面向智慧農(nóng)業(yè)多頻多模無線通信的寬帶射頻接收機前端電路設(shè)計

摘" 要：智慧農(nóng)業(yè)作為高度現(xiàn)代化的新型農(nóng)業(yè)模式，是推動農(nóng)業(yè)新質(zhì)生產(chǎn)力發(fā)展的重要支撐。智慧農(nóng)業(yè)通過大量農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的收集、傳輸、分析和處理，實現(xiàn)信息共享和協(xié)同作業(yè)。為滿足智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IOT）無線通信設(shè)備低成本、小型化、兼容多種通信協(xié)議、信號高保真度和低功耗的發(fā)展需求，針對智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中3G/4G/5G、LoRa、NB-IOT、ZigBee、Wi-Fi、藍牙（Bluetooth）和RFID等通信協(xié)議應(yīng)用，設(shè)計一款可以兼容上述多種頻段、多種模式無線通信的寬帶（0.8～5.2 GHz）射頻信號接收機前端電路。基于0.18 μm CMOS設(shè)計工藝，電路采用電流模式直接下變頻結(jié)構(gòu)，由寬帶有源巴倫低噪聲跨導(dǎo)放大器（LNTA）、電流模式無源混頻器及低輸入阻抗的跨阻放大器（TIA）組成，具有良好的轉(zhuǎn)換增益和線性度，提高了對帶外干擾的魯棒性。通過噪聲和失真消除技術(shù)提高降噪性能，采用寬帶共柵-共源（CG-CS）LNTA和電流鏡技術(shù)來實現(xiàn)更好的輸入阻抗匹配和提高電路增益。采用分別由占空比為50%的I、Q 兩路本振信號驅(qū)動的開關(guān)管串聯(lián)實現(xiàn)的25%占空比開關(guān)混頻級，與50%占空比開關(guān)混頻級相比，下變頻增益提高3 dB，降低噪聲系數(shù)。跨阻放大器采用跨導(dǎo)增強技術(shù)實現(xiàn)低輸入阻抗和高跨阻增益，提高電流利用效率和線性度。設(shè)計的核心電路（射頻和基帶信號路徑）功耗為24.6 mW，在0.8～5.2 GHz工作頻帶內(nèi)的電壓轉(zhuǎn)換增益為33.5～35.1 dB，噪聲系數(shù)（NF）為7.9～9.28 dB，輸入三階交調(diào)點IIP3為7.82～9.93 dBm。設(shè)計的高性能接收機前端電路可廣泛應(yīng)用于智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)各類需要無線通信的設(shè)備電路中，助力農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的信息化、集約化、自動化和智能化升級。

關(guān)鍵詞：智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)；無線通信；寬帶；電流模式；射頻接收機前端

中圖分類號：TN402 文獻標志碼：A" " " " " "文章編號：2096-9902（2025）06-0001-09

Abstract： Smart agriculture， as a highly modernized novel agricultural model， constitutes a significant support for promoting the development of new-quality productivity in agriculture. Through the collection， transmission， and analysis of a vast amount of agricultural production data， smart agriculture realizes information sharing and collaborative operations. To fulfill the development requirements of low cost， miniaturization， compatibility with multiple communication protocols， high signal fidelity， and low power consumption for wireless communication devices in the Internet of Things （IoT） of smart agriculture， and in view of the application of communication protocols such as 3G/4G/5G， LoRa， NB-IOT， ZigBee， WiFi， Bluetooth， and RFID in the IoT technology of smart agriculture， a front-end circuit of a broadband radio frequency signal receiver that can be compatible with multiple frequency bands and multiple modes of wireless communication mentioned above has been designed. A wideband（0.8～5.2 GHz） CMOS current-mode RF direct downconversion receiver front-end architecture is proposed in this paper， which consists of a low noise transconductance amplifier （LNTA） ， a passive mixing stage and a transimpedance amplifier （TIA）. The low noise transconductance amplifier uses a common gate-common source（CG-CS） parallel structure， noise and distortion cancellation technology and current mirror technology. The passive mixer adopts orthogonal mixing structure and is driven by 25% duty cycle orthogonal local oscillator（LO） signal to avoid the IQ interaction problem and further worsens the linearity and noise of the passive mixer. Compared with the 50% duty cycle switching mixer stage， the down-conversion gain is increased by 3 dB. The gm-boosting technique is adopted in TIA to achieve low input impedance and high gain， which improves the current utilization efficiency and linearity. Simulation results show that the core circuit consumes 24.6 mW， and the prototype receiver achieves approximate 33.5～35.1 dB conversion gain， 7.9～9.28 dB NF， and 7.82～9.93 dBm IIP3 from 0.8 to 5.2 GHz. The designed high-performance receiver front-end circuit can be widely applied in various wireless communication device circuits required for the Internet of Things in smart agriculture， facilitating the informatization， intensification， automation， and intelligent upgrading of agricultural production.

