Cryogenic Amplifiers for Condensed Matter Physics
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2024-05-20
Department
Major/Subject
Micro- and Nanoelectronics Circuit Design
Mcode
ELEC3036
Degree programme
Master’s Programme in Electronics and Nanotechnology (TS2013)
Language
en
Pages
48
Series
Abstract
This thesis explores the design and experimental demonstration of cryogenic amplifiers for measuring sensitive signals of high-impedance devices in experimental low temperature condensed matter physics. It focuses on the use of off-the-shelf gallium arsenide (GaAs) pseudomorphic high-electron-mobility transistors (pHEMT) to create a high-bandwidth cryogenic transimpedance amplifier (TIA), aiming for fast and high resolution readout of quantum devices. Cryogenic TIAs were demonstrated to be promising option for real-time time-domain measurements, as well as for high resolution frequency domain measurement, when compared to previously implemented state-of-the-art cryogenic voltage amplifiers. This thesis starts with a brief introduction of how types of electrical noise can affect the amplifier design. It is experimentally demonstrated that the low-frequency noise of the used pHEMTs is reduced when the transistors are cooled below 100 K. Common source voltage amplifier made using the same pHEMTs also experimentally show improvements in gain when cooled down to 77 K. A cryogenic TIA with stabilizing lead-lag- and phase-lag compensators is designed and implemented. The amplifier is a three-stage design to get a low input impedance, which in turn reduces the parasitic low-pass filtering at the input when measuring high-impedance devices installed inside of a cryogenic refrigerator. To obtain a low output impedance, an output buffer is implemented. An analytical model of the amplifier is derived from the schematics and block diagram to analyze the stability and performance. The assembled amplifier was tested at 77 K and 4.2 K, where it achieved a transimpedance of 105.3 dBOhm, or 184 kOhm, a bandwidth of 2.7 MHz, and an input-referred current noise of 1.0e-26 A^2/Hz. These results demonstrate that the low-cost cryogenic TIA based on the off-the-shelf GaAs pHEMTs is very promising alternative to the widely used cryogenic voltage amplifiers. In addition, they can significantly increase the measurement bandwidth of high-impedance devices installed in the cryogenic refrigerator compared to conventional TIAs at room temperature.Tämä opinnäytetyö tutkii kryogeenisten vahvistimien suunnittelua ja kokeellista soveltamista korkeaimpedanssisten näytteiden herkkien signaalien mittaamiseen kokeellisessa tiiviin aineen fysiikassa. Tässä työssä keskitytään kaupallisten galliumarsenidi (GaAs) pseudomorfisten HEMT-transistorien käyttöön leveäkaistaisen ja korkearesoluutioisen kryogeenisen transimpedanssivahvistimen (TIA) suunnittelussa. Kryogeeniset TIA:t vaikuttavat lupaavilta vaihtoehdoilta nopeisiin mittauksiin aika-alueella, sekä korkearesoluutioisiin mittauksiin taajuusalueella verrattuna aikaisemmin sovellettuihin kryogeenisiin jännitevahvistimiin. Tässä opinnäytetyössä käsitellään, kuinka erilaiset sähköiset häiriöt näkyvät vahvistimen suunnittelussa. Kokeellisesti havaitaan, että käytettyjen pHEMT-transistoreiden matalataajuinen kohina vähenee, kun transistorit jäähdytetään alle 100 K:iin. Samaa pHEMT:iä käyttävän jännitevahvistimen vahvistus nousee, kun se jäähdytetään 77 K:iin. Suunniteltiin ja rakennettiin kryogeeninen transimpedanssivahvistin, jossa hyödynnettiin vaiheenjohto-jättö-, sekä vaiheenjättökompensaattoreita vahvistimen stabiloimiseksi. Vahvistimessa on kolme vahvistusastetta, joka mahdollistaa pienen sisääntuloimpedanssin. Pieni sisääntuloimpedanssi vuorostaan pienentää tulossa tapahtuvaa RC-vaimennusta, kun mitataan kryojäähdyttimessä olevia korkeaimpedanssisia näytteitä. Vahvistimella on puskuroidun lähdön vuoksi pieni lähtöimpedanssi. Vahvistimesta johdettiin piiri- ja lohkokaaviohin pohjautuva analyyttinen malli. Tämä helpottaa piirin stabiilisuuden ja suorituskyvyn analysoimista. Rakennettu vahvistin testattiin 77 K:ssä sekä 4,2 K:ssä, jossa transimpedanssi on 105,3 dBΩ (184 kΩ), kaistanleveys on 2,7 MHz ja tulovirtakohina on 1, 0e-26 A^2/Hz. Nämä tulokset osoittavat, että tässä opinnäytetyössä kehitetty matalakustanteinen kaupallisista komponenteista rakennettu kryogeeninen TIA on erittäin lupaava vaihtoehto laajalti käytetyille kryogeenisille jännitevahvistimille. Sen lisäksi ne pystyvät merkittävästi kasvattamaan kaistanleveyttä kryojäädyttimesssä olevia korkeaimpedanssisia näytteitä mitattaessa verrattuna tavallisiin huoneenlämmössä käytettäviin transimpedanssivahvistimiin.Description
Supervisor
Ryynänen, JussiThesis advisor
Bohuslavskyi, HeorhiiStadius, Kari
Keywords
cryogenic electronics, transimpedance amplifier, low-noise, GaAs, HEMT