Enhancing the Noise Performance of Low Noise Amplifiers - With Applications for Future Cosmic Microwave Background Observatories AthesissubmittedtotheUniversityofManchesterforthedegreeofDoctorof PhilosophyintheFacultyofEngineeringandPhysicalSciences 2013 MarkAnthonyMcCulloch SchoolofPhysicsandAstronomy 2 Contents ListofFigures 9 ListofTables 13 ListofAbbreviations 15 Abstract 17 Declaration 19 Copyright 21 Acknowledgements 23 Preface 26 1 LowNoiseAmplifiers(LNA)andRadioAstronomy 27 1.1 RadioAstronomyandtheImportanceofAmplification . . . . . . . . . . 28 1.1.1 TheRadioSpectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 1.1.2 RadioReceivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 1.1.3 CoherentReceivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 1.2 TheCosmicMicrowaveBackground(CMB) . . . . . . . . . . . . . . . . 32 1.2.1 EarlyWork . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 1.2.2 PenziasandWilson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3 1.2.3 CMBandCMBAnisotropiesObservatories . . . . . . . . . . . . 36 1.2.4 CurrentObservationalAims . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 1.2.5 PolarisationObservatories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2 LowNoiseAmplificationandTheProblemofNoise 49 2.1 LowNoiseAmplifiers(LNAs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 2.1.1 NoiseFigureandGain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 2.1.2 SParameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 2.2 Semi-conductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 2.2.1 BandTheory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 2.2.2 Doping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 2.2.3 ElectronMobility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 2.3 TheFieldEffectTransistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 2.3.1 Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 2.3.2 Heterostructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 2.3.3 TheFETasanAmplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 2.4 HighElectronMobilityTransistors(HEMTs) . . . . . . . . . . . . . . . 62 2.4.1 BasicStructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 2.4.2 BandBendingandthe2-DEG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 2.4.3 TheT-gate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 2.5 TheEquivalentCircuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 2.5.1 TheParameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 2.6 Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 2.6.1 SourcesofNoise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 2.7 TheModelingofNoise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 2.7.1 NoiseParameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 2.7.2 ThePospieszalskiEquivalentTemperatures . . . . . . . . . . . . 80 4 3 UltraLowTemperatureOperations 83 3.1 NoiseTemperatureandPhysicalTemperature . . . . . . . . . . . . . . . 84 3.1.1 NoiseParametersandTemperature . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 3.1.2 ThePospieszalskiTemperatureParameters . . . . . . . . . . . . 85 3.2 TheCryostat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 3.2.1 Layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 3.2.2 ThermalBreak . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 3.2.3 TemperatureControlandMonitoring . . . . . . . . . . . . . . . 90 3.2.4 The1KFridge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 3.3 TheNoiseTestSet-up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 3.3.1 TheNoiseFigureMeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 3.3.2 TheMixer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 3.3.3 Localoscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 3.3.4 VariableTemperatureLoad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 3.3.5 NoiseSource . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 3.3.6 TheY-factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 3.4 DrainCurrentandTemperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 3.5 PhysicalTemperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 3.5.1 JPLMMICAmplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 3.5.2 QUIJOTE1.3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 3.6 Uncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 3.7 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 3.8 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 4 TheTransistorinfrontofMMIC(T+MMIC)LNA 111 4.1 LNAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 4.1.1 MICLNAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 5 4.1.2 MMICLNAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 4.2 T+MMICLNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 4.2.1 TheoreticalBackground . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 4.2.2 TheTransistorandtheMMIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 4.2.3 TheLNAModule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 4.2.4 TheoreticalNoisePerformance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 4.3 Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 4.3.1 TheEquivalentCircuitParameters . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 4.3.2 TheFaradayMMIC’sSParameters . . . . . . . . . . . . . . . . 