feat(tex): ✨ work on the Auslegung

TeX/Arbeit.tex

@@ -108,25 +108,8 @@
 \include{Kapitel/Grundlagen}
 
 
-\chapter{Auslegung des Transimpedanzverstärkers}
-\section{Zielparameter}
+\include{Kapitel/Auslegung}
 
-\section{Analyse der Parasitäreffekte}
-\subsection{Effekte der passive Bauelemente}
-\subsubsection{Parasitäre Rückkopplungskapazität}
-\subsubsection{Thermisches Rauschen}
-\subsubsection{Parasitäre Eingangskapazität}
-
-\subsection{Effekte des OpAmp}
-\subsubsection{Verstärkungs-Bandbreiten-Produkt}
-\subsubsection{OpAmp-Rauschen}
-
-\section{Untersuchung von Kompensationsmöglichkeiten}
-
-\section{Design der Schaltung}
-\todo{Is 'Design' an acceptable word?}
-
-\section{Design des PCBs}
 
 \chapter{Vermessung}
 

TeX/Kapitel/Auslegung.tex

@@ -0,0 +1,207 @@
+\chapter{Entwicklung des Transimpedanzverstärkers}
+
+In diesem Kapitel wird auf die Auslegung eines spezifischen TIV-Schaltkreises eingegangen.
+Es werden die zu erreichenden Zielparameter des Verstärkers festgelegt und erläutert.
+Hiernach werden verschiedene Bauteile zur Auswahl gezogen, wobei die limitierenden parasitären Effekte dieser dar gestellt werden.
+Eine Auswahl der Bauteile wird mit Hinsicht auf die Zielparameter des Designs durchgeführt.
+
+\section{Zielparameter}
+
+Wie in Abschnitt \ref{chap:tia_in_ims} dargestellt, ist die Aufgabe eines TIVs im IMS,
+die Stromflüsse der Ionenpackete auf eine messbare Spannung zu verstärken. Hierbei soll der TIV die Form eines solchen
+Packetes möglichst akkurat dar stellen. Für das in dieser Arbeit ausgewählte IMS-Verfahren ist bereits die Größe der Ionen-Pakete bekannt\todo{Insert ref here}.
+Somit können aus diesen Messwerten die Zielwerte des Verstärkers abgeleitet werden.
+
+Für eine erste Auslegung wird das folgende IMS-System angestrebt: \todo[inline]{Describe IMS}.
+Dieses generiert Ionenpackete mit einer Gausschen Verteilung \todo{verify this} mit einer Standardabweichung von circa $\SI{1.5}{\micro\second}$.
+Um diese Packete abbilden zu können ist eine Bandbreite von mindestens $\SI{30}{\kilo\hertz}$ notwendig.
+Die größte Peak-Amplitude, die hierbei zu erwarten ist, ist circa \todo{Insert peak amplitude}. Somit reicht ein Eingangsbereich des TIV von $\pm\SI{1}{\nano\ampere}$.
+
+\begin{figure}
+    \centering
+    \missingfigure{Include figure for an example IMS peak shape}
+    \caption{\label{fig:example_ims_peak}Messung eines beispielhaften Ionen-Peaks}
+\end{figure}
+
+Der Ausgang des TIV wird einen Analog-Digital-Wandler (im folgenden ADC) antreiben. Diese Bauteile wandeln ein
+Spannungssignal in ein digitales Signal um, welches vom Rest des Systems ausgewertet werden kann. Der im Ziel-IMS ausgewählte ADC,
+der \todo{insert ADC name}, hat einen Eingangsbereich von $\pm\SI{2}{\volt}$\todo{verify}. Somit kann die Gesamtverstärkung des TIVs festgelegt werden als:
+$A_\mathrm{TIV} = V_\mathrm{out}/I_\mathrm{in} = \SI{2}{\volt} / \SI{1}{\nano\ampere} = \SI{2}{\giga\ohm}$
+
+\section{Analyse der Parasitäreffekte}
