CMOS Current-Conveyor Transimpedance Amplifiers for LiDAR Applications

Abstract

This thesis describes a symmetric current-conveyor transimpedance amplifier (SCC-TIA) and a mirrored current-conveyor transimpedance amplifier (MCC-TIA) as an analog front-end(AFE) circuit for LiDAR applications which provide no signal loss and wide input dynamic range characteristics. First, the SCC-TIA is realized in a 0.13-μm CMOS process, where a modified-cascode configuration is newly suggested as an input current buffer so as to convey the incoming photocurrents to a following voltage-mode inverter TIA with no signal loss. Measured results of the proposed SCC-TIA demonstrate 69-dBΩ transimpedance gain, 410-MHz bandwidth, 13-pA/ sqrt(Hz) average noise current spectral density, and 20-mW power consumption from a single 1.2-V supply. Chip core occupies the area of 280 x 130 mm^2. Second, the MCC-TIA is realized in a standard 65-nm CMOS technology in which the MCC input configuration is proposed to lower the input impedance for wide bandwidth,thus enabling the restoration of narrow pulse-width. Also, a feedforward control-voltage generator (FCG) is newly suggested to achieve automatic gain-control within a single pulse-width. Measured results of the MCC-TIA demonstrate a variable transimpedance gain of 59~77 dBΩ to recover a wide input current range from 18 μApp to 2.24 mApp, which corresponds to the detection range of 0.5~5.3 meters. Accordingly, the bandwidth of the MCC-TIA is achieved to be 0.083~2.6 GHz with the minimum noise current spectral density of 16.8 pA/sqrt(Hz). The chip dissipates 40 mW, and occupies the area of 1.0 mm^2,including I/O pads. Hence, the proposed current-conveyor TIAs provide a low-cost, low-power, small form-factor solution suitable for the imminent applications of elder-care LiDAR systems.;본 논문에서는 신호의 손실이 없고 넓은 입력 다이나믹 레인지를 갖는 아날로그 프론트 엔드(AFE)를 만들 수 있는 새로운 구조의 대칭형 전류 전달 트랜스임피던스 증폭기(SCC-TIA)와 복사형 전류 전달 트랜스임피던스 증폭기(MCC-TIA)를 다룬다. 첫째, SCC-TIA는 CMOS 130nm 공정으로 제작되었으며, 뒷단의 전압 모드 인버터 TIA에 입력 광전류를 손실없이 전달할 수 있도록 수정된 캐스코드 구조의 입력 전류 버퍼를 제안한다. SCC-TIA의 측정 결과, 69 dBΩ의 트랜스임피던스 이득과 410 MHz의 대역폭을 가지며, 13 pA/sqrt(Hz)의 평균 노이즈 전류 스펙트럼 밀도 및 1.2V 단일 공급 전압 아래 20 mW의 전력 소모를 갖는 것을 확인하였다. 또한, 칩 코어 면적은 0.28 x 0.13 mm^2 이다. 둘째, MCC-TIA는 CMOS 65nm 공정으로 제작되었다. MCC 입력 구조를 사용함으로써 입력 임피던스를 낮춰 넓은 대역폭을 확보했으며, 이에 따라 좁은 펄스 복원이 가능하다는 특징을 가지고 있다. 또한, 단일 펄스 폭 범위에서의 자동이득 조절을 가능하게 하는 구조의 Feedforward control voltage generator(FCG)회로를 새롭게 제안한다. 측정 결과, 59~77 dBΩ의 변동 트랜스임피던스 이득을 가짐에 따라 감지 거리 0.5~5.3미터에 해당하는 입력 전류 18 μApp~2.24 mApp를 수용할 수 있으며, 이에 상응하여 0.083~2.6 GHz의 대역폭과 16.8 pA/sqrt(Hz)의 최소 노이즈 전류 스펙트럼 밀도를 가진다. 칩은 I/O 패드를 포함하여 1.0 mm^2의 면적을 가지며, 40 mW의 전력을 소비한다. 이러한 특징들을 토대로 제안하는 전류 전달 트랜스임피던스 증폭기는 노인케어용 라이다 시스템에 있어서 저비용, 저전력, 초소형 솔루션을 제공할 것으로 기대된다.