본 논문에서는 0.18um CMOS(1P6M) 공정을 이용하여 무인차량용 단거리 라이다 시스템을 위한 멀티채널 트랜스임피던스 증폭기(TIA) 어레이 회로를 구현하였다. 트랜스임피던스 증폭기 어레이 구조는 전압모드 $4{ imes}4$ 채널 Inverter TIA 어레이와 전류모드 $4{ imes}4$ 채널 Common-Gate(CG) TIA 어레이 두 가지를 설계했으며, 전체적으로 $4{ imes}8$의 32-채널을 갖도록 설계하였다. 먼저, Inverter TIA는 피드백 저항을 가진 Inverter 입력구조와 CML 출력버퍼단으로 구성되어 있으며, 저잡음 및 저전력 특성뿐 아니라, virtual ground를 갖도록 설계함으로써 DC 전류조절이 가능하여 이득과 출력 임피던스 컨트롤이 가능하도록 하였다. 또한, CG-TIA는 on-chip bandgap reference로부터 bias 전압을 이용하고, 소스팔로워 출력버퍼를 사용하여 고주파수 이득을 높였으며, 기본적인 구조 상 CG-TIA는 채널당 칩 면적이 Inverter TIA에 비해 1.26배 작게 설계되었다. 포스트 레이아웃 시뮬레이션 결과, 제안한 Inverter TIA 어레이는 각 채널당 57.5-dB${Omega}$ 트랜스임피던스 이득, 340-MHz 대역폭, 3.7-pA/sqrt(Hz) 평균 잡음전류 스펙트럼 밀도, 및 2.84-mW (16채널 45.4-mW) 전력소모를 가졌다. CG-TIA 어레이는 채널당 54.5-dB${Omega}$ 트랜스임피던스 이득, 360-MHz 대역폭, 9.17-pA/sqrt(Hz) 평균 잡음전류 스펙트럼 밀도, 4.24-mW (16채널 67.8-mW) 전력소모를 가졌다. 단, 펄스 시뮬레이션 결과, CG-TIA 어레이가 200-500-Mb/s 동작속도에서 훨씬 깨끗하게 구분 가능한 출력펄스를 보였다.
This paper presents multi-channel transimpedance amplifier(TIA) arrays in short-range LADAR systems for unmanned vehicles, by using a 0.18um CMOS technology. Two $4{ imes}4$ channel TIA arrays including a voltage-mode INV-TIA and a current-mode CG-TIA are introduced. First, the INV-TIA consists of a inverter stage with a feedback resistor and a CML output buffer with virtual ground so as to achieve low noise, low power, easy current control for gain and impedance. Second, the CG-TIA utilizes a bias from on-chip bandgap reference and exploits a source-follower for high-frequency peaking, yielding 1.26 times smaller chip area per channel than INV-TIA. Post-layout simulations demonstrate that the INV-TIA achieves 57.5-dB${Omega}$ transimpedance gain, 340-MHz bandwidth, 3.7-pA/sqrt(Hz) average noise current spectral density, and 2.84mW power dissipation, whereas the CG-TIA obtains 54.5-dB${Omega}$ transimpedance gain, 360-MHz bandwidth, 9.17-pA/sqrt(Hz) average noise current spectral density, and 4.24mW power dissipation. Yet, the pulse simulations reveal that the CG-TIA array shows better output pulses in the range of 200-500-Mb/s operations.