隨著科技的進步，農(nóng)業(yè)發(fā)展正逐步從傳統(tǒng)的機械化生產(chǎn)向智慧化升級。智慧農(nóng)業(yè)是將現(xiàn)代信息技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算和大數(shù)據(jù)等技術(shù)深度融合并應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，實現(xiàn)遠程監(jiān)控、災(zāi)變預(yù)警、可視化遠程診斷和智能決策等，從而助力高效化、自動化、信息化和智能化農(nóng)業(yè)高水平管理。無線通信技術(shù)是智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵，準確、有效的信息傳輸和信號反饋可以確保農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高質(zhì)高效發(fā)展。實現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)各節(jié)點之間無線通信的信號發(fā)射和信號接收設(shè)備在數(shù)字智能化升級中發(fā)揮著核心作用（圖1）。針對智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中3G/4G/5G、LoRa、NB-IOT、ZigBee、Wi-Fi、藍牙（Bluetooth）和射頻識別（RFID）等多種不同通信協(xié)議應(yīng)用，射頻（RF）信號接收機前端電路的設(shè)計需要滿足兼容上述多種模式、多種頻段的性能要求，覆蓋多個無線通信標準頻段，實現(xiàn)不同通信協(xié)議之間真正的多網(wǎng)融合。寬帶射頻接收機前端電路能夠支持多種通信協(xié)議，可根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)復(fù)雜多變的實際工作環(huán)境狀況選擇切換至合適的通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)自由、快速、便捷通信，更好地滿足智慧農(nóng)業(yè)無線通信設(shè)備低成本、小型化、兼容多種通信協(xié)議、信號高保真度、低功耗的發(fā)展需求。

在智慧農(nóng)業(yè)無線通信接收設(shè)備的集成電路設(shè)計中，傳統(tǒng)的電壓模式寬帶射頻（RF）接收機采用低噪聲放大器（LNA） +有源混頻器（Mixer）的結(jié)構(gòu)，射頻信號經(jīng)過電壓-電流之間的2次相互轉(zhuǎn)換，線性度較差。此外，電壓模式電路中Gilbert有源混頻器開關(guān)管中由偏置電流所產(chǎn)生的噪聲會惡化整個接收機的噪聲性能。電流模式（低噪聲跨導(dǎo)放大器+無源混頻開關(guān)級+跨阻放大器）射頻接收機前端電路結(jié)構(gòu)可以在較寬頻帶內(nèi)實現(xiàn)較高的增益、線性度，較低的噪聲和功耗。國內(nèi)外關(guān)于寬帶電流模式RF接收機前端電路性能優(yōu)化的研究設(shè)計一直在進行中。Das等[1]在2020年研究設(shè)計了一款四相無源混頻器輸入射頻接收機，采用共柵跨阻放大器（CG-TIA）代替?zhèn)鹘y(tǒng)的并聯(lián)反饋放大器TIA，文中提出的TIA使用4個晶體管將電流復(fù)用與交叉耦合跨導(dǎo)增強相結(jié)合，從而實現(xiàn)在低功耗下降低噪聲系數(shù)（NF）。2022年，Razavi等[2]設(shè)計的寬帶射頻接收機采用嵌套反饋多環(huán)路電路結(jié)構(gòu)來改善噪聲和線性度之間的性能折中平衡，通過在基帶運放電路中加入密勒電容來抑制由晶體管電容引起的帶寬限制。2023年，蔡麗瑩[3]在面向物聯(lián)網(wǎng)的Sub-GHz低功耗低噪聲CMOS接收機研究中采用互補型電阻反饋調(diào)諧LNA，通過引入電阻陣列來調(diào)節(jié)跨阻放大器（TIA）的增益，實現(xiàn)在0.1～0.95 GHz頻帶增益可調(diào)（-16～90dB），噪聲系數(shù)為1.7～4.3 dB。Kejian Shi等[4]對抗阻塞混頻器輸入射頻接收機中的二階跨阻放大器進行研究，采用一個運算放大器消除TIA輸出傳遞函數(shù)的低頻零點，利用二階濾波來產(chǎn)生最佳的阻塞容限。在65 nm RF-SOI CMOS工藝下混頻器輸入RF接收機工作頻率為1～7 GHz，帶外IIP3為+31.1 dBm，帶外1 dB壓縮點為+11.8 dBm。2024年，王鑫華等[5]設(shè)計了一種0.1～4 GHz寬帶抗干擾射頻接收機，針對直接下變頻接收機電路結(jié)構(gòu)存在的干擾問題，增加了連續(xù)可調(diào)的電流注入式直流失調(diào)校準電路以及無源混頻開關(guān)管本振相位調(diào)節(jié)校準。