+
+Im folgenden werden die bereits in Kapiteln 
+\ref{chap:basics_parasitics} und \ref{chap:basics_opamp} beschriebenen parasitären Effekte
+im Kontext des TIVs genauer untersucht. Die Auswirkungen der verschiedenen Effekte auf das Verhalten 
+der Schaltung werden beschrieben, und Grenzwerte für bestimmte Parameter mithilfe der Zielparameter bestimmt.
+Ebenfalls werden Möglichkeiten zur Reduktion einiger Parasitäreffekte beschrieben.
+
+\subsection{Effekte der passive Bauelemente}
+
+In diesem Kapitel wird auf das Verhalten der passiven Bauteile eingegangen, und wie deren parasitäre
+Effekte den Schaltkreis beeinflussen. Dies bezieht sich überwiegend auf den Rückkoppelwiderstand und
+die parasitären Kapazitäten der Schaltung.
+
+\subsubsection{Parasitäre Rückkopplungskapazität}
+
+Der Rückkoppelwiderstand ist ein zentrales Bauteil des TIVs, welcher die Verstärkung 
+des gesamten Schaltkreises festlegt.
+Bisher wurde von einem idealen Widerstand ausgegangen, jedoch besitzen alle Bauteile eine parasitäre Kapazität, 
+wie in Kapitel \ref{chap:basics_parasitics} festgelegt wurde.
+Abbildung \ref{fig:example_r_cp} in diesem Kapitel zeigt, dass diese Kapazität
+an hochohmigen Widerständen schon bei geringeren Frequenzen einen Einfluss auf die Bandbreite haben kann.
+
+Nun soll genauer auf den Ursprung der Kapazität, den zu erwartenden Wert, sowie mögliche Mitigationen eingegangen werden.
+Um dies zu erreichen, wird eine Simulation in dem Programm ``CST Studio Suite 2021'' eingerichtet. Dieses Programm erlaubt die Simulation
+verschiedener elektrostatischer und dynamischer Modelle, um zum Beispiel die kapazitive Kopplung einer Schaltung untersuchen zu können.
+
+Als erster Ansatz wird von einem Dickfilm-Widerstand im Gehäuseformat ``1206'' ausgegangen.
+Diese Größe bietet eine angemessene Auswahl von Widerstandswerten in der Größenordnung eines TIV-Rückkoppelwiderstandes an,
+und ist leicht erhältlich. Somit ist dies ein guter Kanditat für den im späteren Design verwendeten Widerstand.
+Diese Art von Widerstand besteht aus einem Keramik-Kern mit zwei metallisierten Anschlüssen an den Enden und einem Kohle-Film, welcher
+den eigentlichen elektrischen Widerstand bildet. Das in CST erstellte Modell diesen ist in Abbildung \ref{fig:cst_model_1206} dargestellt.
+
+\begin{figure}[h]
+    \begin{subfigure}[t]{.5\linewidth}
+        \centering
+        \includegraphics[width=0.9\textwidth]{entwicklung/cst_model_r1206.png}
+        \subcaption{\label{fig:cst_model_1206}Modell des 1206-Widerstandes}
+    \end{subfigure}%
+    \begin{subfigure}[t]{.5\linewidth}
+        \centering
+        \includegraphics[width=0.9\textwidth]{entwicklung/cst_model_r1206_flipchip.png}
+        \subcaption{\label{fig:cst_model_1206_flipchip}Modell des 1206-Flipchip-Widerstandes}
+    \end{subfigure}
+    \caption[CST-Widerstandsmodelle]{Die in CST Studio Suite 2021 erstellten Widerstandsmodelle.
+    Zu sehen ist die Keramik in weiß, die Metallkontakte in Braun, und der Kohlefilm in Dunkellila}
