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(dòng)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(guò)大量農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的收集、傳輸、分析和處理，實(shí)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(wú)線通信設(shè)備低成本、小型化、兼容多種通信協(xié)議、信號(hào)高保真度和低功耗的發(fā)展需求，針對(duì)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(lán)牙（Bluetooth）和RFID等通信協(xié)議應(yīng)用，設(shè)計(jì)一款可以兼容上述多種頻段、多種模式無(wú)線通信的寬帶（0.8～5.2 GHz）射頻信號(hào)接收機(jī)前端電路?；?.18 μm CMOS設(shè)計(jì)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(wú)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(duì)帶外干擾的魯棒性。通過(guò)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(lái)實(shí)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(hào)驅(qū)動(dòng)的開(kāi)關(guān)管串聯(lián)實(shí)現(xiàn)的25%占空比開(kāi)關(guān)混頻級(jí)，與50%占空比開(kāi)關(guān)混頻級(jí)相比，下變頻增益提高3 dB，降低噪聲系數(shù)?？缱璺糯笃鞑捎每鐚?dǎo)增強(qiáng)技術(shù)實(shí)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(jì)的核心電路（射頻和基帶信號(hào)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(diǎn)IIP3為7.82～9.93 dBm。設(shè)計(jì)的高性能接收機(jī)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(wú)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(dòng)化和智能化升級(jí)。

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

中圖分類號(hào)：TN402 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " "文章編號(hào)：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(jìn)步，農(nóng)業(yè)發(fā)展正逐步從傳統(tǒng)的機(jī)械化生產(chǎn)向智慧化升級(jí)。智慧農(nóng)業(yè)是將現(xiàn)代信息技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、災(zāi)變預(yù)警、可視化遠(yuǎn)程診斷和智能決策等，從而助力高效化、自動(dòng)化、信息化和智能化農(nóng)業(yè)高水平管理。無(wú)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(zhǔn)確、有效的信息傳輸和信號(hào)反饋可以確保農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高質(zhì)高效發(fā)展。實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)之間無(wú)線通信的信號(hào)發(fā)射和信號(hào)接收設(shè)備在數(shù)字智能化升級(jí)中發(fā)揮著核心作用（圖1）。針對(duì)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(lán)牙（Bluetooth）和射頻識(shí)別（RFID）等多種不同通信協(xié)議應(yīng)用，射頻（RF）信號(hào)接收機(jī)前端電路的設(shè)計(jì)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(gè)無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)頻段，實(shí)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(jī)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(shí)際工作環(huán)境狀況選擇切換至合適的通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)自由、快速、便捷通信，更好地滿足智慧農(nóng)業(yè)無(wú)線通信設(shè)備低成本、小型化、兼容多種通信協(xié)議、信號(hào)高保真度、低功耗的發(fā)展需求。