為了達到較高的性能要求，本文采用電流模式來設(shè)計面向智慧農(nóng)業(yè)多模式多頻段無線通信應(yīng)用的寬帶射頻接收機前端電路。電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。采用低噪聲跨導(dǎo)放大器（LNTA）驅(qū)動電流模式無源混頻器，該混頻器的輸出端連接具有低輸入阻抗的跨阻放大器（TIA）。由天線接收到的信號被發(fā)送至低噪聲跨導(dǎo)放大器，LNTA的設(shè)計需要考慮輸入阻抗、跨導(dǎo)增益、噪聲和負載阻抗之間的性能折中平衡。同時，LNTA將從天線接收的電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號并發(fā)送到電流模式無源混頻開關(guān)級。由于電流模式無源混頻開關(guān)級沒有靜態(tài)電流，該電路結(jié)構(gòu)的閃爍噪聲會顯著降低。經(jīng)過混頻、濾波后，信號電流進入TIA進行電流-電壓轉(zhuǎn)換和中頻信號放大。下變頻之后的TIA電路可以通過增加其器件尺寸來減少閃爍噪聲，并通過消耗更多電流來減少熱噪聲，進一步優(yōu)化噪聲性能。對于電路的線性度，相比于吉爾伯特單元混頻器和電壓模式無源混頻器存在的因大電壓擺幅造成失真問題，本文的電路結(jié)構(gòu)采用TIA虛地設(shè)計從而大幅度降低了線性度的失真。

1" 電路設(shè)計

1.1" 低噪聲跨導(dǎo)放大級（LNTA）的設(shè)計

在面向智慧農(nóng)業(yè)無線通信應(yīng)用的射頻接收機結(jié)構(gòu)中，低噪聲放大器（LNA）的增益、噪聲系數(shù)和線性度將顯著影響整個系統(tǒng)的性能。由于天線和射頻濾波器是單端輸出，LNA的輸入通常是單端的，但LNA之后的電路如混頻器則需要雙端輸入來抑制襯底噪聲、寄生耦合和提高動態(tài)范圍，因此本文設(shè)計了一種帶有有源巴倫的寬帶低噪聲跨導(dǎo)放大級實現(xiàn)單端信號輸入、全差分輸出（圖3）。

電壓模式LNA中存在的高阻抗節(jié)點會導(dǎo)致電路帶寬受到限制，工作電壓升高，且電壓模式LNA由于輸出端的電流-電壓轉(zhuǎn)換而使噪聲性能惡化并降低了線性度。為了消除輸出端的電流-電壓轉(zhuǎn)換，本文設(shè)計了電流模式LNTA，該電路結(jié)構(gòu)的內(nèi)部節(jié)點阻抗和電壓擺幅較小，因此對電壓裕度的要求較低。所設(shè)計的LNTA在帶寬、噪聲、轉(zhuǎn)換速率和失真等方面相比電壓模式LNA具有更好的性能。

LNTA電路第一級為共柵-共源（CG-CS）并聯(lián)結(jié)構(gòu)，在圖3中，共柵晶體管M1作為輸入級提供寬帶匹配。由共柵輸入結(jié)構(gòu)的小信號模型可以得出輸入阻抗Zin為