130 4.3.3 PassiveComponents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 4.3.4 TheModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 4.4 Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 4.4.1 27-33GHzPerformance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 4.4.2 26-36GHz(MMICband)Performance . . . . . . . . . . . . . . 139 4.4.3 Stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 4.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 4.5.1 20KPhysicalTemperaturePerformance . . . . . . . . . . . . . . 143 4.5.2 InputMatchingandTransmissionLines . . . . . . . . . . . . . . 143 4.5.3 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 4.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 5 FutureApplications 147 5.1 DrawbackstoCoolingandtheT+MMICApproach . . . . . . . . . . . . 147 5.2 T+MMICVersion2.0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 5.2.1 FirstStageDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 5.3 PotentialPerformance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 5.4 DrainTemperatureInvestigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 6 6 ConcludingRemarksandtheFuture 157 6.1 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 6.2 TheFuture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 6.2.1 IncreasingtheNumberofReceivers . . . . . . . . . . . . . . . . 159 6.2.2 Transistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 6.2.3 NewTypesofAmplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 6.3 ClosingRemarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 AppendixA DerivationoftheRMSThermalNoiseVoltage(V ) 165 n AppendixB T+MMICLNAModule: Designs 169 Bibliography 175 NumberofWords: 45639 7 8 List of Figures 1.1 Coherentandbolometerreceiversystems . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 1.2 IllustrationoftheradiometerusedbyPenziasandWilson . . . . . . . . . 37 1.3 5YearWMAPCMBangularpowerspectrum . . . . . . . . . . . . . . . 39 1.4 The9yearWMAPallskymap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 1.5 ThePlanckallskymap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 1.6 Thedevelopmentofaquadrupoleradiationfield . . . . . . . . . . . . . . 43 1.7 EandBmodepolarizationpatterns. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.1.1 Thenoisefigureandgainofanamplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 2.1.2 Abasic2portnetwork . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 2.2.1 Thebandstructureofmetals,semi-conductorsandinsulators . . . . . . . 54 2.3.1 ThestructureofaGaAsbasedFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 2.3.2 Banddiagramsillustratingtheformationofthedepletionregion . . . . . 59 2.3.3 TheFETasanamplifier. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 2.3.4 WhyFETsmakegoodamplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 2.4.1 The relationship between electron mobility and temperature for a FET andaHEMT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 2.4.2 ThestructureofabasicInPHEMT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 2.4.3 Conduction and valence band characteristics at the hetero-junction be- tween2semi-conductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 9 2.4.4 AT-gate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 2.4.5 SEMimagesofaHughes4x25µmHEMT . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 2.5.1 Asmallsignaltransistorequivalentcircuit . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 2.5.2 A3Dtransistorequivalentcircuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 2.6.1 ThevoltageoutputofaresistorofresistanceRattemperatureT . . . . . 73 2.6.2 AThe´veninequivalentcircuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 2.6.3 Noisetemperatureofanamplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 2.6.4 Asimplifiednoiseequivalentcircuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 2.7.1 ThePospieszalskinoiseequivalentcircuit . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 3.2.1 Thelayoutofthe1Kcryostat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 3.2.2 CADimagesofthethermalbreak . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 3.3.1 Blockdiagramillustratingthenoisetestsetup . . . . . . . . . . . . . . . 92 3.3.2 Imageofthenoisetestset-up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 3.3.3 Thevariabletemperatureload . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 3.3.4 TheY-factorapproachtomeasuringanLNA’snoisetemperature . . . . . 96 3.4.1 Mean noise temperature with respect to drain current at various tempera- turesforthePlanckEBBamplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 3.4.2 Mean noise temperature with respect to drain current at various tempera- turesfortheT+MMICamplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 3.5.1 TheJPLMMICLNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 3.5.2 JPLLNA:noiseandgainperformanceat6Kphysicaltemperature . . . . 102 3.5.3 MeannoisetemperatureoftheJPLMMICfrom2Kto290K . . . . . . . 102 3.5.4 ImageoftheQUIJOTE1.3LNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 3.5.5 QUIJOTELNA:noiseandgainperformanceat8Kphysicaltemperature . 104 3.5.6 MeannoisetemperatureoftheFaradayLNAfrom4Kto290K . . . . . . 105 3.6.1 RepeatmeasurementsforthePlanckEBB . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 10