l’ASIC “SQMUX128” réalise le mul­ti­plex­age tem­porel de 4 colonnes de 32 SQUID en série pour la lec­ture de 128 TES. L’ASIC intègre :

- un amplifi­ca­teur de ten­sion ultra bas bruit à 4 entrées mul­ti­plexées pour la lec­ture des 4 colonnes de SQUID ;

- une source de courant pour la polar­i­sa­tion de l’amplificateur multiplexé ;

- une source de courant de polar­i­sa­tion AC asso­ciée à un mul­ti­plexeur 1:32 pour l’adressage des 32 lignes de SQUID au tra­vers de capac­ités d’adressage ;

- deux références de ten­sions pour l’ajustement du mode com­mun en entrée de l’amplificateur mul­ti­plexé et en sor­tie de la source de polar­i­sa­tion AC des SQUID ;

- un cir­cuit numérique qui, à par­tir d’un sig­nal d’horloge externe (f_MUX = 100 kHz), per­met de gér­er l’adressage ligne / colonne du multiplexeur ;

- un lien série pour l’adressage des blocs paramé­tra­bles comme les références de ten­sion, les sources de courant de polar­i­sa­tion ou le cir­cuit d’adressage ligne / colonne du multiplexeur.

Le choix d’une tech­nolo­gie com­mer­ciale stan­dard garan­tit un process sta­ble et une repro­ductibil­ité des per­for­mances d’un run à l’autre. Par ailleurs, les tran­sis­tors bipo­laires à hétéro­jonc­tion Sili­ci­um Ger­ma­ni­um (SiGe) et par voie de con­séquence les tech­nolo­gies BiC­MOS SiGe sont par­ti­c­ulière­ment prédis­posées aux appli­ca­tions cryo­géniques. En effet, les HBT (Het­ero­junc­tion Bipo­lar Tran­sis­tors) SiGe présen­tent, à basse tem­péra­ture, des per­for­mances accrues notam­ment en ter­mes de transcon­duc­tance et de gain en courant ce qui rend leur util­i­sa­tion prop­ice aux développe­ments de fonc­tions analogiques comme l’amplification de sig­naux. A con­trario, les tran­sis­tors MOS étant soumis au phénomène de kink‑effect pour des tem­péra­tures T ≤ 30 K, on réservera leur usage essen­tielle­ment à la réal­i­sa­tion des cir­cuits numériques, moyen­nant des pré­cau­tions d’usage au niveau lay­out pour s’affranchir des effets de gel des porteurs.

En con­trepar­tie, les mod­èles de sim­u­la­tion four­nis par les fondeurs n’étant plus valides pour des tem­péra­tures de fonc­tion­nement cryo­géniques et faute de moyens et de temps néces­saires pour les dévelop­per, on est con­traint de s’appuyer sur des résul­tats issus d’une phase de car­ac­téri­sa­tion expéri­men­tale préal­able de la tech­nolo­gie visée. Cette phase est néces­saire pour pré dimen­sion­ner les cir­cuits et extrapol­er leurs per­for­mances à tem­péra­ture cryo­génique en fonc­tion des résul­tats de sim­u­la­tion obtenus, à tem­péra­ture ambiante, à l’aide des out­ils de CAO standards.

Cette méthodolo­gie nous con­traint le plus sou­vent à adopter des topolo­gies de cir­cuit sim­ples et robustes dans le sens où il faut à coup sûr pou­voir prédire et anticiper les dérives éventuelles des prin­ci­paux paramètres comme les points de fonc­tion­nement, le gain, la bande pas­sante, la marge de phase pour les sys­tèmes contre‑réactionnés, etc…

Ain­si, à titre d’exemple, l’amplificateur bas‑bruit implé­men­té dans l’ASIC “SQMUX128” est con­sti­tué d’un étage dif­féren­tiel à charges résis­tives (R_L) pour lequel les points de fonc­tion­nement et les per­for­mances sont déter­minés sans ambiguïté à par­tir des résul­tats de car­ac­téri­sa­tion en tem­péra­ture col­lec­tés préalablement.

L’expression du gain en ten­sion dif­féren­tiel est don­née par :

A_VD » ‑g_m×R_L

Sachant que de 300 K à 4,2 K on béné­fi­cie d’un accroisse­ment d’un fac­teur 5 de la transcon­duc­tance gm des tran­sis­tors bipo­laires pour la tech­nolo­gie considérée :

g_m(T) = α(T)×I_C/26 mV où 26 mV = V_T = kT/q à T = 300 K

α(T) étant le paramètre d’ajustement en tem­péra­ture, déter­miné expérimentalement :

α(T = 300 K) » 1 et α(T = 4,2 K) » 5

L’ajustement de la valeur du gain con­siste donc à déter­min­er I_C et R_L tout en prenant en compte l’évolution de α(T) pour un fonc­tion­nement à une tem­péra­ture T donnée.