式中：gm1和Cg s1分別是M1的跨導(dǎo)和柵源寄生電容，ro是晶體管的本征輸出阻抗。通過調(diào)整M1的寬長比及其偏置電流，可實現(xiàn)很寬頻帶內(nèi)的輸入匹配。一個截止頻率為0.8 GHz的簡單高通濾波器由隔直電容C1和電感Ls組成。當工作頻率增加且gm1＞＞ωCgs1時，輸入阻抗Zin的實部近似由1/gm1決定，因此只要1/gm1=50 Ω，就可以實現(xiàn)共柵結(jié)構(gòu)中的寬帶輸入匹配。

1.1.1 噪聲消除技術(shù)

寬帶LNTA需要具有盡可能小的噪聲系數(shù)，圖4為寬帶LNA的噪聲消除簡化電路原理圖，采用共柵（CG）級M1提供輸入匹配，同時利用共源（CS）級M2來抵消共柵級的噪聲，M1產(chǎn)生的噪聲可以被共源級M2抵消，打破了輸入阻抗匹配和噪聲系數(shù)（NF）之間的折中關(guān)系，實現(xiàn)獨立的電路噪聲系數(shù)優(yōu)化。

為了分析噪聲消除原理，假設(shè)NMOS晶體管M1的主要噪聲來源是其溝道熱噪聲，并將其建模等效為電流源in1。一部分噪聲電流流入信號源內(nèi)阻Rs，同時流出到M1的負載電阻R1，在共柵晶體管M1的源極和漏極節(jié)點處產(chǎn)生2個相位相反、完全相關(guān)的噪聲電壓。在共柵級的輸出端，即節(jié)點A處，由M1引起的輸出噪聲電壓為Vn，A，在共源級的輸出端，即節(jié)點B處，由M1引起的輸出噪聲電壓為Vn，B，如果Vn，A=Vn，B，噪聲電壓在電路差分輸出端變?yōu)榱斯材Ｐ盘枺瑒t共柵晶體管M1的溝道熱噪聲貢獻可以被抵消。噪聲消除條件為R1=Rsgm2R2。

同時，信號源電壓？淄in經(jīng)過放大器輸入電阻的衰減之后，在節(jié)點A處實現(xiàn)同相放大，增益為gm1R1，并通過共源級實現(xiàn)反相放大，增益為-gm2R2。因此，當噪聲被完全消除，且輸入阻抗完全匹配時，放大后的信號輸出是平衡穩(wěn)定的。與單獨的共柵放大器單端輸出相比，此電路的增益增加了約一倍。信號電壓增益如下所示

因此，在CG-CS電路結(jié)構(gòu)中可以同時獲得噪聲消除、穩(wěn)定輸出和信號放大。

此外，電路阻抗匹配的條件為Zin=1/gm1=Rs。可以得出CG-CS噪聲抵消結(jié)構(gòu)的噪聲系數(shù)

1.1.2 PMOS電流鏡

本文采用PMOS電流鏡來實現(xiàn)放大和電流輸出功能，由M5—M12組成，并在PMOS電流鏡中加入串聯(lián)電感Lgg以提高電流鏡的高頻性能，擴展LNTA的工作帶寬。由圖5可知，引入電感Lgg不會影響電流鏡的電流傳輸增益，但改善了高頻特性，使電路的寬帶性能更好。

采用0.18 μm CMOS工藝對所設(shè)計的有源巴倫電流模式LNTA進行仿真。圖6顯示了S21的仿真結(jié)果，在0.8～7.5 GHz頻帶內(nèi)S21為16.5～18.1 dB，較優(yōu)的S21可以提高整個接收機的增益性能，且抑制后級的噪聲。從圖7可以看出，S11在整個頻帶內(nèi)小于-10 dB，有良好的寬帶輸入匹配特性。如圖8所示，該電路在頻帶內(nèi)的噪聲系數(shù)低于3.8 dB，表明該電路具有較好的噪聲性能，可以更好地適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境下智慧農(nóng)業(yè)無線通信射頻接收機設(shè)計要求。

