面向LiDAR应用的APD单片前端读出电路设计

丁春楠; 叶茂; 夏显召; 谢绍禹; 李尧; 赵毅强

doi:10.3788/IRLA201948.S106004

面向LiDAR应用的APD单片前端读出电路设计

doi: 10.3788/IRLA201948.S106004

1.
天津大学微电子学院成像与感知微电子技术重点实验室,天津 300072;
2.
天津津航技术物理研究所,天津 300308

基金项目:

国家自然科学基金（61604109）;广西创新驱动发展专项（2018AA13005）

详细信息

作者简介:
丁春楠(1996-),男,硕士生,主要从事激光雷达方面的研究。Email:dcn@tju.edu.cn

中图分类号: TN492

Monolithic front-end readout circuit for LiDAR using APD detector

1.
Key Laboratory of Imaging and Sensing Microelectronic Technology,School of Microelectronics,Tianjin University,Tianjin 300072,China;
2.
Tianjin Jinhang Institute of Technical Physics,Tianjin 300308,China

摘要: 针对基于雪崩光电二极管（avalanche photodiode，APD）的激光雷达（light laser detection and ranging，LiDAR）应用需求，设计并实现了一款具有高集成度的模拟前端读出电路芯片。该芯片集成了高增益宽带跨阻放大器（transimpedance amplifier，TIA）、固定增益电压放大器、高速实时比较器以及低压差分信号（low voltage differential signaling，LVDS）接口电路等。高增益宽带跨阻放大器采用电阻反馈式结构，电压信号以伪差分信号的形式输出，抗干扰能力较强。固定增益电压放大器采用电阻反馈同相放大器结构。比较器利用未经补偿的开环放大器实现。读出电路采用LVDS输出，实现了与后端FPGA的互连，进一步提高了系统集成度。该芯片采用chrt 0.18 m工艺设计，面积约为0.9 mm1.9 mm。在3.3 V供电电压下，测试结果显示跨阻增益为83.6 dB，带宽为120 MHz，整体链路能对脉宽为5 ns的脉冲作出有效响应，LVDS输出电压符合FPGA接口要求。
- 激光雷达 /
- APD /
- 跨阻放大器 /
- 伪差分 /
- LVDS
Abstract: A high integration density front-end readout circuit(ROIC) was presented and designed in allusion to the kind of light laser detection and ranging(LiDAR) using avalanche photodiode(APD) detector. The front-end readout circuit consisted of high-gain broadband transimpedance amplifier (TIA), fixed gain voltage amplifier, high-speed real-time comparator, low voltage differential signaling (LVDS)output interface et al. TIA adopted resistance feedback structure. The output voltage signal of TIA connected to next stage through the way of pseudo-difference signaling, therefore obtaining better anti-interference ability. Fixed gain voltage amplifier was a non-inverting amplifier with resistance feedback network. Then a decompensated open-loop amplifier was used for the comparator in the chip. The ROIC can connect with FPGA directly profiting from the LVDS, again improving the integration density of the chip. The circuit was designed with chrt 0.18 m process. The area of chip was about 0.9 mm1.9 mm. The voltage of the power supply to the chip was 3.3 V. Through the test, the gain of TIA can achieve 83.6 dB, the bandwidth can reach 120 MHz. At the same time, the whole readout circuit can make an immediate response for input pulse signal with 5 ns pulse width. The LVDS which was designed as the output of whole readout circuit can meet the request of FPGA's interface.
- LiDAR /
- APD /
- TIA /
- pseudo-differential /
- LVDS

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面向LiDAR应用的APD单片前端读出电路设计

doi: 10.3788/IRLA201948.S106004

作者简介:
丁春楠(1996-),男,硕士生,主要从事激光雷达方面的研究。Email:dcn@tju.edu.cn

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面向LiDAR应用的APD单片前端读出电路设计

doi: 10.3788/IRLA201948.S106004

1. 天津大学微电子学院成像与感知微电子技术重点实验室,天津 300072;

2. 天津津航技术物理研究所,天津 300308

作者简介:
丁春楠(1996-),男,硕士生,主要从事激光雷达方面的研究。Email:dcn@tju.edu.cn

English Abstract

Monolithic front-end readout circuit for LiDAR using APD detector

1. Key Laboratory of Imaging and Sensing Microelectronic Technology,School of Microelectronics,Tianjin University,Tianjin 300072,China;

2. Tianjin Jinhang Institute of Technical Physics,Tianjin 300308,China

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面向LiDAR应用的APD单片前端读出电路设计

doi: 10.3788/IRLA201948.S106004

1. 天津大学 微电子学院 成像与感知微电子技术重点实验室,天津 300072; 2. 天津津航技术物理研究所,天津 300308

作者简介: 丁春楠(1996-),男,硕士生,主要从事激光雷达方面的研究。Email:dcn@tju.edu.cn

English Abstract

Monolithic front-end readout circuit for LiDAR using APD detector

1. Key Laboratory of Imaging and Sensing Microelectronic Technology,School of Microelectronics,Tianjin University,Tianjin 300072,China; 2. Tianjin Jinhang Institute of Technical Physics,Tianjin 300308,China

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丁春楠(1996-),男,硕士生,主要从事激光雷达方面的研究。Email:dcn@tju.edu.cn

1. 天津大学微电子学院成像与感知微电子技术重点实验室,天津 300072;

2. 天津津航技术物理研究所,天津 300308

作者简介:
丁春楠(1996-),男,硕士生,主要从事激光雷达方面的研究。Email:dcn@tju.edu.cn

1. Key Laboratory of Imaging and Sensing Microelectronic Technology,School of Microelectronics,Tianjin University,Tianjin 300072,China;

2. Tianjin Jinhang Institute of Technical Physics,Tianjin 300308,China