+  \end{figure}
+  
+
+Eine weitere mögliche Bauart eines Widerstandes ist die sog. Flipchip-Terminierung.
+Hierbei wird die Metallisierung nur auf einer Seite der Keramik, neben dem Widerstandsfilm, aufgebracht.
+Dies soll Streueffekte und Kapazitäten verringern. Das für diese Widerstandsart erstellte Modell ist 
+in Abbildung \ref{fig:cst_model_1206_flipchip} dargestellt.
+
+Mithilfe dieser Modelle können nun die kapazitiven Kopplungen bestimmt werden.
+Hierfür wird der ``Electrostatic Solver'' genutzt, welcher die elektrischen Felder im statischen Zustand,
+sowie die kapazitive Kopplung von Potentialen, berechnet. Die Widerstände werden hierbei auf einer Grundfläche aus FR4 platziert.
+Dies entspricht dem Platinenmaterial einer reellen Platine, welches durch sein Dielektrikum auch Einfluss auf die Kapazitäten haben.
+Der Flipchip-Widerstand wird hierbei mit den Kontakten nach unten zeigend simuliert. Bei dem Standard-1206 Gehäuse
+werden zwei Anbringungsmöglichkeiten (Widerstandsbelag nach oben und nach unten) getestet.
+
+\begin{figure}[h]
+    \centering
+    \scalebox{-1}[1]{
+        \includegraphics[width=0.7\textwidth]{entwicklung/cst_model_simsetup.png}
+    }
+    \caption[Aufbau der Simulation der parasitären Rückkoppelkapazitäten]{\label{fig:cst_r_sim_setup}Aufbau der elektrostatischen Simulation der Widerstandskapazitäten.
+     Aufgebaut sind der Flipchip-Widerstand (rechts), ein regulärer 1206-Format Widerstand mit dem Kohlefilm auf der Unterseite (mittig),
+     und ein 1206-Widerstand in normaler Aufbauweise mit dem Film nach oben zeigend (links). Die Widerstände sind auf einem FR4-Substrat angebracht (türkis)}
+\end{figure}
+
+In der Simulation werden die metallisierten Enden der Widerstände auf unterschiedliche 
+potentiale gelegt, um das E-, D- und Potentialfeld berechnen zu können.
+Hierbei wird $\pm\SI{0.5}{\volt}$ gewählt, um ein Gesamtpotential von $\SI{1}{\volt}$ auf zu bauen.
+
+Abbildungen \ref{fig:cst_r_potentials} und \ref{fig:cst_r_ds} zeigen die Ergebnisse der Feldsimulationen
+auf. Vor allem die Darstellung des D-Feldes gibt Hinweise auf die Positionen der parasitären Kapazitäten,
+da sich die auf einer leitenden Fläche befindende Ladung wie folgt berechnen lässt:\todo{Quote Maxwell?}
+
+\begin{table}[h]
+    \centering
+    \begin{tabular}{ |c|c|c| }
+        \hline
+        \multicolumn{3}{|c|}{\caption{Ergebnisse der Kapazitätsberechnung}}
+        Typ & Kapazität \\
+        \hline
+        1206, Film obig & $\SI{57\decimalcomma 07}{\femto\farad}$ \\
+        1206, Film unten & $\SI{60\decimalcomma 41}{\femto\farad}$ \\
+        Flipchip & $\SI{51.13}{\femto\farad}$ \\
+        \hline
+    \end{tabular}
+\end{table}
+
+\begin{equation}
+    \iint \mathbf{D} \cdot dS = \iiint \rho_f dV
+\end{equation}
+
+Durch Bestimmung der Flussrichtungen des D-Feldes lassen sich somit die Quellen der
+Ladungen bestimmen. Dies ist zum Verständnis der Kapazität und der späteren Verminderung dieser
