Rauscharme Ladungsverstärker

Rauscharme Ladungsverstärker für kosmischen Staub

Staub stellt einen der wichtigsten Bestandteile des Universums dar. Unser eigenes Sonnensystem ist vor ca. 4,6 Milliarden Jahren aus einer interstellaren Staub- und Gaswolke entstanden. Die Staubastronomie versucht durch die Untersuchung solcher interstellarer, kometarer und asteroidaler Stäube Rückschlüsse auf die Bedingungen während der Entstehung unseres Planetensystems zu ziehen.

In Zusammenarbeit mit dem Institut für Raumfahrtsysteme (IRS) werden im Rahmen dieses Projekts verschiedene Maßnahmen untersucht, die die Empfindlichkeit der in der Staubastronomie eingesetzten  Detektoren  verbessern sollen. Hierzu erfolgt am INT die Entwicklung sehr rauscharmer Ladungsverstärker für den Einsatz in ladungsbasierten Staubteleskopen. Staubteleskope untersuchen die Eigenschaften interplanetarer und interstellarer Staubpartikel, und ermöglichen so Rückschlüsse auf entfernte Himmelskörper. Zur Bestimmung der Flugbahn passieren die durch das Sonnenlicht geladenen Partikel ein Elektrodenarray. Durch die Auswertung der in den Elektroden influenzierten Ladung werden die Flugbahn und so der Ursprung des Partikels bestimmt.

Prinzipschaubild mit Detektor und Verstärker (c)
Prinzipschaubild mit Detektor und Verstärker

Die Erkennung der Partikel erfolgt durch die Auswertung influenzierter Ladungen, die die durch das Sonnenlicht geladenen Partikel in Staubdetektoren erzeugen. Ziel ist es das Spektrum der beobachtbaren Staubpartikel deutlich zu erweitern.

 Ladungsverstärker Aufbau (c)
Ladungsverstärker Aufbau

Eine Herausforderung ist dabei, dass klassische Methoden zur Reduzierung des Rauschens (z.B. Chopping) nicht eingesetzt werden können. Dies soll teilweise durch die systematische Auswahl der entsprechenden rauscharmen Halbleitertechnologien kompensiert werden. Zudem wir untersucht, inwiefern sich das Rauschen in den Ladungsverstärkern durch so genanntes „Switched Biasing“ reduzieren lässt.

Die Arbeit am INT konzentriert sich auf die Minimierung des in diesen Verstärkern auftretenden Rauschens unter Einhaltung einer Bandbreite von 7 Hz bis 300 kHz bzw. von 10 kHz bis 10 MHz. Das Ziel ist es dabei Partikel erkennen zu können, deren Ladung im Bereich von nur ca. 100 Elementarladungen liegt.

 Ladungsverstärker IC (c)
Ladungsverstärker IC

Neben der Minimierung der Rauschleistung des Verstärkers ermöglicht die optimale Auslegung des Gesamtsystems, bestehend aus Detektor, Verstärker und Filtersystem eine weitere Verbesserung des Signal-zu-Rauschverhältnis. Die Entwicklung eines entsprechend Simulationsmodells, das alle Teile des Systems verbindet, stellt deshalb einen weiteren wichtigen Teil dieses Vorhabens dar.

Publikationen

  1. S. Kelz, M. Grözing, and M. Berroth, “Dielectric-Loss Induced Noise in High Impedance Circuits,” Workshop Analogschaltungen. presented at 21. Workshop Analogschaltungen, Stuttgart, Germany, 2019.
  2. S. Kelz, M. Grözing, and M. Berroth, “Dielectric-Loss Induced Noise in High Impedance Circuits,” Workshop Analogschaltungen. presented at 21. Workshop Analogschaltungen, Stuttgart, Germany, 2019.
  3. S. Kelz, T. Veigel, M. Grözing, and M. Berroth, “A Fully Differential Charge-Sensitive Amplifier for Dust-Particle Detectors,” in Conference on Ph.D. Research in Microelectronics and Electronics (PRIME), Prague, Czech Republic, 2018, pp. 13--16.
  4. S. Kelz, “A Fully Differential Charge-Sensitive Amplifier for Dust-Particle Detectors,” Workshop Analogschaltungen. presented at 20. Workshop Analogschaltungen, Freiburg, Germany, 2018.

Kontakt

M.Sc.

Sebastian Kelz

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

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