A Transimpedance-to-Noise Optimized Analog Front-End With High PSRR for Pulsed ToF Lidar Receivers

跨阻放大器 电源抑制比 CMOS芯片 模拟前端 电子工程 电气工程 噪声系数 计算机科学 放大器 带宽(计算) 工程类 运算放大器 电信
作者
Farzad Khoeini,Bahareh Hadidian,Keshu Zhang,Ehsan Afshari
出处
期刊:IEEE Transactions on Circuits and Systems I-regular Papers [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:68 (9): 3642-3655 被引量:19
标识
DOI:10.1109/tcsi.2021.3089098
摘要

This paper presents a transimpedance-to-noise optimization approach for design of a resistive shunt-feedback TIA. This optimization offers an enhancement in the transimpedance and a noise performance very close to the theoretical minimum noise of the TIA. In addition, the transimpedance-to-noise optimization approach results in a small front-end FET size which enables a further reduction in power and area. Moreover, this approach enables using a fewer number of stages in the receiver chain which makes a high PSRR feasible and obviates the necessity for using an offset cancellation circuitry. Building on this approach, a fully differential analog front-end including a resistive shunt-feedback TIA and a post amplifier (PA) for time-of-flight (ToF) Lidar receivers is designed and implemented, achieving 94dB Ω transimpedance gain, 71nA input-referred rms noise current, -3dB bandwidth of 340MHz, and power supply rejection ratio (PSRR) of more than 87dB in a 0.11 μm CMOS process. The associated DC power consumption is 19.4mW with V DD of 1.8V. Moreover, a push-pull buffer with 1V output swing is integrated for driving 50 Ω loads, such as off-chip time discriminators, which also additionally amplifies the signal with a gain of 5dB while consuming an extra 20.9mW of DC power. The whole chip (excluding pads) occupies 210 μm × 110 μm in area.

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