CMOS Optoelectronic Transimpedance Amplifiers with On-Chip APDs for LiDAR Sensors

Abstract

This thesis presents a voltage-mode and a current-mode CMOS photoreceiver amplifiers for the applications of indoor monitoring LiDAR sensors. First, the realization of the on-chip avalanche photodiodes (APDs) by using a standard 180-nm CMOS process is discussed based on the simultaneous usage of the three different modes. On-chip CMOS APD is particularly implemented to avoid the indispensable usage of bonding wires and Electrostatic discharge (ESD) protection diodes that cause unwanted signal distortion. Second, a voltage-mode optoelectronic transimpedance amplifier with on-chip APDs is realized in a 180- nm CMOS process. Especially, the voltage-mode CMOS feedforward input circuit is employed to achieve high transimpedance gain. Also, a cross-coupled inverterbased post-amplifier is added to reduce the signal mismatches from the preceded TIA. Measured results demonstrate 95.1-dBΩ transimpedance gain, 608-MHz bandwidth, 4.54-pA/√Hz noise current spectral density, 2.38-μApp minimum detectable signal that corresponds to the maximum detection range of 10 meters, and 39.3-mW power dissipation from a 1.8-V supply. Third, a current-mode TIA with a monolithically integrated P+/N-well APD is realized in a 180-nm CMOS process. Compared to the voltage-mode TIA, this current-mode TIA provides a well-known advantage of isolating the photodiode capacitance from the bandwidth determination. Simultaneously, the input dynamic range of detectable currents is much wider. In addition, the feedforward voltage generator (FVG) module is added to control the transimpedance gain automatically during the short period of pulsewidth (typ. 1~10 ns), hence recovering the input signal pulses without notorious echo tails. Post-layout simulations yield the transimpedance gain of 61 dBΩ, and the variable bandwidth of 151 MHz~229 MHz, and the input currents of 5 μApp ~ 1.0 mApp that corresponds to the input dynamic range of 46 dB. Measured results demonstrate 11.7-μApp minimum detectable signal with 20dB attenuation that corresponds to the maximum detection range of 10 meters, and 47.8-mW power dissipation from 1.8/3.3-V supply. Simultaneously, it is obvious that the output amplitude decreases with the switches as the transimpedance gain decreases.;본 논문에서는 실내 모니터링 LiDAR 센서의 적용을 위한 전압 모드 및 전류 모드 CMOS 광전집적 수신기 증폭기를 소개한다. 첫째, 표준 180-nm CMOS 공정으로 구현된 세 가지 다른 패턴의 온 칩 avalanche photodiode(APD)에 대하여 DC특성을 설명하고 반응도 비교를 수행한다. 온 칩 CMOS APD는 원치 않는 신호 왜곡을 유발하는 필수적인 bond wires 및 ESD(Electrostatic Discharge) protection diodes의 사용을 피하기 위해 사용한다. 비교결과를 통하여 P+/NW/DNW APD의 반응도가 가장 좋은 특성을 나타냄을 알 수 있다. 둘째, 전압모드 광전집적 트랜스임피던스 증폭기는 180-nm CMOS 공정으로 온 칩 P+/N-well/Deep N-well avalanche photodiode (APD)로 구현된다. 특히, 높은 트랜스임피던스 이득을 달성하기 위하여 전압 모드 CMOS 피드포워드 입력 회로가 사용된다. 또한, 신호 불일치를 줄이기 위하여 크로스 커플링 인버터 기반 포스트 앰프가 추가된다. 측정된 결과는 95.1-dBΩ의 트랜스임피던스 게인, 608-MHz의 대역폭, 4.54-pA/√Hz의 노이즈 전류 스펙트럼 밀도, 최대 감지 범위 10m에 해당하는 2.38-μApp 최소 감지 가능 신호, 1.8-V 공급기의 39.3mW 전력 분산을 보여준다. 셋째, 온 칩 APD를 가진 전류모드 TIA는 180-nm CMOS 공정에서 구현된다. 전압 모드 TIA와 비교하여, 이 전류모드 TIA는 대역폭 결정으로부터 포토다이오드 캐패시턴스를 분리할 수 있는 잘 알려진 이점이 있다. 동시에, 검출 가능한 전류의 입력 동적 범위는 훨씬 넓다. 또한 짧은 펄스 폭 주기(전형적으로는 1~3 ns) 동안 트랜스임피던스 이득을 자동으로 제어할 수 있도록 Feedforward voltage generator (FVG) 모듈을 추가하여 악명 높은 에코 테일 없이 입력 신호 펄스를 복원한다. 레이아웃 후 시뮬레이션은 61-dBΩ 트랜스임피던스 이득과 151~229 MHz의 가변 대역폭, 40-dB에 해당하는 5~350μApp 입력 전류를 산출한다. 측정된 결과는 스위치의 변화에 따라, 트랜스 임피던스 이득이 낮아지고, 따라서 출력 폭도 낮아진다. 최대 감지 범위 10m에 해당하는 11.7-μApp 최소 감지 가능 신호, 1.8/3.3-V 공급기의 47.8mW 전력 분산을 보여준다.