(tài)對(duì)輸入V2采樣，在T_n的Φ2狀態(tài)時(shí)完成輸入為V2的式(1-1)的運(yùn)算操作。TRNG單元B則在Φ2狀態(tài)下完成對(duì)TRNG單元A的輸出V1的采樣操作。

具體地，開(kāi)關(guān)組140和開(kāi)關(guān)組150中的開(kāi)關(guān)S1、S4、S6、S7、S9、S12和S13閉合，其余開(kāi)關(guān)全部斷開(kāi)。共享運(yùn)算放大器100和電容組130中電容C1、C2構(gòu)成乘2及加減運(yùn)算的負(fù)反饋運(yùn)算電路，其中共享運(yùn)算放大器100的同相輸入端接電容C1和C2一端、反相輸入端通過(guò)開(kāi)關(guān)組150中開(kāi)關(guān)S13接基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路160提供的參考電壓Vref，共享運(yùn)算放大器在Φ2狀態(tài)的輸出端為V1，電容C1的另一端接輸出V1，電容C2的另一端接量化電平選擇電路A120的輸出Vout，同時(shí)共享運(yùn)算放大器輸出V1接量化電平選擇電路B120的輸入Vin。此Φ2狀態(tài)下TRNG單元A完成運(yùn)算操作。

同時(shí)在Φ2狀態(tài)，TRNG單元B中的電容組130，電容C3和C4的一端通過(guò)開(kāi)關(guān)組150的開(kāi)關(guān)S12接參考電壓Vref，電容C3和C4的另一輸入端通過(guò)開(kāi)關(guān)組140的開(kāi)關(guān)S6和S7接共享運(yùn)算放大器的輸出端V1，完成TRNG單元B的采樣操作。量化電平選擇電路B120完成對(duì)輸出電壓V1的電壓比較，并將比較結(jié)果鎖存，為緊隨的TRNG單元B的運(yùn)算階段提供量化電平，同時(shí)輸出本周期內(nèi)TRNG單元A的隨機(jī)數(shù)輸出RNG2。

上述第n個(gè)周期的兩個(gè)TRNG單元的采樣和運(yùn)算操作在第n個(gè)周期之前和后續(xù)的各周期內(nèi)重復(fù)進(jìn)行。從而在每個(gè)周期內(nèi)有RNG1和RNG2分別都產(chǎn)生1bit的二進(jìn)制隨機(jī)數(shù)輸出。

整個(gè)系統(tǒng)在時(shí)鐘的作用下源源不斷的產(chǎn)生真隨機(jī)數(shù)輸出。

此外，圖8示出了一種共享運(yùn)算放大器100的結(jié)構(gòu)，其具有差分輸入、雙單端輸出形式的結(jié)構(gòu)。但應(yīng)該理解，圖8僅提供了一種共享運(yùn)算放大器的實(shí)現(xiàn)方式，其并不局限于此，類(lèi)似能夠?qū)崿F(xiàn)該功能的放大器都可以用于運(yùn)算放大器100。例如，圖9示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的共享運(yùn)算放大器為全差分形式的示意圖，其特征為在整個(gè)采樣和運(yùn)算階段，電壓都采用差分形式。這些結(jié)構(gòu)對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的，因此這里不再進(jìn)行詳細(xì)描述。

圖10是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的共享式開(kāi)關(guān)電容真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器的操作方法的流程圖，其中開(kāi)關(guān)電容真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器包括第一真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元和第二真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元。

如圖10所示，該方法包括：步驟S1002，將第一真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元和第二真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元以首尾連接的方式串聯(lián)在一起形成環(huán)路，第一真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元和第二真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元具有共享的運(yùn)算放大器；以及步驟S1004，利用第一時(shí)鐘控制信號(hào)和第二時(shí)鐘控制信號(hào)分別控制第一真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元和第二真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元來(lái)交替完成隨機(jī)數(shù)生成操作。

如上所述，本發(fā)明的關(guān)鍵點(diǎn)在于共享運(yùn)算放大器和交替控制真隨機(jī)數(shù)生成單元，雖然本發(fā)明的實(shí)施例僅示出了兩個(gè)真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元，但本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀本發(fā)明的基礎(chǔ)上也可以想到開(kāi)關(guān)電容真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器具有偶數(shù)個(gè)真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元的實(shí)施例，其中這偶數(shù)個(gè)真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元也共享運(yùn)算放大器且利用時(shí)鐘控制信號(hào)交替控制這偶數(shù)個(gè)真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單 元，其實(shí)現(xiàn)原理和結(jié)構(gòu)與上述實(shí)施例的類(lèi)似。當(dāng)然，應(yīng)結(jié)合所能承受的成本、所需要實(shí)現(xiàn)的隨機(jī)數(shù)生成效果等方面進(jìn)行綜合考慮來(lái)選擇適當(dāng)數(shù)量的真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元。

上述實(shí)施例提供了共享式開(kāi)關(guān)電容真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器及其操作方法，通過(guò)將能夠完成上述式(1-1)運(yùn)算的TRNG單元首尾連接構(gòu)成環(huán)路，同時(shí)通過(guò)時(shí)鐘的控制，使兩個(gè)TRNG單元交替完成采樣和運(yùn)算操作，并通過(guò)分時(shí)共享復(fù)用運(yùn)算放大器，能夠在保證產(chǎn)生相同產(chǎn)量、高性能的真隨機(jī)數(shù)的同時(shí)，提高了2倍增益運(yùn)算放大器的利用效率，從而節(jié)省了產(chǎn)生相同產(chǎn)量隨機(jī)數(shù)所需的電路芯片面積和功耗。

需要說(shuō)明的是，以上參照附圖所描述的各個(gè)實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明而非限制本發(fā)明的范圍，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的前提下對(duì)本發(fā)明進(jìn)行的修改或者等同替換，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。此外，除上下文另有所指外，以單數(shù)形式出現(xiàn)的詞包括復(fù)數(shù)形式，反之亦然。另外，除非特別說(shuō)明，那么任何實(shí)施例的全部或一部分可結(jié)合任何其它實(shí)施例的全部或一部分來(lái)使用。