液体窒素冷却広帯域プリアンプ

（概要） 液体窒素(77K)に浸すことにより、低ノイズになります。雑音指数（Noise Figure: NF)は0.4dBを切ります。 10MHz以下では世界最高（多分）。これまでに４０台以上核磁気共鳴(NMR)研究用に出荷されています。通常HF-VHF帯では地球の熱雑音や銀河雑音等が大きいのでこれほどの性能は必要にはならないのですが、低温でのNMR法ではピックアップコイルからの熱雑音が少ないため、大きな意味を持ってきます。市販のNMR用常温プリアンプは雑音指数にして1.0dB程度であるので、このプリアンプを使うと理想的な状況では３倍速く測定を行うことができます。
HEMT(High Electron Mobility Transistor, 高電子移動度トランジスタ)を８個！パラレルで使ってます。

Specifications
帯域 1.5-270MHz
雑音指数 0.3dB(10MHz-60MHz)
デッドタイム 2μs以下
リターンロス約8dB

量産機

自作版の設計を元に、現在までに２０機超生産。秋葉原の某業者で。部品数が３００個程度と多く基板も国内生産、セミリジッド同軸が６本なので、結構いいお値段です。自作版（設計図PDF）との違いは、空芯コイルから表面実装インダクタにしたことと、高周波特性を150→270MHzにアップしたこと。低周波特性と過渡特性を両立させてデッドタイムを抑えてあります。６層FR4基板で実装しました。

旧旧バージョン

常温部のバイアス回路のフィルタ時定数を変えることによって多少特性が変化します。高周波向けと低周波向けの２種類作りました。両面基板で実装したので、 HEMTの発振を抑えるのに多少難有り。ドレイン電流は抵抗を使って流しているため、発熱が大きく液体窒素は１日あたり１Lぐらいの消費量になります。

低デッドタイム/低ノイズ版

Specifications
帯域 3-150MHz
雑音指数 0.3dB(10MHz-100MHz)
デッドタイム 2μs以下

低周波版

Specifications
帯域 0.5-100MHz
雑音指数 0.5dB(10MHz-100MHz)
デッドタイム 5μs以下

回路解説

HEMTはヘテロ接合によりアンドープ層に２次元電子ガスのチャネルを形成してます。MOS-FET等と違い冷やせば冷やすほど、ゲインが上昇し1/fノイズが減少する結果、他の素子では得られない様な低ノイズ性能を得ることができます。しかし、本来マイクロ波帯用である為、低周波での使用では

1/fノイズが大きい
入力インピーダンスをΓoptに合わせるのが難しい
発振を抑えるのが難しい
設計データが提供されていない

といった深刻な問題があります。この回路はインピーダンス変換を行わずにHEMTパラという特殊な構成になっていますが、それには理由があります。まず、入力段の損失はその分雑音指数が増加することを意味するため、入力段のゲートまでのラインは超低損失でしないといけません。次に、極低温では固体部品の物理的性質の変化の為、使用可能な回路部品が非常に限られます。
極低温で使用不可能な部品は、例えば、

ほとんどの半導体。
強磁性体（フェライト等）を利用した部品。つまりインダクタ。
高誘電率のセラミックコンデンサ。
海外製の部品。なぜなら熱応力で壊れやすい。

です。経験的に使用可能だと分かっている物は、

HEMT, MOS-FET, ショットキバリアダイオードの一部。
低誘電率セラミックコンデンサ、プラスチック系コンデンサ。
薄膜抵抗。

等が上げられます。低周波(100MHz以下)ではインダクタ／トランスはフェライトコアを使わないと現実的ではないので、実質的に極低温ではインピーダンス変換ができません。なのでこのプリアンプでは、HEMTを並列にして出力インピーダンスを合わせ、 NFを下げるという変則的な構成になってます。入力インピーダンスはほとんど負帰還で決まってますが、NFに最適化する為に帰還はゆるくかけてます。
NMR用であるため、数100Wのパルスに耐えその後にすぐ回復しないといけないのですが、HEMTには通常のNMR用プリアンプよりきつい制約があります。 HEMTのようなショットキ接合型のゲート構造はVGS >= +1V程度で破壊する為、保護ダイオードはショットキバリアダイオードでないといけません。高周波用の大電流タイプが見つからないので、仕方なく20個ほど並列につないでます。回復時間（デッドタイム）については、これを細小にする為にOPアンプ+MOS- FETによる定電流回路とLCフィルタを常温部においています。LCの定数はSpiceで過渡応答解析をして決めました。部品数は多くなりましたが、結果として無視できるレベルのデッドタイムになっていると思います。

低温法による雑音指数（NF）の測定について

雑音指数(Noise Figure)は、アンプ入力前後のS/Nの悪化度合い、(S/N)_in / (S/N)_out、で定義される。通常は、入力雑音として290 Kの熱雑音（k_BT = -173.98 dBm/Hz）を基準とする。２種類の既知のノイズソース、異なる温度の熱雑音を用いて出力ノイズ強度を測定すれば、アンプのNFを決定することができる。

N_out(T) = Gain x k_BT + N_ampであるから、

N_amp / Gain = (T₂ x N_out(T₁) – T₁ x N_out(T₂)) / (N_out(T₂) – N_out(T₁))となり、以下の式よりNFが求まる。

NF = (S/N)_in / (S/N)_out = (S / k_B x 290 K) / (Gain x S / (Gain x k_B x 290 K + N_amp) = 1 + N_amp / (Gain x k_B x 290 K)dB表示では、10 log₁₀(1 + N_amp / (Gain x k_B x 290 K))である。
室温と液体窒素温度でのターミネータを利用し、雑音強度はスペクトラムアナライザーを用いて測定することで求めることが出来るが、レベルが小さいので工夫が必要である。まず、入力はセミリジッド／セミフレキ同軸のみでフルシールドする必要がある。スペクトラムアナライザーの設定は、ゼロスパン、アッテネーターOFF、RBWを0.1MHz程度以下、VBWを最小に、アベレージ機能、ノイズマーカーを使用する。また、スペクトラムアナライザー自身のノイズを別途測定し差し引くか、プリアンプを追加する必要がある。

回路図R3(200MHz版)（pdf）、回路図R4(270MHz版、R3からの改造法は取説付録)（pdf）、パーツリスト（pdf）作成法補足（pdf）取説（pdf）	PCB（pdf） PCBガーバー（zip）ケース図面（pdf）
先行試作機の雑音指数（Noise Figure: NF）。低温法で測定。	先行試作機のゲイン 270MHz版(R4)のゲイン
低温部写真（裏面）白い丸がHEMT。	常温部写真

回路図（pdf）	雑音指数（Noise Figure: NF）。低温法で測定。入力に1:4インピーダンス変換トランスをつけたもの(“w/ trans”)とつけないもの(“w/o trans”)。
FR4基板パターン（pdf）	常温部基板写真
低温部基板表の写真	低温部基板裏の写真