在智慧農(nóng)業(yè)無(wú)線通信接收設(shè)備的集成電路設(shè)計(jì)中，傳統(tǒng)的電壓模式寬帶射頻（RF）接收機(jī)采用低噪聲放大器（LNA） +有源混頻器（Mixer）的結(jié)構(gòu)，射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)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(kāi)關(guān)管中由偏置電流所產(chǎn)生的噪聲會(huì)惡化整個(gè)接收機(jī)的噪聲性能。電流模式（低噪聲跨導(dǎo)放大器+無(wú)源混頻開(kāi)關(guān)級(jí)+跨阻放大器）射頻接收機(jī)前端電路結(jié)構(gòu)可以在較寬頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)較高的增益、線性度，較低的噪聲和功耗。國(guó)內(nèi)外關(guān)于寬帶電流模式RF接收機(jī)前端電路性能優(yōu)化的研究設(shè)計(jì)一直在進(jìn)行中。Das等[1]在2020年研究設(shè)計(jì)了一款四相無(wú)源混頻器輸入射頻接收機(jī)，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(gè)晶體管將電流復(fù)用與交叉耦合跨導(dǎo)增強(qiáng)相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)在低功耗下降低噪聲系數(shù)（NF）。2022年，Razavi等[2]設(shè)計(jì)的寬帶射頻接收機(jī)采用嵌套反饋多環(huán)路電路結(jié)構(gòu)來(lái)改善噪聲和線性度之間的性能折中平衡，通過(guò)在基帶運(yùn)放電路中加入密勒電容來(lái)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(jī)研究中采用互補(bǔ)型電阻反饋調(diào)諧LNA，通過(guò)引入電阻陣列來(lái)調(diào)節(jié)跨阻放大器（TIA）的增益，實(shí)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(duì)抗阻塞混頻器輸入射頻接收機(jī)中的二階跨阻放大器進(jìn)行研究，采用一個(gè)運(yùn)算放大器消除TIA輸出傳遞函數(shù)的低頻零點(diǎn)，利用二階濾波來(lái)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(jī)工作頻率為1～7 GHz，帶外IIP3為+31.1 dBm，帶外1 dB壓縮點(diǎn)為+11.8 dBm。2024年，王鑫華等[5]設(shè)計(jì)了一種0.1～4 GHz寬帶抗干擾射頻接收機(jī)，針對(duì)直接下變頻接收機(jī)電路結(jié)構(gòu)存在的干擾問(wèn)題，增加了連續(xù)可調(diào)的電流注入式直流失調(diào)校準(zhǔn)電路以及無(wú)源混頻開(kāi)關(guān)管本振相位調(diào)節(jié)校準(zhǔn)。

為了達(dá)到較高的性能要求，本文采用電流模式來(lái)設(shè)計(jì)面向智慧農(nóng)業(yè)多模式多頻段無(wú)線通信應(yīng)用的寬帶射頻接收機(jī)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(dòng)電流模式無(wú)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(hào)被發(fā)送至低噪聲跨導(dǎo)放大器，LNTA的設(shè)計(jì)需要考慮輸入阻抗、跨導(dǎo)增益、噪聲和負(fù)載阻抗之間的性能折中平衡。同時(shí)，LNTA將從天線接收的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)并發(fā)送到電流模式無(wú)源混頻開(kāi)關(guān)級(jí)。由于電流模式無(wú)源混頻開(kāi)關(guān)級(jí)沒(méi)有靜態(tài)電流，該電路結(jié)構(gòu)的閃爍噪聲會(huì)顯著降低。經(jīng)過(guò)混頻、濾波后，信號(hào)電流進(jìn)入TIA進(jìn)行電流-電壓轉(zhuǎn)換和中頻信號(hào)放大。下變頻之后的TIA電路可以通過(guò)增加其器件尺寸來(lái)減少閃爍噪聲，并通過(guò)消耗更多電流來(lái)減少熱噪聲，進(jìn)一步優(yōu)化噪聲性能。對(duì)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(wú)源混頻器存在的因大電壓擺幅造成失真問(wèn)題，本文的電路結(jié)構(gòu)采用TIA虛地設(shè)計(jì)從而大幅度降低了線性度的失真。

1" 電路設(shè)計(jì)

1.1" 低噪聲跨導(dǎo)放大級(jí)（LNTA）的設(shè)計(jì)

在面向智慧農(nóng)業(yè)無(wú)線通信應(yīng)用的射頻接收機(jī)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(gè)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(lái)抑制襯底噪聲、寄生耦合和提高動(dòng)態(tài)范圍，因此本文設(shè)計(jì)了一種帶有有源巴倫的寬帶低噪聲跨導(dǎo)放大級(jí)實(shí)現(xiàn)單端信號(hào)輸入、全差分輸出（圖3）。

