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David Bailey 2024-08-12 17:07:31 +02:00
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72
Images/Datavis/plots.yml
View file

@ -7,6 +7,53 @@ defaults:
Cin: $C_{in}$
plots:
- loadtype: multicsv
load:
47M Rev. 1: V1_Measurements/bandwidth_47M.csv
47M Rev. 2: V1_Measurements/V1.1-a1/47M_cap/bandwidth.csv
data_processing_steps:
- normalize_bandwidth
ylabel: Normalisierte Verstärkung (dB)
load_values: ["Frequency (Hz)","Channel 1 Magnitude (dB)"]
type: lt_sweep
colourmap: default
x_key: Frequency (Hz)
y_key: "Channel 1 Magnitude (dB)"
xmin: 100
xmax: 1000000
ymin: -25
ofile: V1_Measurements/revision_compare_bandwidth.png
- loadtype: multicsv
load:
47M Rev. 1: V1_Measurements/noise_47M.csv
47M Rev. 2: V1_Measurements/V1.1-a1/47M_cap/noise.csv
ylabel: Rauschlevel ($V/\sqrt{Hz}$)
load_values: ["Frequency (Hz)","Trace 1 (VHz)"]
type: lt_sweep
colourmap: default
x_key: Frequency (Hz)
y_key: "Trace 1 (VHz)"
xmin: 500
# xmax: 1000000
ymin: 0
ymax: 0.00004
yformatter: engineering
yplaces: 2
ofile: V1_Measurements/revision_compare_noise.png
- loadtype: multicsv
load:
20M: V1_Measurements/V1.1-a1/20M/noise.csv
@ -32,6 +79,31 @@ plots:
yplaces: 2
ofile: V1_Measurements/V1.1-a1/noises.png
- loadtype: multicsv
load:
20M: V1_Measurements/V1.1-a1/20M/noise.csv
47M: V1_Measurements/V1.1-a1/47M_cap/noise.csv
82M: V1_Measurements/V1.1-a1/82M/noise.csv
120M: V1_Measurements/V1.1-a1/120M/noise.csv
ylabel: Rauschlevel ($V/\sqrt{Hz}$)
load_values: ["Frequency (Hz)","Trace 2 (VHz)"]
type: lt_sweep
colourmap: default
x_key: Frequency (Hz)
y_key: "Trace 2 (VHz)"
xmin: 500
# xmax: 10000
ymin: 0
ymax: 0.0001
yformatter: engineering
yplaces: 2
ofile: V1_Measurements/V1.1-a1/noises_ch2.png
- loadtype: multicsv
load:
20M: V1_Measurements/V1.1-a1/20M/bandwidth.csv

194
TeX/Kapitel/RevisionV11.tex
View file

@ -120,6 +120,7 @@ Es werden, wenn nicht anders beschrieben, dieselben Methoden wie aus Kapitel \re
genutzt. Wo angemessen, sollen Vergleiche mit der vorherigen Version gezogen werden.
\subsection{Stabilität am IMS}
\label{chap:v11_measurement_ims_stability}
Es wird nun als aller erstes die Stabilität an einer IMS-Röhre vermessen. Hierfür wird dieselbe
Röhre wie in der Vermessung der ersten Revision genutzt, an den Eingang des TIVs
@ -135,4 +136,195 @@ das Spektrum des Rauschens dieser Variante.
\caption{\label{fig:v11_ims_noise}Rauschlevel der $\SI{47}{\mega\ohm}$ Variante mit angeschlossenem IMS.}
\end{figure}
Diese Messung bestätigt dass
Diese Messung bestätigt, dass diese Revision der Schaltung keine Oszillationen bei Anschluss einer IMS-Röhre
aufweist. Der Fehler der ersten Revision wurde somit erfolgreich behoben.