+nützlich.
+
+\begin{figure}[h]
+    \centering
+    \begin{subfigure}[b]{1\linewidth}
+        \centering
+        \includegraphics[width=0.8\textwidth]{entwicklung/cst_estatic/potential_all.png}
+        \subcaption{\label{fig:cst_estatic_potential_all}Potentialfeld der Widerstände aus oberer Ansicht}
+    \end{subfigure}
+
+    \vspace{2pt}
+
+    \hspace{0.1\linewidth}%
+    \begin{subfigure}[t]{.25\linewidth}
+        \centering
+        \includegraphics[width=1\textwidth,trim={0 0 0 0.8cm},clip]{entwicklung/cst_estatic/potential_3t_t}
+        \subcaption{Potential innerhalb des nach oben zeigenden 1206 Widerstandes}
+    \end{subfigure}\hfill%
+    \begin{subfigure}[t]{.25\linewidth}
+        \centering
+        \includegraphics[width=1\textwidth]{entwicklung/cst_estatic/potential_3t_b}
+        \subcaption{Potential innerhalb des herunterzeigenden 1206 Widerstandes}
+    \end{subfigure}\hfill%
+    \begin{subfigure}[t]{.25\linewidth}
+        \centering
+        \includegraphics[width=1\textwidth]{entwicklung/cst_estatic/potential_flip}
+        \subcaption{Potential innerhalb des Flipchip}
+    \end{subfigure}\hspace{0.1\linewidth}
+
+    \caption{\label{fig:cst_r_potentials}Die Potentialfelder der elektrostatischen Simulation
+    der Widerstände, verschiedene Ansichten}
+\end{figure}
+
+
+
+\begin{figure}[h]
+    \centering
+    \begin{subfigure}[b]{1\linewidth}
+        \centering
+        \includegraphics[width=0.8\textwidth]{entwicklung/cst_estatic/d_all}
+        \subcaption{\label{fig:cst_estatic_d_all}D-Feld der Widerstände von oberer Ansicht}
+    \end{subfigure}
+
+    \vspace{2pt}
+
+    \hspace{0.1\linewidth}%
+    \begin{subfigure}[t]{.25\linewidth}
+        \centering
+        \includegraphics[width=1\textwidth]{entwicklung/cst_estatic/d_3t_t}
+        \subcaption{Schnittfläche des D-Feldes in der Mitte des nach oben zeigenden 1206 Widerstandes}    \end{subfigure}\hfill%
+    \begin{subfigure}[t]{.25\linewidth}
+        \centering
+        \includegraphics[width=1\textwidth,clip,trim={0 0.8cm 0 0}]{entwicklung/cst_estatic/d_3t_b}
+        \subcaption{Schnittfläche des D-Feldes in der Mitte des herunterzeigenden 1206}
+    \end{subfigure}\hfill%
+    \begin{subfigure}[t]{.25\linewidth}
+        \centering        
+        \includegraphics[width=1\textwidth,clip,trim={0.2cm 0 0cm 0}]{entwicklung/cst_estatic/d_flip}
+        \subcaption{Schnittfläche des D-Feldes in der Mitte des Flipchip}
+    \end{subfigure}\hspace{0.1\linewidth}
+
+    \caption{\label{fig:cst_r_ds} Die D-Feldstärken der elektrostatischen Simulation in verschiedenen Ansichten.}
+\end{figure}
+
+
+\subsubsection{Thermisches Rauschen}
+\subsubsection{Parasitäre Eingangskapazität}
+
+\subsection{Effekte des OpAmp}
+\subsubsection{Verstärkungs-Bandbreiten-Produkt}
+\subsubsection{OpAmp-Rauschen}
+
+\section{Untersuchung von Kompensationsmöglichkeiten}
+
+\section{Design der Schaltung}
+\todo{Is 'Design' an acceptable word?}
+
+\section{Design des PCBs}

