A 112-Gb/s —8.2-dBm Sensitivity 4-PAM Linear TIA in 16-nm CMOS With Co-Packaged Photodiodes

跨阻放大器 CMOS芯片 可变增益放大器 放大器 光电二极管 电气工程 光电子学 电子工程 物理 材料科学 运算放大器 工程类
作者
Dhruv Patel,Alireza Sharif-Bakhtiar,Anthony Chan Carusone
出处
期刊:IEEE Journal of Solid-state Circuits [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:58 (3): 771-784 被引量:10
标识
DOI:10.1109/jssc.2022.3218558
摘要

A flip-chip co-packaged linear transimpedance amplifier (TIA) in 16-nm fin field effect transistor (FinFET) CMOS demonstrating 112-Gb/s four-level pulse-amplitude modulation (4-PAM) with −8.2-dBm sensitivity is presented in support for optical receivers required in the next-generation intra-data center links. A proposed three-stage TIA is comprised of a shunt-feedback stage followed by digitally programmable continuous-time linear equalizers (CTLEs) and a variable gain amplifier (VGA). Broadband low-noise design is achieved by having the first stage with much lower bandwidth (BW) followed by the proposed BW recovering CTLEs. A low-power design is supported by the inverter-based single-ended architecture with a single-ended-to-pseudo-differential conversion in the last stage. TIA's BW extension is further supported by optimizing the photodiode-to-receiver (PD-to-RX) interconnect and utilizing several inductive peaking techniques. It achieves 63-dB $\Omega $ gain, 32-GHz BW, and an average input-referred current noise density of 16.9 pA/ $\sqrt {\text {Hz}}$ while operating at 0.9-V supply and consuming 47-mW power. Opto-electrical measurements are performed on a co-packaged prototype comprised of identical proposed TIAs in CMOS with combinations of various commercial PDs and PD-to-RX interconnect lengths confirming 112-Gb/s 4-PAM reception meeting pre-forward error correction (FEC) symbol error rate (SER) of $4.8 \times 10 ^{-4}$ without any post-equalization.

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