\subsection{Linearität}
In diesem Abschnitt wird die Linearität der neuen Revision vermessen. Die Messung erfolgt hierbei mit den
gleichen Messgeräten wie in Kapitel \ref{chap:v10_measurement_linearity}, es wird jedoch durch die höhere
Versorgungsspannung des ADA4817 ein größerer Eingangsstrombereich von \todo{Measure this} vermessen.
\begin{figure}[h]
\centering
\missingfigure{Measure linearity of v11}
\caption{\label{fig:v11_linearity}Vermessung der Linearität der zweiten Revision,
$\SI{47}{\mega\ohm}$-Variante}
\end{figure}
Abbildung \ref{fig:v11_linearity} zeigt die vermessene Linearität an der
$\SI{47}{\mega\ohm}$-Variante. \todo{Fill this out after measurement}
\newpage
\subsection{Bandbreite}
In diesem Abschnitt werden die Übertragungsfunktionen und Bandbreiten der erstellten
Platinen genauer untersucht.
Es wird hierfür dieselbe Methode wie aus Kapitel \ref{chap:v10_measurement_bandwidth}
genutzt.
\begin{figure}[h]
\centering
\includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/V1.1-a1/bandwidths.png}
\caption{\label{fig:v11_measurement_bandwidth}Messungen der Übertragungsfunktionen
der Platinen der zweiten Revision.}
\end{figure}
Abbildung \ref{fig:v11_measurement_bandwidth} zeigt die gemessenen Übertragungsfunktionen
der zweiten Platinenrevision.
Deutlich zu erkennen ist die gewünschte glatte Übertragungsfunktion bis hin zur Eckfrequenz.
Hiernach fallen die Verstärkungen der Platinenvarianten jedoch unterschiedlich schnell ab.
Alle Platinen bis auf die $\SI{47}{\mega\ohm}$ Variante weisen einen Abfall von circa
-20dB/Dekade auf, welcher durch das RC-Verhalten der Rückkoppelwiderstände bestimmt wird.
Die $\SI{47}{\mega\ohm}$ Variante weist jedoch einen Abfall von -40dB/Dekate auf, welches
auf einen gedämpften Oszillator schließen lässt. Ebenfalls ist ein Knick in der
$\SI{82}{\mega\ohm}$ Variante bei circa $\SI{300}{\kilo\hertz}$ zu erkennen, und ein deutlicher
Resonanz-Peak in der $\SI{120}{\mega\ohm}$ Variante bei $\SI{600}{\kilo\hertz}$.
Diese Diskrepanzen stören das Verhalten der Übertragungsfunktion für die hier gesetzten
Zielparameter nicht, da die beobachteten Frequenzen gänzlich überhalb der Filter-Eckfrequenz
von $\SI{30}{\kilo\hertz}$ liegen. Im Falle der $\SI{47}{\mega\ohm}$ ist der
stärkere Abfall der Verstärkung sogar vorteilhaft.
Eine Vermutung der Ursache dieser Resonanz ist der kaskadierte Aufbau des Verstärkers selbst.
Die zweite Stufe des Verstärkers kann zu einer Phasenverschiebung führen, welches diverse
Einflüsse auf den Frequenzverlauf der Verstärkung haben kann.
\todo[inline]{Check with our LTSpice simulation if we see these!}
\begin{table}[H]
\centering
\caption{\label{table:v11_bandwidths}-3dB-Frequenzen des ungefilterten
TIV-Ausgangs der zweiten Revision}
\begin{tabular}{ |r|r|r| }
\hline
Widerstand & -3dB Punk \\
\hline
$\SI{20}{\mega\ohm}$ & $\SI{97.556}{\kilo\hertz}$ \\
$\SI{47}{\mega\ohm}$ & $\SI{54.747}{\kilo\hertz}$ \\
$\SI{82}{\mega\ohm}$ & $\SI{32.283}{\kilo\hertz}$ \\
$\SI{120}{\mega\ohm}$ & $\SI{26.923}{\kilo\hertz}$ \\
\hline
\end{tabular}
\end{table}
Tabelle \ref{table:v11_bandwidths} zeigt die -3dB-Frequenzen der gemessenen
Übertragungsfunktionen. Im Vergleich zur ersten Revision
bieten die $\SI{20}{\mega\ohm}$ und $\SI{47}{\mega\ohm}$ varianten der Platinen
eine höhere Bandbreite als die Platinen der ersten Revision, während die
$\SI{120}{\mega\ohm}$ Variante eine niedrigere Bandbreite aufweist.
