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Images/Datavis/plots.yml

@@ -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

TeX/Kapitel/RevisionV11.tex

@@ -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.

TeX/Kapitel/Vermessung.tex

@@ -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