電壓模式LNA中存在的高阻抗節(jié)點(diǎn)會(huì)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(jì)了電流模式LNTA，該電路結(jié)構(gòu)的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)阻抗和電壓擺幅較小，因此對(duì)電壓裕度的要求較低。所設(shè)計(jì)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(jí)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(jí)提供寬帶匹配。由共柵輸入結(jié)構(gòu)的小信號(hào)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(guò)調(diào)整M1的寬長(zhǎng)比及其偏置電流，可實(shí)現(xiàn)很寬頻帶內(nèi)的輸入匹配。一個(gè)截止頻率為0.8 GHz的簡(jiǎn)單高通濾波器由隔直電容C1和電感Ls組成。當(dāng)工作頻率增加且gm1＞＞ωCgs1時(shí)，輸入阻抗Zin的實(shí)部近似由1/gm1決定，因此只要1/gm1=50 Ω，就可以實(shí)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(jiǎn)化電路原理圖，采用共柵（CG）級(jí)M1提供輸入匹配，同時(shí)利用共源（CS）級(jí)M2來(lái)抵消共柵級(jí)的噪聲，M1產(chǎn)生的噪聲可以被共源級(jí)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(shí)現(xiàn)獨(dú)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(lái)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(hào)源內(nèi)阻Rs，同時(shí)流出到M1的負(fù)載電阻R1，在共柵晶體管M1的源極和漏極節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生2個(gè)相位相反、完全相關(guān)的噪聲電壓。在共柵級(jí)的輸出端，即節(jié)點(diǎn)A處，由M1引起的輸出噪聲電壓為Vn，A，在共源級(jí)的輸出端，即節(jié)點(diǎn)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?hào)，則共柵晶體管M1的溝道熱噪聲貢獻(xiàn)可以被抵消。噪聲消除條件為R1=Rsgm2R2。

同時(shí)，信號(hào)源電壓？淄in經(jīng)過(guò)放大器輸入電阻的衰減之后，在節(jié)點(diǎn)A處實(shí)現(xiàn)同相放大，增益為gm1R1，并通過(guò)共源級(jí)實(shí)現(xiàn)反相放大，增益為-gm2R2。因此，當(dāng)噪聲被完全消除，且輸入阻抗完全匹配時(shí)，放大后的信號(hào)輸出是平衡穩(wěn)定的。與單獨(dú)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(hào)電壓增益如下所示

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

此外，電路阻抗匹配的條件為Zin=1/gm1=Rs?？梢缘贸鯟G-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(lái)實(shí)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(kuò)展LNTA的工作帶寬。由圖5可知，引入電感Lgg不會(huì)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(duì)所設(shè)計(jì)的有源巴倫電流模式LNTA進(jìn)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(gè)接收機(jī)的增益性能，且抑制后級(jí)的噪聲。從圖7可以看出，S11在整個(gè)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(wú)線通信射頻接收機(jī)設(shè)計(jì)要求。

1.2 無(wú)源混頻級(jí)的設(shè)計(jì)

面向智慧農(nóng)業(yè)無(wú)線通信應(yīng)用的直接下變頻接收機(jī)需解決的一個(gè)重要問(wèn)題是閃爍噪聲。與有源混頻器相比較而言，無(wú)源混頻器的開(kāi)關(guān)晶體管因沒(méi)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)50%占空比的正交LO信號(hào)實(shí)現(xiàn)25%占空比信號(hào)。25%占空比的LO信號(hào)設(shè)計(jì)方案在任意一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)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(lái)的NF增大，同時(shí)節(jié)省了功耗。

1.2.1" 25%占空比本振（LO）信號(hào)產(chǎn)生電路

本文通過(guò)采用無(wú)源混頻器開(kāi)關(guān)管邏輯“與”來(lái)提供25%占空比的LO信號(hào)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的LO信號(hào)產(chǎn)生電路。具體來(lái)說(shuō)，分別由50%占空比的I、Q 兩路本振信號(hào)驅(qū)動(dòng)串聯(lián)結(jié)構(gòu)的開(kāi)關(guān)管，實(shí)現(xiàn)I、Q脈沖無(wú)重疊的開(kāi)關(guān)管切換混頻器。由于前一級(jí)與后一級(jí)電路分別采用了低噪聲跨導(dǎo)放大器負(fù)載阻抗增強(qiáng)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(huì)明顯影響接收機(jī)的性能。