TeX/Kapitel/Grundlagen.tex

@@ -60,6 +60,7 @@ Das Messergebnis eines IMS-Laufes wird as Spektrum bezeichnet, und wird meist al
 \end{figure}
 
 \subsubsection{Aufgabe eines TIV im IMS}
+\label{chap:tia_in_ims}
 
 Wie in Kapitel \ref{chap:function_description_ims} beschrieben, beruht ein IMS auf der Messung der diskreten Ionenpakete, deren zeitlicher Versatz und Größe. Um die kleinen Ströme der Ione im Bereich von $\SI{100}{\pico\ampere}$ bis $\SI{10}{\nano\ampere}$ messen zu können, ist ein Verstärker notwendig. Dieser Verstärker wird als sog. Transimpedanzverstärker bezeichnet, da er als Eingangsgröße einen Strom hat, und eine Spannung als Ausgang gibt. Die Verstärkung wird somit in Ohm angegeben. Der TIV stellt hiermit ein zentrales Bauteil eines IMS dar, dessen Parameter maßgeblich die Qualität der Messungen beeinflusst.
 
@@ -72,6 +73,7 @@ Folgende Aufgaben werden an den TIV eines IMS gestellt:
 \end{itemize}
 
 \section{Grundlegende Parasitäreffekte}
+\label{chap:basics_parasitics}
 
 In diesem Kapitel wird auf die parasitären Effekte weiterer Bauteile eingegangen, die im folgenden relevant sind und bei der Auslegung der Schaltung beachtet werden müssen.
 
@@ -108,6 +110,7 @@ Wichtig ist dieser Effekt in Kombination mit hochohmigen Eingängen und Widerst
 \end{figure}
 
 \section{Grundlagen des Operationsverstärkers}
+\label{chap:basics_opamp}
 
 Im folgenden werden die Grundlagen eines Operationsverstärkers (auch genannt OpAmp) dargelegt. Hierbei wird nicht auf den exakten internen Aufbau eingegangen, sondern das relevante Verhalten sowie einige Parasitäreffekte beschrieben.
 
@@ -140,8 +143,8 @@ Ein realer OpAmp kann für viele Anwendungen als nahezu ideal angesehen werden.
 
 \begin{figure}[h]
     \centering
-    \missingfigure{GBWP data here!}
-    \caption{\label{fig:example_opamp_gbwp}Darstellung des Limits der Bandbreite in Abhängigkeit des GBWP}
+    \includegraphics[scale=0.8]{datavis/Parasitics/SingleStage_GBWP_Sweep.png}
+    \caption{\label{fig:example_opamp_gbwp}Darstellung des Einflusses des GBWP auf die Übertragungsfunktion einer OpAmp Schaltung. Bei zu geringem GBWP ist die Bandbreite limitiert. Zudem ensteht eine Instabilität, welche den Schaltkreis zum oszillieren bringen kann}
 \end{figure}
 
 \begin{figure}[h]
@@ -156,11 +159,11 @@ Ein realer OpAmp kann für viele Anwendungen als nahezu ideal angesehen werden.
 
 Im Folgenden wird auf den grundlegenden Aufbau und die Funktionalität eines TIVs eingegangen.
 
-Ein TIV ist einer variante einer OpAmp-Verschaltung, dessen Aufgabe es ist, einen Strom in eine Spannung um zu wandeln. Somit wird die Verstärkung der Schaltung in $\Omega$ angegeben. Die grundlegende Schaltung ist hierbei in \ref{fig:example_tia_circuit}\todo{Add TIA example circuit} aufgeführt.
+Ein TIV ist eine variante einer OpAmp-Verschaltung, dessen Aufgabe es ist, einen Strom in eine Spannung um zu wandeln. Somit wird die Verstärkung der Schaltung in $\Omega$ angegeben. Die grundlegende Schaltung ist hierbei in \ref{fig:example_tia_circuit} aufgeführt.
 
-\begin{figure}
+\begin{figure}[h]
     \centering
-    \missingfigure{Add TIA Circuit}
+    \includegraphics[scale=0.2]{grundlagen/OpAmp_TIA.drawio.png}
     \caption{\label{fig:example_tia_circuit}Grundlegender Schaltkreis eines Transimpedanzverstärkers.}
 \end{figure}
 

TeX/config/Pakete.tex

@@ -73,7 +73,7 @@
 \usepackage{listings}                                       % Paket für Quelltexte
 \usepackage{pdfpages} 
 \usepackage{import}																					% Erlaubt relative Pfadangaben
-\usepackage{siunitx}              													% Paket für Einheiten
+\usepackage[output-decimal-marker={,}]{siunitx}              													% Paket für Einheiten
 \usepackage{xfrac}
 \DeclareSIUnit \var {var}