1.2 無源混頻級的設(shè)計

面向智慧農(nóng)業(yè)無線通信應(yīng)用的直接下變頻接收機需解決的一個重要問題是閃爍噪聲。與有源混頻器相比較而言，無源混頻器的開關(guān)晶體管因沒有偏置電流可以降低閃爍噪聲。本文中，采用正交采樣混頻器拓撲結(jié)構(gòu)，通過50%占空比的正交LO信號實現(xiàn)25%占空比信號。25%占空比的LO信號設(shè)計方案在任意一個時間節(jié)點上可以提供I和Q電流路徑之間的隔離，并且25%占空比的增益比50%占空比高3 dB，從而有效防止轉(zhuǎn)換增益降低以及隨之而來的NF增大，同時節(jié)省了功耗。

1.2.1" 25%占空比本振（LO）信號產(chǎn)生電路

本文通過采用無源混頻器開關(guān)管邏輯“與”來提供25%占空比的LO信號，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的LO信號產(chǎn)生電路。具體來說，分別由50%占空比的I、Q 兩路本振信號驅(qū)動串聯(lián)結(jié)構(gòu)的開關(guān)管，實現(xiàn)I、Q脈沖無重疊的開關(guān)管切換混頻器。由于前一級與后一級電路分別采用了低噪聲跨導(dǎo)放大器負載阻抗增強技術(shù)和寬帶低輸入阻抗跨阻放大器，由正交采樣所導(dǎo)致的導(dǎo)通電阻的增加不會明顯影響接收機的性能。

圖9（a）為采用雙端射頻輸入的25%占空比開關(guān)混頻級。雙平衡拓撲具有抑制LO饋通以及降低LO電路生成噪聲的優(yōu)點。雙平衡結(jié)構(gòu)由于自混頻的減弱改善了IIP2性能。圖9（a）中的開關(guān)混頻級拓撲通過分別將具有1/4周期相對延遲的2個50%占空比的I、Q本振信號驅(qū)動串聯(lián)結(jié)構(gòu)的開關(guān)管進行邏輯“與”運算來實現(xiàn)25%的占空比。圖9（b）顯示了正交開關(guān)拓撲邏輯“與”運算的時序圖。混頻級選擇PMOS管作為開關(guān)晶體管，通過邏輯運算，在本振信號VLO為低電平即邏輯“0”時，PMOS晶體管導(dǎo)通，2個晶體管串聯(lián)相當于邏輯“與”，可以得到

由式（4）可知，由LOIP和LOQP控制的串聯(lián)結(jié)構(gòu)開關(guān)晶體管，只有在LOIP和LOQP均為低電壓時通路才導(dǎo)通，即僅在25%的本振周期內(nèi)導(dǎo)通，從而消除了50%占空比無源混頻級的I-Q串擾問題。此外，25%占空比開關(guān)混頻級的輸出端接有濾波電容C，使來自LNTA的射頻信號近似交流接地，也有利于向跨阻放大器注入中頻（IF）電流。

1.3 基帶跨阻放大級（TIA）的設(shè)計

智慧農(nóng)業(yè)無線通信射頻接收機中的跨阻放大級（TIA）將下變頻電流轉(zhuǎn)換為電壓，通過設(shè)置非常小的輸入阻抗使得電流型無源混頻器正常工作。TIA設(shè)計的關(guān)鍵是在不消耗過多功耗的情況下實現(xiàn)高增益、寬帶寬以及保持低輸入阻抗。傳統(tǒng)的解決方案采用具有密勒補償和調(diào)零電阻的兩級運算跨導(dǎo)放大器（OTA），為了獲得TIA低輸入阻抗，OTA需要消耗大量的功耗來實現(xiàn)大的增益帶寬積（GBW），同時保持閉環(huán)穩(wěn)定性。此外，Miller補償方法會降低TIA的單位增益頻率，TIA輸入阻抗表現(xiàn)出電感特性，使得由帶外干擾導(dǎo)致的信號擺幅增加。