圖9（a）為采用雙端射頻輸入的25%占空比開(kāi)關(guān)混頻級(jí)。雙平衡拓?fù)渚哂幸种芁O饋通以及降低LO電路生成噪聲的優(yōu)點(diǎn)。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(kāi)關(guān)混頻級(jí)拓?fù)渫ㄟ^(guò)分別將具有1/4周期相對(duì)延遲的2個(gè)50%占空比的I、Q本振信號(hào)驅(qū)動(dòng)串聯(lián)結(jié)構(gòu)的開(kāi)關(guān)管進(jìn)行邏輯“與”運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)25%的占空比。圖9（b）顯示了正交開(kāi)關(guān)拓?fù)溥壿嫛芭c”運(yùn)算的時(shí)序圖?；祛l級(jí)選擇PMOS管作為開(kāi)關(guān)晶體管，通過(guò)邏輯運(yùn)算，在本振信號(hào)VLO為低電平即邏輯“0”時(shí)，PMOS晶體管導(dǎo)通，2個(gè)晶體管串聯(lián)相當(dāng)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(kāi)關(guān)晶體管，只有在LOIP和LOQP均為低電壓時(shí)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(wú)源混頻級(jí)的I-Q串?dāng)_問(wèn)題。此外，25%占空比開(kāi)關(guān)混頻級(jí)的輸出端接有濾波電容C，使來(lái)自LNTA的射頻信號(hào)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(jí)（TIA）的設(shè)計(jì)

智慧農(nóng)業(yè)無(wú)線通信射頻接收機(jī)中的跨阻放大級(jí)（TIA）將下變頻電流轉(zhuǎn)換為電壓，通過(guò)設(shè)置非常小的輸入阻抗使得電流型無(wú)源混頻器正常工作。TIA設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是在不消耗過(guò)多功耗的情況下實(shí)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(bǔ)償和調(diào)零電阻的兩級(jí)運(yùn)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(lái)實(shí)現(xiàn)大的增益帶寬積（GBW），同時(shí)保持閉環(huán)穩(wěn)定性。此外，Miller補(bǔ)償方法會(huì)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(hào)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(guò)負(fù)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(dá)式為1/gm1，如果想要較小的輸入阻抗，需要設(shè)計(jì)很大的跨導(dǎo)gm1，這在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中很難實(shí)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(fù)載電阻阻值RL。由于RL的引入會(huì)對(duì)電壓裕度消耗很大，電路線性度變差，因此負(fù)載電阻RL無(wú)法選擇較大的值，而過(guò)小的RL會(huì)導(dǎo)致跨阻增益大幅下降。

1.3.1 跨導(dǎo)增強(qiáng)技術(shù)的共柵跨阻放大級(jí)

基于以上問(wèn)題分析，本文設(shè)計(jì)了一種具有跨導(dǎo)增強(qiáng)（gm-boosting）結(jié)構(gòu)的CG-TIA，由主運(yùn)算放大器、輔助運(yùn)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(qiáng)（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(jìn)一步提高了電流利用效率和端口隔離度。同時(shí)，共柵跨阻放大器的負(fù)載采用跨導(dǎo)增強(qiáng)（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(yùn)算放大器，A1可以保持電路靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定。

gm-boosting的原理如圖12所示，輔助放大器的輸入信號(hào)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(hào)控制M1的柵極。假設(shè)M1源極的交流電壓變化為vin，通過(guò)輔助運(yùn)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(jí)到TIA級(jí)的電流利用效率。同時(shí)還可以增大PMOS共源共柵級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的中頻輸出阻抗，從而提高跨阻放大級(jí)的增益。對(duì)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(jì)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(wú)輔助放大器的跨阻放大級(jí)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(yùn)算放大器電路分析

如圖13所示，輔助運(yùn)算放大器DP和DN可以采用電流復(fù)用折疊式共源共柵運(yùn)放電路結(jié)構(gòu)。輔助運(yùn)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(hào)被輔助運(yùn)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(yùn)放相比，通過(guò)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(guò)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(yùn)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(hào)等效電路圖，由圖14分析可得

由上面3個(gè)公式，可得出電流復(fù)用電流鏡的電流傳輸表達(dá)式為

系統(tǒng)零點(diǎn)為ωz=-1/RCgsdp4b，當(dāng)滿足ωz=ω′p2時(shí)，可得出合適的R值R=（N+1）/gmdp4b，使得系統(tǒng)的零點(diǎn)取消新的第一非主極點(diǎn)，此時(shí)電路的非主極點(diǎn)仍然是傳統(tǒng)的折疊式共源共柵運(yùn)放結(jié)構(gòu)中DPM8（DPM10）源極處所產(chǎn)生的極點(diǎn)。因此為了實(shí)現(xiàn)在不增加功耗的情況下提高輔助運(yùn)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(diǎn)，提高了輔助運(yùn)放的相位裕度和帶寬。

