基于CMOS的電子傳感接收電路的設(shè)計與實現(xiàn)

邱小群++張鋼

摘 要： 當前電子傳感接收電路具有能耗高、性能參數(shù)不符合要求的弊端。為此，設(shè)計一種新的基于CMOS的電子傳感接收電路，并介紹了電子傳感接收電路設(shè)計方案。依據(jù)設(shè)計方案，選用源級負反饋電感匹配結(jié)構(gòu)對低噪聲放大器的基本電路結(jié)構(gòu)進行設(shè)計；為達到性能指標和降低功耗，混頻器電路結(jié)構(gòu)選用無源雙平衡混頻器結(jié)構(gòu)；為了降低整個電子傳感接收電路的能耗，令無源雙平衡混頻器的開關(guān)MOS管在無電流偏置的情況下運行。給出了復(fù)數(shù)濾波器設(shè)計的基本思想，通過反饋系統(tǒng)對編程增益放大器的增益進行管理，實現(xiàn)可編程放大器的設(shè)計。實驗結(jié)果表明，所設(shè)計電路性能符合設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞： CMOS； 電子傳感接收電路； 復(fù)數(shù)濾波器； 無源雙平衡混頻器； 編程增益放大器

中圖分類號： TN99?34； TP393 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）18?0124?03

Design and implementation electronic sensing receiving circuit based on CMOS

QIU Xiaoqun1， ZHANG Gang2

（1. School of Electronic and Information Engineering， Zhuhai City Polytechnic， Zhuhai 519090， China；

2. School of Automation， Guangdong University of Technology， Guangzhou 510006， China）

Abstract： The current electronic sensing receiving circuit has high energy consumption， and its performance parameters can′t meet the design requirements. Therefore， a new electronic sensing receiving circuit based on CMOS was designed. Its design scheme is introduced in this paper. According to this design scheme， the source?level negative feedback inductance matching structure is selected to design the basic circuit structure of the low?noise amplifier. In order to reach the performance index and reduce the power consumption， the structure of passive double balanced mixer is chosen for the circuit structure of mixer. For reducing the energy consumption of the whole electronic sensing receiving circuit， the switch MOS tube of passive double balanced mixer operates without current bias. The basic design thought of complex filter is given. The gain of the programmable gain amplifier is controlled by feedback system to realize the design of programmable amplifier. The experimental results show that the circuit performance meets the design requirements.

Keywords： CMOS； electronic sensing receiving circuit； complex filter； passive double balanced mixer； programmable gain amplifier

隨著科技的逐漸發(fā)展，無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于軍事、醫(yī)療和工業(yè)等領(lǐng)域。而電子傳感接收電路是整個無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的重要模塊，對整個系統(tǒng)的性能指標產(chǎn)生直接影響[1]。因此，設(shè)計一種有效的電子傳感接收電路具有重要意義。

1 基于CMOS的電子傳感接收電路的設(shè)計與實現(xiàn)

1.1 電子傳感接收電路設(shè)計方案

電子傳感接收電路的基本思想如下：低頻信號經(jīng)天線和濾波處理后，通過低噪聲放大器完成對其的放大處理，利用Mixer混頻和下變頻對中頻信號進行采集 [2]。與一般的接收電路相比，電子傳感接收電路結(jié)構(gòu)需對對應(yīng)鏡象頻率干擾進行濾除，通常情況下，低中頻信號經(jīng)下變頻后被引入復(fù)數(shù)濾波器，其不僅可實現(xiàn)鏡象干擾的濾除，還可準確判斷有用信道。然后經(jīng)自動增益調(diào)控把信號保持在解調(diào)器所需功率值范圍內(nèi)，通過A/D轉(zhuǎn)化完成對其的基帶處理。

本節(jié)選用低中頻電子傳感接收電路結(jié)構(gòu)，其將中頻頻率設(shè)計在較低的頻率上，濾除噪聲、失真和偏移等干擾，結(jié)構(gòu)較為簡單，易于集成，能夠達到接收電路前端與基帶處理集成的目的[3]，被廣泛應(yīng)用于各種通信系統(tǒng)中。

1.2 CMOS低噪聲放大器的基本電路結(jié)構(gòu)設(shè)計

依據(jù)設(shè)計方案，本節(jié)選用源級負反饋電感匹配結(jié)構(gòu)對CMOS低噪聲放大器的基本電路結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，設(shè)計的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。endprint

圖1 低噪聲放大器基本電路

圖1中，NM3與NM1構(gòu)成了電流鏡，為NM1提供偏置電流。為了降低能耗，在設(shè)計時令NM3的寬度[4]低于NM1。Rb的阻值相對較大，能夠大大降低電阻的等效噪聲電流；Cg代表隔直電容；Ls不僅能夠和輸入阻抗匹配，還能夠與Lg和輸入端的等效電容結(jié)合在一起構(gòu)成輸入諧振網(wǎng)絡(luò)；Ld與輸出端的等效電容CL諧振，也可將其看作輸出匹配網(wǎng)絡(luò)。因為設(shè)計的放大器是窄帶放大器，輸入與輸出諧振網(wǎng)絡(luò)均處于工作頻率中，以增強功率增益；NM2主要用于降低NM1柵漏電容的密勒效應(yīng)，增加隔離度，盡可能地減少輸入與輸出諧振電路之間產(chǎn)生的作用。