本文采用共柵結(jié)構(gòu)跨阻放大器（CG-TIA）。典型的CG-TIA如圖10所示，混頻后的電流流入共柵CMOS晶體管M1、M2的源極，然后通過負載電阻R1、R2轉(zhuǎn)換成中頻（IF）電壓輸出。但是圖10所示的常規(guī)CG-TIA電路結(jié)構(gòu)的輸入阻抗較大，由于其輸入阻抗是由CMOS晶體管的跨導(dǎo)提供的，其表達式為1/gm1，如果想要較小的輸入阻抗，需要設(shè)計很大的跨導(dǎo)gm1，這在實際設(shè)計過程中很難實現(xiàn)。另外，利用共柵電路將電流轉(zhuǎn)換為中頻電壓，跨阻增益為負載電阻阻值RL。由于RL的引入會對電壓裕度消耗很大，電路線性度變差，因此負載電阻RL無法選擇較大的值，而過小的RL會導(dǎo)致跨阻增益大幅下降。

1.3.1 跨導(dǎo)增強技術(shù)的共柵跨阻放大級

基于以上問題分析，本文設(shè)計了一種具有跨導(dǎo)增強（gm-boosting）結(jié)構(gòu)的CG-TIA，由主運算放大器、輔助運算放大器DP、DN和共模反饋電路A1組成，如圖11所示。引入輔助放大器形成跨導(dǎo)增強（gm-boosting）結(jié)構(gòu)，提高輸入晶體管的等效跨導(dǎo)，從而降低輸入阻抗，進一步提高了電流利用效率和端口隔離度。同時，共柵跨阻放大器的負載采用跨導(dǎo)增強（gm-boosting） PMOS晶體管以提高線性度和電壓裕度，且較大的輸出阻抗有助于提高跨阻增益。DP、DN為電流復(fù)用折疊式共源共柵輔助運算放大器，A1可以保持電路靜態(tài)工作點穩(wěn)定。

gm-boosting的原理如圖12所示，輔助放大器的輸入信號為晶體管M1的源極電壓，輔助放大器的增益為Av，放大器的輸出信號控制M1的柵極。假設(shè)M1源極的交流電壓變化為vin，通過輔助運算放大器將其放大為A？淄？淄in，則M1柵極、源極之間的電壓表示為

因此，gm-boosting技術(shù)可以降低等效輸入阻抗，提高從混頻級到TIA級的電流利用效率。同時還可以增大PMOS共源共柵級聯(lián)結(jié)構(gòu)的中頻輸出阻抗，從而提高跨阻放大級的增益。對于TIA電路，需要分別為NMOS晶體管M1、M2和PMOS晶體管M5、M6設(shè)計輔助放大器。PMOS模式輔助放大器DP的增益為Ap， NMOS模式輔助放大器DN的增益為An。在圖11中，無輔助放大器的跨阻放大級的輸出阻抗可以表示為

式中：Ap為（1+N）gmdp1a[gmdp7ro7dp（ro１adp||ro３adp）||gmdp９ro９dpro11dp]，gmdp1a為DPM1a的跨導(dǎo)，gmdp7，gmdp9分別為DPM7、DPM9的跨導(dǎo)，ro1adp，ro３adp，ro７dp，ro９dp，ro11dp分別為DPM1a、DPM3a、DPM7、DPM9、DPM11的輸出電阻；An為（1+N）gmdn1a[gmdn７ro７dn（ro１adn||ro3adn）||gmdn9ro9dnro11dn]，其中g(shù)mdn1a為DNM1a的跨導(dǎo)，gmdn7，gmdn9分別為DNM7、DNM9的跨導(dǎo)，ro1adn，ro3adn，ro7dn，ro9dn，ro11dn分別為DNM1a、DNM3a、DNM7、DNM9、DNM11的輸出電阻。Gm，LNTA為低噪聲跨導(dǎo)放大器的跨導(dǎo)增益。

1.3.2" 輔助運算放大器電路分析

如圖13所示，輔助運算放大器DP和DN可以采用電流復(fù)用折疊式共源共柵運放電路結(jié)構(gòu)。輔助運算放大器DP的輸入晶體管DPM1a、DPM1b、DPM2a、DPM2b與TIA主放大器中的輸入晶體管M1、M2的源極相連，TIA主放大器的信號被輔助運算放大器DP放大，然后流入M1和M2的柵極。DP為工作在飽和區(qū)域的M1和M2提供偏置電壓，因此不需要太大的輸出擺幅。如圖13所示，DN的電路結(jié)構(gòu)與DP的電路結(jié)構(gòu)相似。

