Rauscharme Ladungsverstärker

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.

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.

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.

Dieser Chip enthält einen Ladungsverstärker (engl. charge sensitive amplifier, CSA) für die auf Ladungsinduktion basierende Staubpartikeldetektion im Weltraum. Die Schaltung verfügt über eine Bandbreite von bis zu 50 MHz und ist daher besonders für sehr schnelle Partikel geeignet. Ein besonderes Merkmal dieses Verstärkers ist die Möglichkeit, die Kapazität des Eingangstransistors anzupassen, indem mehrere Verstärker parallel geschaltet werden. Dadurch kann der Anwender die Eingangskapazität an die Kapazität des Detektors anpassen, um das Rauschverhalten zu optimieren. In einem System mit einer Detektorkapazität von 4 pF und einem Frequenzbereich von 1 kHz bis 50 MHz erreicht der CSA einen ENC-Wert von 332 Elementarladungen. Die Schaltung wurde in einer 130-nm-CMOS-Technologie hergestellt.