Криогенный биполярный малошумящий усилитель постоянного тока для низкочастотных применений

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Исследован малошумящий биполярный дифференциальный усилитель постоянного тока при температурах 300 и 77 К. Показано, что для обеспечения наилучших характеристик усилителя по коэффициенту шума при понижении рабочей температуры с 300 до 77 К желательно использовать транзистор в режиме малых токов, не превышающих 2 мА. Установлено, что понижение рабочей температуры до 77 К приводит к уменьшению входного сопротивления усилителя с величины в несколько килоом до 100 Ом, динамический диапазон возрастает с 80 до 85 дБ, коэффициент гармоник возрастает с 0.09% до 1%. Кроме того, понижение рабочей температуры до 77 К оказывает значительное влияние на шумовые свойства усилителя: спектральная плотность шума напряжения понижается с 1 до 0.4 нВ/Гц1/2, спектральная плотность шума тока возрастает с 2.5 до 9 пА/Гц1/2, при этом также повышаются пороговые частоты 1/f шума: по напряжению с (0.1…10) до 20 Гц и по току с (10…100) до 1000 Гц. Обоснована возможность применения усилителя для низкотемпературных измерений образцов с низким входным сопротивлением.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

И. Л. Новиков

Новосибирский государственный технический университет

Email: vostreczov@corp.nstu.ru
Россия, просп. К. Маркса, 20, Новосибирск, 630073

Д. И. Вольхин

Новосибирский государственный технический университет

Email: vostreczov@corp.nstu.ru
Россия, просп. К. Маркса, 20, Новосибирск, 630073

А. Г. Вострецов

Новосибирский государственный технический университет; Институт горного дела им. Н.А. Чинакала СО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: vostreczov@corp.nstu.ru
Россия, просп. К. Маркса, 20, Новосибирск, 630073; Красный просп., 54, Новосибирск, 630091

Список литературы

  1. Howard R.M. // Proc. 1998 Conf. on Optoelectronic and Microelectronic Materials and Devices, Perth, WA, Australia, P. 179.
  2. Menolfi C., Huang Q. // IEEE J. Solid-State Circuits. 1997. V. 3. № 7. P. 968.
  3. Ciofi C., De Marines M., Neri B. // IEEE Trans. 1997. V. IM-46. № 4. P. 789.
  4. Schurig Th., Drung D., Bechstein S. et al. // Physica C. 2002. V. 378–381. P. 1378. https://doi. org/10.1016/S0921-4534(02)01724-0
  5. Neri B., Pellegrini B., Saletti R. // IEEE Trans. 1991. V. IM-40. № 1. P. 2.
  6. Jones B.K. // Proc. IEE Circuits Devices Syst. 2002. V. 149(1). P. 13. https://doi. org/10.1049/ip-cds:20020331.
  7. Levinzon F.A. // IEEE Trans. 2008. V. CS-I-55. № 7. P. 1815. https://doi. org/10.1109/tcsi.2008.918213
  8. Cannata G., Scandurre G., Ciofi C. // Rev. Sci. Instruments. 2009. V. 80. Article No. 114702. https://doi.org/10.1063/1.3258197
  9. Volkhin D.I., Novikov I.L., Vostretsov A.G. // Proc. 2022 IEEE 23rd Int. Conf. of Young Professionals in Electron Devices and Materials (EDM). Altai. 30 Jun. – 04 Jul. N.Y.: IEEE, 2022. P. 61. https://doi. org/10.1109/EDM55285.2022.9855125
  10. Pospieszalski M.W. // IEEE Microwave Magaz. 2005. V. 6. № 3. P. 62.
  11. Volkhin D.I., Novikov I.L., Vostretsov A.G. // Proc. 2021 XV Int. Scientific-Techn. Conf. on Actual Problems of Electronic Instrument Engineering (APEIE). Novosibitsk. 19–21 Nov. N.Y.: IEEE, 2021. P. 18. https://doi.org/10.1109/APEIE52976.2021.9647438
  12. Novikov I.L., Vostretsov A.G., Volkhin D.I. // Cryogenics. 2022. V. 127. Article No. 103571. https://doi.org/10.1016/j.cryogenics.2022.103571.
  13. Mochtenbacher C.D., Connelly J.A. Low-Noise Electronic System Design. N.Y.: Wiley-Interscience, 1993.
  14. Zhao J., Zhang Y., Y-H. Lee Y-H. et al. // Rev. Sci. Instruments. 2014. V. 85. № 5. Article No. 054707. https://doi.org/10.1063/1.4878342
  15. Oukhanski N., Stolz R., Zakosarenko V. et al. // Physica C: Superconductivity. 2002. V. 368. № 1–4. P. 166. https://doi.org/10.1016/S0921-4534(01)01160-1
  16. Oukhanski N., Stolz R., Meyer H-G. // J. Physics: Conf. Series. 2006. V. 43. P. 310. https://doi.org/10.1088/1742-6596/43/1/310
  17. Drung D. // Rev. Sci. Instruments. 1997. V. 68. P. 4066. https://doi.org/10.1063/1.1148348
  18. Drung D., Hinnrichs C., Barthelmess H.-J. // Supercond. Sci. Technol. 2006. V. 19. № 5. P. S235. https://doi.org/10.1088/0953-2048/19/5/S15

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схема малошумящего усилителя постоянного тока.

Скачать (107KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Схемы измерения коэффициента усиления: а – без шунтирующего резистора для измерения шума напряжения, б – с шунтирующим резистором для измерения шума тока (источник питания дифференциального выходного буфера DIFFOUT не показан).

Скачать (271KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Схемы измерения напряжения (а) и тока (б) спектральной плотности шума.

Скачать (255KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Зависимости коэффициентов усиления усилителя от тока коллектора при 300 К (а) и 77 К (б).

Скачать (134KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Спектральные плотности шума напряжения (а,б) и тока (в,г) при минимальном (1) и максимальном (2) токах коллектора: а, в – T = 300 К, Iк ₘᵢₙ = 0.25 мА, Iк ₘₐₓ = 1.78 мА; б, г – T = 77 К, Iк ₘᵢₙ = 0.46 мА, Iк ₘₐₓ = 3.1 мА.

Скачать (294KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Зависимость коэффициента шума усилителя от сопротивления источника при T = 77 К и различных токах коллектора: 0.46 (1), 0.56 (2), 0.72 (3), 0.95 (4), 1.07 (5), 1.49 (6), 1.8 (7), 2.6 (8) и 3.1 мА (9). 

Скачать (137KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Зависимость коэффициента гармоник (а) и динамического диапазона усилителя (б) от тока коллектора при T = 300 (1) и 77 К (2).

Скачать (119KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Зависимость модуля комплексного входного сопротивления усилителя от тока коллектора при T = 300 (1) и 77 К (2).

Скачать (62KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024