02 / TIA LITERATURE
A Wideband Low-Noise Linear LiDAR Analog Front-End Achieving 1.6 GHz bandwidth, 2.7 pA/Hz^0.5 Input Referred Noise, and 103 dBΩ Transimpedance Gain
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作者: Yidan Zhang, Zhao Zhang*, Yiqing Xu, Xinyu Shen, Nan Qi, Nanjian Wu, Jian Liu, Liyuan Liu
单位: 中科院半导体所 / 中国科学院大学
DOI: 10.1109/A-SSCC58667.2023.10347910
核心参考量
| 维度 | 数值/信息 |
|---|---|
| 工艺节点 | 40nm CMOS |
| 芯片面积 | 0.15 mm² |
| 功耗 | 10 mW（不含输出 Buffer） |
| 带宽 | 1.6 GHz（NFFR-TIA 自身 ~400MHz + 两级 CTLE 补偿） |
| 增益范围 | 73 – 103 dBΩ |
| 输入参考噪声 (IRN) | 2.7 pA/Hz^0.5 (@1.6GHz)，最低 2.0 pA/Hz^0.5 (@400MHz) |
| 积分噪声 | 109 nA (@1.6GHz 带宽) |
| 探测器电容 C_PD | 1.2 pF（APD） |
| 架构 | NFFR-TIA + 两级 CTLE |
设计挑战
- 人眼安全激光能量要求窄高功率脉冲（亚纳秒级）
- AFE 需要 >1 GHz 带宽 + 低噪声
- 传统 SF-TIA 存在带宽-IRN-稳定性之间的强 trade-off
架构创新点
1. NMOS Feedforward TIA (NFFR-TIA)
- 三级级联 + NMOS 前馈级（ML + RL）
- RL 避免 bonding wire 电感引起的振荡
- 前馈 ML 降低输出阻抗 → 增加非主极点 → 改善相位裕度
- 同时降低输入阻抗 → 带宽扩展
- 第一级高跨导设计进一步抑制 IRN
2. 可调反馈电阻 RF2
- RF1 和 RF2 联动调节
- 低增益模式：RF2 减小 → 节点 A/B 极点升高 → 保证稳定性
- 高增益模式：RF1、RF2 均增大 → 足够开环增益
3. 两级 CTLE
- 第一级：低频峰值补偿
- 第二级：高频峰值 → 带宽扩展至 >1 GHz
- 源极退化电阻 RS 和电容 CS 阵列可调
- CTLE 贡献可忽略的噪声（NFFR-TIA 高增益主导 IRN）
4. 实现结果
- NFFR-TIA 带宽：~380–400 MHz
- 经两级 CTLE 后：1.6 GHz
- 带内频率响应平坦
与 SOTA 对比 (Fig.6)
| 指标 | This Work | ISSCC'20 [1] | TCASI'22 [4] | TCASI'20 [5] | TCASI'17 [7] | TCASII'20 [6] |
|---|---|---|---|---|---|---|
| CMOS (nm) | 40 | 130 | 65 | 180 | 350 | 180 |
| 探测器 | APD | APD | APD | APD | APD | APD |
| C_PD (pF) | 1.2 | 2.0 | 1.0 | 1.2 | / | 2 |
| 结构 | TIA+CTLE+AMP | Current AMP | TIA+AMP | TIA+AMP | TIA+AMP+EQ | TIA+AMP+EQ |
| 增益 (dBΩ) | 103 | / | 106 | 86 | ~100 | 101 |
| BW (Hz) | 1.6 G | 200 M | 220 M | 281 M | 230 M | 190 M |
| 积分 IRN (nA) | 109 (1.6GHz) | 42 (460MHz) | 70 | 75 | ~100 | 36 |
| 平均 IRN (pA/Hz^0.5) | 2.7 (1.6GHz) | 5.0 | 5.1 | 4.68 | 6.6 | 2.6 |
| 功耗 (mW) | 10 | 119 | 17 | 200* | 180* | 37 |
| Core 面积 (mm²) | 0.15 | 0.56 | 1.44** | 2.2** | 4** | 3.41 |
*整机功耗, **全芯片面积
核心优势
带宽比同类工作高近一个数量级（1.6GHz vs 190–281MHz），同时保持最低平均 IRN。
论文原图