以DP為例，其中輸入晶體管DPM1a、DPM1b（或DPM2a、DPM2b）尺寸相等，N為電流鏡DPM3a（或DPM4a）和DPM3b（或DPM4b）的尺寸比例，與傳統(tǒng)的折疊式共源共柵運放相比，通過引入電流復(fù)用技術(shù)，電路跨導(dǎo)增大了（1+N）/2倍。經(jīng)過仿真分析，考慮電路系統(tǒng)穩(wěn)定性，N取較優(yōu)值為3。

圖14為輔助運算放大器DP中由晶體管DPM4a、DPM4b組成的電流復(fù)用電流鏡電路的小信號等效電路圖，由圖14分析可得

由上面3個公式，可得出電流復(fù)用電流鏡的電流傳輸表達式為

系統(tǒng)零點為ωz=-1/RCgsdp4b，當滿足ωz=ω′p2時，可得出合適的R值R=（N+1）/gmdp4b，使得系統(tǒng)的零點取消新的第一非主極點，此時電路的非主極點仍然是傳統(tǒng)的折疊式共源共柵運放結(jié)構(gòu)中DPM8（DPM10）源極處所產(chǎn)生的極點。因此為了實現(xiàn)在不增加功耗的情況下提高輔助運放的工作帶寬，取合適的電阻R值，可以取消因引入電流復(fù)用電流鏡所產(chǎn)生的新增第一非主極點，提高了輔助運放的相位裕度和帶寬。

1.3.3" 跨阻放大級零極點分析

為了便于分析，將跨阻放大級（圖11）的主電路視為包含2個極點的傳輸系統(tǒng)，傳輸函數(shù)為

跨導(dǎo)增強技術(shù)中引入的輔助運算放大器電路視為包含一個極點的傳輸系統(tǒng)，傳輸函數(shù)為

加入跨導(dǎo)增強技術(shù)輔助運放的共柵跨阻放大級總電路的傳輸函數(shù)可表示為

式中：Am0為共柵跨阻放大級（圖11）主電路的低頻直流增益，Ab0為跨導(dǎo)增強技術(shù)輔助運放的低頻直流增益，ω1是共柵跨阻放大級主電路的主極點，由TIA電路的輸出電阻與輸出負載電容決定，ω2是TIA主電路的非主極點，由晶體管M1（M2）的源端所產(chǎn)生的寄生電容決定。ω3是由輔助運算放大器的輸出電阻與輸出負載電容決定。

共柵跨阻放大級主電路的單位增益帶寬附近由于引入跨導(dǎo)增強技術(shù)輔助運放會產(chǎn)生零極點對，為了提高TIA在高頻處的穩(wěn)定性，在輔助運放輸出端加入補償電容C1、C2，如圖11所示，使得輔助運放產(chǎn)生的零點抵消極點，從而降低由輔助運放產(chǎn)生的零極點對TIA相位頻率特性的影響。零點抵消極點之后的跨阻放大級總電路的傳輸函數(shù)可表示為

式（20）和式（15）對比可知，加入輔助運放后，增益增大了Ab0倍，跨阻放大級電路的非主極點未變，不會影響整個電路的相位頻率特性。

根據(jù)以上分析，設(shè)計的基于gm-boosting技術(shù)的TIA增大了輸入晶體管的等效跨導(dǎo)，從而實現(xiàn)低輸入阻抗，TIA可以盡可能多地吸收來自混頻級的中頻（IF）電流，電流利用率大大提升。同時，使得TIA輸入端的電壓波動小，減少了中頻信號向LNTA輸出端的饋通，電路線性度和端口隔離度得到改善。此外，gm-boosting結(jié)構(gòu)增加了跨阻放大級的輸出阻抗，提高了TIA的轉(zhuǎn)換增益。