Diese Diskrepanz liegt vermutlich ebenfalls am beobachteten Verhalten der Kaskadenschaltung, und
ist erneut im Falle der $\SI{47}{\mega\ohm}$ Variante von Vorteil.
\begin{figure}[h]
\centering
\includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/revision_compare_bandwidth.png}
\caption{\label{fig:v11_comparison_bandwidth}Vergleich der Bandbreiten der
$\SI{47}{\mega\ohm}$ Varianten von der alten und neuen Revision.}
\end{figure}
Abbildung \ref{fig:v11_comparison_bandwidth} zeigt einen direkten Vergleich der
Bandbreiten der TIV-Stufen der vorherigen und neuen Revison für
die $\SI{47}{\mega\ohm}$ Variante. Der steilere Abfall sowie die
leicht höhere -3dB-Frequenz der zweiten Revision
ist hierbei deutlich zu erkennen.
Da die Filterstufe zwischen den Revisionen nicht geändert wurde,
da das Filterverhalten bereits als ausreichend empfunden wurde, wird hier nicht
erneut darauf eingegangen.
Zusammengefasst besitzen die Varianten der $\SI{82}{\mega\ohm}$ und
$\SI{120}{\mega\ohm}$ eine zu geringe Bandbreite, während
die $\SI{47}{\mega\ohm}$ und $\SI{20}{\mega\ohm}$ Varianten beide mehr als ausreichend
Bandbreite besitzen. Die neue Revision der Platine erfüllt somit die Anforderungen.
\FloatBarrier
\newpage
\subsection{Rauschen}
In diesem Abschnitt wird das Rauschen der neuen Revision vermessen, und mit der vorherigen
Revision verglichen. Es wird beschrieben ob und wie sich das Rauschverhalten geändert hat.
Das Spektrum des Rauschens wird mit dem selben Aufbau aus Kapitel \ref{chap:v10_measurement_noise}
vermessen.
\begin{figure}[h]
\centering
\includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/V1.1-a1/noises.png}
\caption{\label{fig:v11_measurement_noise}Durchschnittliches Rauschspektrum der Platinen
der zweiten Revision.}
\end{figure}
Abbildung \ref{fig:v11_measurement_noise} zeigt die Rauschspektren der zweiten
Platinenrevision.
Wie in der ersten Revision ist hier deutlich eine Abhängigkeit des Rauschlevels
vom Rückkoppelwiderstand zu erkennen, wobei erneut ein kleinerer Widerstand
ein höheres Rauschniveau einbringt.
Zusätzlich ist die Verteilung des Rauschens merklich anders. Für alle Versionen
scheint eine kleine Erhöhung um $\SI{30}{\kilo\hertz}$ zu liegen, wobei
diese in der $\SI{47}{\mega\ohm}$ Variante merklich stärker ausfällt.
Ebenso sind Spitzen im Rauschspektrum zu erkennen. Für $\SI{20}{\mega\ohm}$
liegt eine deutliche Spitze bei $\SI{7}{\kilo\hertz}$ vor,
für $\SI{47}{\mega\ohm}$ die Erhöhung bei $\SI{30}{\kilo\hertz}$, und für die
$\SI{120}{\mega\ohm}$ Variante eine deutliche Erhöhung bei
circa $\SI{700}{\kilo\hertz}$. Diese Eröhungen des Rauschens liegen auf den
gleichen Frequenzen wie die Resonanzen in der Bandbreite. Somit ist zu vermuten,
dass die gleiche Ursache für beide Effekte zuständig ist.
\begin{figure}[H]
\centering
\includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/revision_compare_noise.png}
\caption{\label{fig:v11_v10_comparison_noise}Vergleich des Rauschspektrums
der Revisionen der $\SI{47}{\mega\ohm}$ Variante.}
\end{figure}
Abbildund \ref{fig:v11_v10_comparison_noise} zeigt den direkten
Vergleich der ungefilterten Rauschspektren der ersten und zweiten Revision
der $\SI{47}{\mega\ohm}$ Version des Schaltkreise.
Trotz des kleineren Eingangsspannungsrauschens des ADA4817 liegt ein
insgesamt leicht größeres Rauschniveau vor. Dies stimmt jedoch nur bei offenem
Eingang. Das Rauschen der ersten Revision mit dem LTC6268-10 vergrößert sich bei
steigender Eingangskapazität, während das Rauschen der zweiten Revision
kaum von der Eingangskapazität abhängt (siehe Kapitel \ref{chap:v11_measurement_ims_stability}).