Par ailleurs, la DSP équiv­a­lente de bruit en ten­sion, ramenée en entrée, dans la zone de bruit blanc est :

La con­tri­bu­tion des deux pre­miers ter­mes est min­imisée en met­tant un grand nom­bre de tran­sis­tors con­sti­tu­ant la paire dif­féren­tielle en par­al­lèle pour réduire la valeur de la résis­tance de base intrin­sèque R_bi glob­ale. L’optimisation des per­for­mances en bruit con­siste alors à déter­min­er I_C et R_L pour min­imiser la con­tri­bu­tion pré­dom­i­nante des deux derniers ter­mes. Un fonc­tion­nement à basse tem­péra­ture con­tribue intrin­sèque­ment à une diminu­tion du bruit blanc.

Une fois fon­du et avant d’être inté­gré dans la chaîne de lec­ture de l’instrument pour lequel il a été dévelop­pé, l’ASIC a été testé fonc­tion­nelle­ment et car­ac­térisé qual­i­ta­tive­ment. Ain­si, con­cer­nant l’amplificateur bas‑bruit inté­gré, de 300 K à 77 K, le gain en ten­sion mesuré passe de 20 V/V à 70 V/V et la ten­sion de bruit blanc dimin­ue de 0,95 nV/√Hz à 0,25 nV/√Hz.

La matrice de 256 TES, réal­isée au CSNSM et à l’IEF d’Orsay, est refroi­die à une tem­péra­ture de 100 mK. L’électronique de lec­ture asso­ciée est con­sti­tuée d’un pre­mier étage à SQUID (préam­plifi­ca­teur tran­sim­pé­dance cryo­génique ultra‑bas bruit). A chaque TES est asso­cié un SQUID (puce de la com­pag­nie améri­caine STAR­Cryo), au total, 256 SQUID refroidis à une tem­péra­ture de 1 K sont donc néces­saires pour la lec­ture d’un quart de plan focal. Les ASIC que nous dévelop­pons per­me­t­tent la mise en œuvre du mul­ti­plex­age tem­porel de 128 SQUID. Les tests de val­i­da­tion ont donc été réal­isés en util­isant 2 ASIC “SQMUX128” placés sur l’étage à 77 K de la dilution.

Le sys­tème d’acquisition et de con­trôle à tem­péra­ture ambiante (cartes “NetQuiC”), sous la respon­s­abil­ité de l’IRAP (Toulouse), regroupe l’ensemble des fonc­tions néces­saires à la numéri­sa­tion et au traite­ment du sig­nal mul­ti­plexé ain­si que la généra­tion des sig­naux utiles pour la ges­tion des cir­cuits fonc­tion­nant à tem­péra­ture cryo­génique. L’IRAP a égale­ment dévelop­pé l’interface soft­ware (logi­ciel “QUBIC Stu­dio”) pour le con­trôle du mul­ti­plexeur, l’acquisition des don­nées et leur visualisation.

Des tests fonc­tion­nels prélim­i­naires ont tout d’abord per­mis de valid­er l’architecture glob­ale de la chaîne de lec­ture avec un taux de mul­ti­plex­age tem­porel effec­tif jusque‑là jamais atteint de 1:128 par voie de mesure. Cette chaîne de lec­ture a été ensuite mise à con­tri­bu­tion pour la car­ac­téri­sa­tion des matri­ces de TES.

Les TES sont polar­isés à ten­sion con­stante pour béné­fici­er de la contre‑réaction élec­trother­mique (Elec­trother­mal Feed­back ou ETF) et tra­vailler à puis­sance min­i­male (Pmin) con­stante. Un relevé automa­tique des car­ac­téris­tiques I‑V et P‑V est réal­isé pour chaque TES à dif­férentes tem­péra­tures de bain sous la T_C (tem­péra­ture cri­tique). A par­tir de ces mesures, on reporte sur un graphe l’évolution de Pmin en fonc­tion de la tem­péra­ture de bain. Un ajuste­ment de cette courbe per­met alors d’extraire les paramètres, notam­ment la con­duc­tance ther­mique G, néces­saires à l’estimation du NEP (Noise Equiv­a­lent Pow­er) de chaque TES.

En repro­duisant cet exer­ci­ce sur une ving­taine de TES aléa­toire­ment dis­tribués sur une matrice de 256 pix­els (P41) on obtient l’histogramme de Pmin de tous les pix­els testés pour une tem­péra­ture de bain de 350 mK. L’histogramme de G donne une valeur moyenne de 106 pW/K. On en déduit, en pre­mière approx­i­ma­tion, la dis­tri­b­u­tion du NEP avec une valeur moyenne de 2,6 ×10^‑17 W/√Hz à 350 mK. Cette valeur est pleine­ment com­pat­i­ble avec les besoins de l’instruments QUBIC (NEP  5 ×10^-17 W/√Hz).