2" 仿真與分析

本文采用TSMC 0.18 μm射頻工藝設(shè)計了應(yīng)用于智慧農(nóng)業(yè)無線通信的電流模式直接下變頻射頻接收機前端電路，并在Spectre射頻仿真器上驗證了其性能。在1.8 V電源電壓下，電路能夠穩(wěn)定工作在0.8～5.2 GHz頻率范圍內(nèi)。當本振頻率為0.8、1.1、2.5、4和5 GHz時，接收機前端電路的轉(zhuǎn)換增益在33.5～35.1 dB之間，達到較高的轉(zhuǎn)換增益，如圖15所示。根據(jù)圖16仿真曲線可知在較寬的工作頻帶內(nèi)增益波動小于2 dB，RF接收機前端電路實現(xiàn)平穩(wěn)放大。圖17和圖18顯示了噪聲系數(shù)（NF）的仿真結(jié)果，0.8～5.2 GHz頻帶內(nèi)噪聲系數(shù)約為7.9～9.28 dB，NF最小值是在本振頻率為1.5 GHz時獲得。RF接收機前端電路的IIP3在本振頻率為2.53 GHz時其值為8.74 dBm，仿真結(jié)果如圖19所示，在工作頻帶內(nèi)IIP3為7.82～9.93 dBm，如圖20所示，表現(xiàn)出較優(yōu)的線性度。設(shè)計的前端電路功耗為24.6 mW。由于整個電流模式射頻接收機前端電路由三級電路結(jié)構(gòu)組成，其較高的電路增益會有利于減弱增益、噪聲系數(shù)的波動。

在表1中，a標注表示文獻[6]中仿真的是輸出三階交調(diào)OIP3性能參數(shù)；b標注表示文獻[7]中的增益仿真結(jié)果除了低噪聲放大器和混頻器，也包含了低通濾波器和可編程增益放大器產(chǎn)生的增益；c標注表示文獻[9]中電路工作在本振諧波抑制的fLO轉(zhuǎn)換模式（DBMamp;HR）下的仿真結(jié)果；d標注表示文獻[9]中電路工作在本振諧波抑制的2fLO轉(zhuǎn)換模式（SHM）下的仿真結(jié)果。

由表1可知，本文與其他已發(fā)表的相關(guān)研究相比，在較低的功耗下，電路的帶寬、增益和線性度性能有較大提升。可以兼容智慧農(nóng)業(yè)中3G/4G/5G、LoRa、NB-IOT、ZigBee、Wi-Fi、藍牙（Bluetooth）和RFID等多種通信協(xié)議應(yīng)用，滿足設(shè)備集約化、低成本的需求。在復(fù)雜多變的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中，面對不同的地域、氣候、作物種類等因素差異，較優(yōu)的增益和線性度可以更好地接收、處理微弱信號，提高信號的保真度和穩(wěn)定性。

3" 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種面向智慧農(nóng)業(yè)無線通信的寬帶（0.8～5.2 GHz） CMOS電流模式直接下變頻射頻接收機前端電路，由低噪聲跨導(dǎo)放大器（LNTA）、無源混頻器和跨阻放大器（TIA）組成。共柵-共源（CG-CS）并聯(lián)結(jié)構(gòu)的LNTA采用了噪聲失真消除技術(shù)和電流鏡技術(shù)。無源混頻器是一種正交混頻器結(jié)構(gòu)，采用25%占空比的正交本振（LO）信號來避免IQ相互串擾問題，從而避免線性度和噪聲性能的惡化。跨阻放大器（TIA）通過跨導(dǎo)增強（gm-boosting）技術(shù)實現(xiàn)低輸入阻抗和較高增益。仿真結(jié)果表明，當電源電壓為1.8V時，在0.8～5.2 GHz工作頻帶內(nèi)，射頻接收機前端電路實現(xiàn)了約33.5 dB～35.1 dB的增益。輸入三階交調(diào)IIP3為7.82～9.93 dBm，噪聲系數(shù)NF為7.9～9.28 dB，功耗為24.6 mW。所設(shè)計的高性能接收機前端電路可廣泛應(yīng)用于智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)各類多模多頻無線通信的設(shè)備電路中，助力農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的信息化、集約化、自動化、智能化升級，有利于提高生產(chǎn)效率、優(yōu)化資源利用、提升農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)、降低人力成本、增強環(huán)境可持續(xù)性，推動農(nóng)業(yè)新質(zhì)生產(chǎn)力加快發(fā)展。

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基金項目：廣西高校中青年教師（科研）基礎(chǔ)能力提升項目“CMOS電流模式射頻接收機前端電路的設(shè)計與研究”（2022KY1012）

第一作者簡介：陳新菡（1990-），女，碩士，講師。研究方向為模擬集成電路設(shè)計，電子與通信工程。