Unter realen Bedingungen ist somit das
Rauschen der zweiten Revision besser.
\begin{figure}[H]
\centering
\includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/V1.1-a1/noises_ch2.png}
\caption{\label{fig:v11_measurement_noise_ch2}Rauschspektren des
gefilterten Ausgangs der zweiten Revision des TIVs.}
\end{figure}
Abbildung \ref{fig:v11_measurement_noise_ch2} zeigt die Rauschspektren der
gefilterten Ausgänge. Wie in der vorherigen Version ist zu erkennen, dass die
Filterstufe das Rauschlevel deutlich und effektiv senkt.
Die bereits identifizierten Erhöhungen im Rauschen werden, mit Ausnahme der
Spitze des $\SI{20}{\mega\ohm}$ TIVs, herausgefiltert.
Die RMS-Werte der Rauschlevel für den ungefilterten und gefilterten Ausgang
sind in Tabelle \ref{table:v11_noise_table} aufgelistet. Dort ist deutlich
zu erkennen, dass die Filterstufe das Rauschen merklich verringert, da der
ADA4817 mehr Rauschen in den höheren Frequenzen besitzt als der vorherig
genutzte LTC6268-10.
\begin{table}[H]
\centering
\caption{\label{table:v11_noise_table}AC-RMS-Spannungen des Rauschens der Platinen}
\begin{tabular}{ |r|r|r|r| }
\hline
Widerstand & Rauschen des
& Rauschen des & Eingangsbezogenes \\
& ungefilterten Ausgangs & gefilterten Ausgangs & Rauschen \\
\hline
$\SI{20}{\mega\ohm}$ & $\SI{20.831}{\milli\volt}$ & $\SI{6.331}{\milli\volt}$ & $\SI{6.331}{\pico\ampere}$ \\
$\SI{47}{\mega\ohm}$ & $\SI{7.251}{\milli\volt}$ & $\SI{3.898}{\milli\volt}$ & $\SI{3.898}{\pico\ampere}$ \\
$\SI{82}{\mega\ohm}$ & $\SI{16.853}{\milli\volt}$ & $\SI{3.270}{\milli\volt}$ & $\SI{3.270}{\pico\ampere}$ \\
$\SI{120}{\mega\ohm}$ & $\SI{16.751}{\milli\volt}$ & $\SI{3.123}{\milli\volt}$ & $\SI{3.123}{\pico\ampere}$ \\
\hline
\end{tabular}
\end{table}
Insgesamt ist somit das Rauschen der zweiten Revision des TIVs nutzbar.
Zwar ist das Rauschen im Vergleich zur ersten Revision geringfügig erhöht, jedoch
bieten alle Versionen der Schaltung mit Ausnahme des $\SI{20}{\mega\ohm}$ TIVs
ein akzeptabel geringes Rauschen.

3
TeX/Kapitel/Vermessung.tex
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@ -22,6 +22,7 @@ einige Systemparameter bestimmen zu können. Diese sind:
\section{Messergebnisse}
\subsection{Linearität}
\label{chap:v10_measurement_linearity}
In diesem Abschnitt wird die Linearität des erstellten
Schaltkreises erprobt. Diese Art der Vermessung gibt an,
@ -78,6 +79,7 @@ für den gewünschten Eingangsstrom von $\SI{\pm1}{\nano\ampere}$ liegt ein komp
lineares Verhalten vor.
\subsection{Bandbreite}
\label{chap:v10_measurement_bandwidth}
In diesem Abschnitt wird die Bandbreite des Systems untersucht.
Hierbei wird sowohl die Bandbreite der TIA-Stufe ohne Filterung,
@ -256,6 +258,7 @@ dass die bestehende Abschirmungsgeometrie ausreichend ist um diese Instabilität
\newpage
\subsection{Rauschen}
\label{chap:v10_measurement_noise}
In diesem Abschnitt wird das Rauschen des Schaltkreises genauer untersucht.
Das Rauschverhalten ist relevant für die Signalqualität, und somit für die