1.3 混頻器電路設(shè)計

為了達到性能指標和低功耗的目的，混頻器電路結(jié)構(gòu)選用無源雙平衡混頻器結(jié)構(gòu)，其電路見圖2。

圖2 無源雙平衡混頻器的原理圖

圖2中，將所設(shè)計電子傳感接收電路中的射頻信號由MOS管的源極輸入，令本振信號和MOS管的柵極直接相連，以管理MOS管的開關(guān)狀態(tài)，達到混頻的目的，通過MOS管的漏極輸出中頻信號，令RC濾波網(wǎng)絡(luò)與輸出端連接在一起，通過經(jīng)驗得到一個合理的RC值，以抑制經(jīng)電容耦合的射頻信號，各器件值如圖2所示[5]。

1.4 復(fù)數(shù)濾波器設(shè)計

復(fù)數(shù)濾波器的基本思想如下：設(shè)計一種依據(jù)OTA的三階巴特沃斯低通濾波器，其帶寬是1 MHz，對得到的巴特沃斯低通濾波器的實數(shù)域進行遷移，使其處于2 MHz上，得到帶寬為2 MHz的復(fù)數(shù)帶通濾波器。

本節(jié)復(fù)數(shù)濾波器設(shè)計步驟如下：

（1） 首先對三階巴特沃斯低通濾波器進行設(shè)計，令其滿足復(fù)數(shù)濾波器設(shè)計條件。三階巴特沃斯低通濾波器通常由一階低通濾波器與二階低濾波器級聯(lián)構(gòu)成，公式描述如下：

[Ts=1RSsC1+1×1L1C2s2+L2RLs+1] （1）

式中：[RS]，[RL]分別用于描述一階低通濾波器和二階低通濾波器的電阻；[s]用于描述電阻系數(shù)；[C1]，[C2]分別用于描述一階低通濾波器和二階低通濾波器的電容；[L1]，[L2]分別用于描述一階低通濾波器和二階低通濾波器的電感。

（2） 通過OTA的低通濾波器結(jié)構(gòu)對一階和二階低通濾波器進行設(shè)計。本節(jié)設(shè)計的一階低通濾波器電路圖如圖3所示，二階低通濾波器電路圖如圖4所示。在進行設(shè)計的過程中，需保持傳輸函數(shù)的一致性，為了便于設(shè)計，需對相關(guān)參數(shù)進行改進[6?7]。

圖3 一階低通濾波器

圖4 二階低通濾波器

（3） 把有源低通濾波器在實時頻率上平移，在LaPlace轉(zhuǎn)換過程中，獲取有源復(fù)數(shù)帶通濾波器。

2 實驗結(jié)果分析

為了驗證本文設(shè)計的基于CMOS的電子傳感接收電路的有效性，需要進行相關(guān)的實驗分析。實驗將FPGA電路和PTAT電路作為對比進行實驗測試。

本節(jié)對本文設(shè)計電路和FPGA電路、PTAT電路進行仿真，將電壓增益、噪聲指數(shù)、輸入?yún)⒖既A截斷點、直流偏置電流和電源電壓作為測試指標。

射頻放大器的噪聲性可通過噪聲系數(shù)[F]或噪聲指數(shù)[NF]衡量。噪聲系數(shù)能夠體現(xiàn)放大器信噪比，其可通過放大器輸入端信噪比[SNRin]和輸出端信噪比[SNRout]之比進行計算，如下：

[F=SNRinSNRout] （2）

噪聲指數(shù)為噪聲系數(shù)的對數(shù)形式，如下：

[NFdB=10logF] （3）

電壓增益[AV]就是放大器輸出、輸入電壓之比，其與[S]參數(shù)之間的關(guān)系如下：

[AV=V2V1=S211+ΓL1-S22ΓL1+Γin] （4）

式中：[V2]用于描述放大器輸出；[V1]用于描述輸入電壓；[S21]用于描述輸入反射系數(shù)；[ΓL]用于描述負載反射系數(shù)；[S22]用于描述輸出反射系統(tǒng)；[Γin]用于描述源反射系數(shù)。

輸入三階截斷點IIP3的劃分情況如下：在射頻接收機中，信號經(jīng)不同模塊單元處理，所有單元都會有固定的噪聲系數(shù)和三階交調(diào)截點，整個射頻接收機的噪聲系數(shù)和三階截斷點是所有模塊單元噪聲系數(shù)與三階交調(diào)截點級聯(lián)，需對噪聲系數(shù)與三階交調(diào)截點進行確定，以簡化電路結(jié)構(gòu)，達到電路要求。假設(shè)各級間相互作用，第一級網(wǎng)絡(luò)功率增益和噪聲系數(shù)分別用[G1]，[IIP31]進行描述，第二級網(wǎng)絡(luò)功率增益與噪聲系數(shù)分別用[G2]，[IIP32]進行描述，第三級網(wǎng)絡(luò)功率增益和噪聲系數(shù)分別用[G3]，[IIP33]進行描述，則輸入?yún)⒖既A截斷點為：

[1IIP3=1IIP31+G1IIP32+G1G2IIP33] （5）

電子傳感接收電路主要性能參數(shù)設(shè)計要求和三種電路的仿真結(jié)果如表1所示。

表1 電子傳感接收電路主要性能參數(shù)設(shè)計要求和仿真結(jié)果

分析表1可以看出，本文設(shè)計電路性能一直符合設(shè)計要求，而FPGA電路和PTAT電路的部分性能指數(shù)不符合設(shè)計要求，說明本文電路性能較高。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種基于CMOS的電子傳感接收電路，詳細介紹了各模塊的設(shè)計過程。實驗結(jié)果表明，所設(shè)計電路符合設(shè)計要求，性能較高。

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