1.3.3" 跨阻放大級(jí)零極點(diǎn)分析

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

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

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

式中：Am0為共柵跨阻放大級(jí)（圖11）主電路的低頻直流增益，Ab0為跨導(dǎo)增強(qiáng)技術(shù)輔助運(yùn)放的低頻直流增益，ω1是共柵跨阻放大級(jí)主電路的主極點(diǎn)，由TIA電路的輸出電阻與輸出負(fù)載電容決定，ω2是TIA主電路的非主極點(diǎn)，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(yùn)算放大器的輸出電阻與輸出負(fù)載電容決定。

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

式（20）和式（15）對(duì)比可知，加入輔助運(yùn)放后，增益增大了Ab0倍，跨阻放大級(jí)電路的非主極點(diǎn)未變，不會(huì)影響整個(gè)電路的相位頻率特性。

根據(jù)以上分析，設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)低輸入阻抗，TIA可以盡可能多地吸收來(lái)自混頻級(jí)的中頻（IF）電流，電流利用率大大提升。同時(shí)，使得TIA輸入端的電壓波動(dòng)小，減少了中頻信號(hào)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(jí)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(jì)了應(yīng)用于智慧農(nóng)業(yè)無(wú)線通信的電流模式直接下變頻射頻接收機(jī)前端電路，并在Spectre射頻仿真器上驗(yàn)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(dāng)本振頻率為0.8、1.1、2.5、4和5 GHz時(shí)，接收機(jī)前端電路的轉(zhuǎn)換增益在33.5～35.1 dB之間，達(dá)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(dòng)小于2 dB，RF接收機(jī)前端電路實(shí)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(shí)獲得。RF接收機(jī)前端電路的IIP3在本振頻率為2.53 GHz時(shí)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(jì)的前端電路功耗為24.6 mW。由于整個(gè)電流模式射頻接收機(jī)前端電路由三級(jí)電路結(jié)構(gòu)組成，其較高的電路增益會(huì)有利于減弱增益、噪聲系數(shù)的波動(dòng)。

在表1中，a標(biāo)注表示文獻(xiàn)[6]中仿真的是輸出三階交調(diào)OIP3性能參數(shù)；b標(biāo)注表示文獻(xiàn)[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(biāo)注表示文獻(xiàn)[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(biāo)注表示文獻(xiàn)[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?？梢约嫒葜腔坜r(nóng)業(yè)中3G/4G/5G、LoRa、NB-IOT、ZigBee、Wi-Fi、藍(lán)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(duì)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(hào)，提高信號(hào)的保真度和穩(wěn)定性。

3" 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種面向智慧農(nóng)業(yè)無(wú)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(jī)前端電路，由低噪聲跨導(dǎo)放大器（LNTA）、無(wú)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(wú)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(hào)來(lái)避免IQ相互串?dāng)_問(wèn)題，從而避免線性度和噪聲性能的惡化?？缱璺糯笃鳎═IA）通過(guò)跨導(dǎo)增強(qiáng)（gm-boosting）技術(shù)實(shí)現(xiàn)低輸入阻抗和較高增益。仿真結(jié)果表明，當(dāng)電源電壓為1.8V時(shí)，在0.8～5.2 GHz工作頻帶內(nèi)，射頻接收機(jī)前端電路實(shí)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(jì)的高性能接收機(jī)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(wú)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(dòng)化、智能化升級(jí)，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(qiáng)環(huán)境可持續(xù)性，推動(dòng)農(nóng)業(yè)新質(zhì)生產(chǎn)力加快發(fā)展。

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

第一作者簡(jiǎn)介：陳新菡（1990-），女，碩士，講師。研究方向?yàn)槟M集成電路設(shè)計(jì)，電子與通信工程。