A Current-Mode VCSEL Driver in 180nm CMOS for Short Range LiDAR Sensors

Abstract

This paper presents a current mode VCSEL driver (CMVD) for short - range lidar sensors, where a novel current-steering logic circuit is proposed to facilely deliver the modulation currents from 0.1 mApp to 10 mApp with PMOS current-mirrors. Also, the bias current generator employs regulated cascode configuration to provide stable DC bias currents against the notorious PVT variations. Hence, the VCSEL diode can be driven by the varying modulation currents with a constant bias current. For circuit simulations, VCSEL diode is electrically modeled as a 1.6-V forward bias voltage with a 50-Ω series resistor. The post-layout simulations of the proposed CMVD show vividly large output pulses and wide eye-diagrams. The CMVD chip occupies the area of 1.3 × 2.0 mm², including I/O pads, where the core area is 0.1 mm2. The CMVD consumes 11 mW in maximum from a 3.3-V supply.;본 논문에서는 근거리 라이다 센서를 위한 전류 모드 VCSEL 드라이버(CMVD)를 제시한다. 이는 전단계로부터 격리하기 위한 입력 버퍼(IB), 바이어스 및 변조 전류를 VCSEL 다이오드로 전달하기 위한 드라이버 회로(DRV), 바이어스 전류를 생성하기 위한 바이어스 회로(BIAS), 6 비트 제어 디지털 아날로그 변환기(DAC)를 통한 가변 변조 전류의 공급을 위한 전류 스티어링 로직(CSL) 및 VCSEL 다이오드로 구성된다. 전류 스티어링 로직 회로는 PMOS 전류 미러로 0.1 mApp에서 10 mApp까지 변조 전류를 용이하게 전달하기 위해 사용되었다. 또한, 제어된 캐스코드 회로를 사용하는 바이어스 전류 생성기를 이용하여 악명 높은 PVT 변동에 대한 안정적인 DC 바이어스 전류를 제공했다. 변조 전류와 바이어스 전류는 함께 VCSEL 다이오드를 구동한다. 제안된 전류 모드 VCSEL 회로는 0.18-μm CMOS 공정을 공정으로 제작하였다. 칩 코어는 0.1 mm2의 면적을 차지하며, 전체 칩은 I/O 패드를 포함하여 1.3×2.0 mm2의 면적을 차지한다. DC 시뮬레이션에 따르면, CMVD 은 3.3-V 전원전압으로부터 11 mW를 소모한다.