Cryogenic Digital Readout system with GaAs JFETs

多チャンネル極低温読み出しシステムの
実現へ向けて
日比康詞、松尾宏（NAOJ）、永田洋久、池田博一
（ISAS/JAXA）、藤原幹生（NiCT）
内容






極低温読み出しシステムの導入の目的と世界的状況
GaAs JFETの利点
極低温デジタル読み出しシステムの概要
GaAs JFETを用いた集積回路の現状
32chマルチチップモジュール
まとめ
極低温読み出し回路の導入目的

極低温（<4K）で運用する検出素子からの信号を精度よ
く読み出すため

多素子の検出器アレイと組み合わせたカメラの実現
○多チャンネル拡張の可能性を有すこと
->マルチプレックスが容易
->とても低い消費電力
⇒多チャンネル極低温読み出しシステムの実現
（タイムドメイン型・高インピーダンスタイプの検出素子）
極低温読み出し回路の世界的状況
Spitzer
/MIPS, SOFIA
/AIRES
Hershel
/PACS
AKARI
/FIS
Si CMOS
(特殊基板)
Si CMOS
(特殊基板)
Si pMOS
(商用プロセス)
運用温度
1.5K-3.4K
1.5K-2.0K
1.7K-2.2K
増幅回路方式
DC CTIA
AC CTIA
DC CTIA
消費電力（mW）
1.3
4
10
増幅回路
増幅率
>1000
>1000
>300
マルチプレクサ
論理ゲート
2n本のDI
シフトレジスタ
単純
1chに1本のDI
運用可能速度
？
～10k Hz？
～10 kHz
全て半導体光検出素子と組み合わせて使用されている。
○特殊基板だと
初期不良率が
大きい。
Ex. Spitzerの回
路：おおよそ
50%
○極低温FET特
性が良くない
Ex. Hershelの
FET特性
GaAs JFETsのススメ
GaAs JFETは極低温（<4K, 0.3Kでも）、低消費電力
（<1mW）でとても良い静特性をもつ。
 D(Depletion)型、E(Enhancement)型両方とも存在し、いく
つかのゲートサイズも選択できる。
 EFETのON抵抗が比較的小さく（<1MW）、OFF抵抗が非
常に大きい（>10TW）。またゲート容量も小さい（<100fF）。
 入力換算電圧性雑音が比較的小さく（~1mVr/Hz0.5）、
ゲートリーク電流がとても小さい(<10aA)。
 高インピーダンスの負荷と組み合わせても超過雑音が
発生しない。＝SiMOS回路に対する明白な利点
×nJFETしか無い（商用では製造していない）。

構想するデジタル読み出し回路システム
極低温
駆動
クロック
シフトレジスタ
（SIS光子検出器）
回路
電源
A/D
電荷積分と
インピーダンス変換回路
電圧分配器
サンプル
アンド
ホールド
マルチプレクサ
駆動
クロック
CMOSカメラシステムのコピーであり、Hershel/PACS用と似た構成
多チャンネル電荷積分型増幅回路
2008年設計積分回路
C=3pF

消費電力：<3mW/ch

実効増幅率：>1800（Best）
反転増幅回路の増幅率：>5000
Rd

オフセット電圧ばらつき：～0V
ch毎に調整できる

Vb
入力換算電圧性雑音：～3mVrms/Hz0.5@1Hz
Vb=+4mV
0.4
OUT(V)
0.3
16ch集積回路
0.2
0.1
0
1.9mm X 7.6mm
-0.1
-0.2
-0.3
0
0.001
0.002
time(s)
0.003
0.004
32chシフトレジスタと
32chサンプルホールドつきマルチプレクサ
32ch Multiplexer with sample-and-holds
32ch Shift-Register
Combination test Raw Data
DIP Package
Input Signal
0.3
0.7
MUXOUT1
CH1
CH8
0.2
0.6
0.1
0.5
0
32-channel Multiplexer
0.4
-0.1
32-channel Shift-Register
-0.3
4K
Input
L N2
P.S.
32chシフトレジスタと32chサ
ンプルホールドつきマルチ
プレクサをDIPパッケージ上
で直接ボンディングして極
低温で動作試験。
総消費電力~ 200 mW
0.2
0
0.1
0.2
A/D
L He
Clocks
0.3
-0.2
0.3
0.4
0.5
0
0.1
CH1
time(s)
0.3
0.4
0.5
time(s)
CH8
CH1 OUTPUT
0.7
0.2
CH8 OUTPUT
0.7
MUXOUT1-CH1
0.6
0.6
0.5
0.5
0.4
0.4
0.3
0.3
0.2
0.2
0.1
0.1
MUXOUT1-CH8
0
0.1
0.2
0.3
time(s)
0.4
0.5
0
0.1
0.2
0.3
0.4
time(s)
MST/SLVに起因するスパイクノイズが見えている
0.5
32ch電圧分配器



2008年設計
32chシフトレジスタ＋サンプルホールド
チャンネルごとに別の電圧を出力できる回路。
16chAC結合CTIAの電源電圧パラメーターをチャン
ネル毎に与えることができる。入力信号と10番目及び20番目の出力
消費電力：0.52mW/ch
1.9mm X 7.6mm
他の極低温読み出し回路との比較
Spitzer
/MIPS, SOFIA
/AIRES
Hershel
/PACS
AKARI
/FIS
Our Study
Si CMOS
(特殊基板)
Si CMOS
(特殊基板)
Si pMOS
(商用プロセス)
GaAs nJFET
(商用プロセス)
運用温度
1.5K-3.4K
1.5K-2.0K
1.7K-2.2K
0.3K-4.2K
増幅回路方式
DC CTIA
AC CTIA
DC CTIA
AC CTIA
消費電力（mW）
1.3
4
10
10 (3+5+1+2)
増幅回路増幅率
>1000
>1000
>300
>1800
マルチプレクサ
論理ゲート
2n本のDI
シフトレジスタ
単純
1chに1本のDI
シフトレジスタ
マルチプレクサ数
32ch/unit
64ch/unit?
5ch/unit
32ch以上
運用可能速度
？
～10k Hz？
～10 kHz
>100 kHz
我々の開発した極低温読み出しシステムは、大規模アレイとの組み合わせ運用に堪える。
極低温デジタル読み出しシステムの実証へ
32chマルチチップモジュール
単独のICを極低温で組み合
わせて使用するため。
LTCC
Detector
昨日（2010/3/5）納入
16ch電荷積分型増幅回路
16ch電荷積分型増幅回路
32chサンプルホールドつき
マルチプレクサ
32chサンプルホールドつき
マルチプレクサ
32chシフトレジスタ
32chシフトレジスタ
Room Temperature
Electronics
32ch電圧分配器
32ch電圧分配器

40mm X 30 mm X 2mm

現状総消費電力：
< 400 mW
この大部分はシフトレジス
タの消費電力
32chマルチチップモジュール
SNAPSHOT
ROLLING
まとめ





GaAs JFETで構成された各種集積回路：電荷積分型増幅回路、
マルチプレクサ、シフトレジスタ及び電圧分配器の極低温に
おける特性を確認した。
多素子の検出器アレイと組み合わせることが可能な拡張性
の高い多チャンネル極低温読み出しシステムの概念設計を
行った。
GaAs JFETで構成された各種回路を電気的にコンパクトに接
続するための32chマルチチップモジュールを設計した。昨日
納入。
現状のシステムは各回路の消費電力が更なる多チャンネル
化における課題になっている。
このシステムは高インピーダンスタイプの極低温で運用する
あらゆる検出素子と組み合わせることが可能。

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