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TeX/Arbeit.tex

@@ -29,10 +29,10 @@
 %\documentclass[12pt,a4paper,openany,bibliography=totoc,captions=tableheading,numbers=noenddot]{scrreprt}
 
 %Book - Druckversion (doppelseitig)
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@@ -115,7 +115,7 @@
 \include{Kapitel/Vermessung}
 \include{Kapitel/RevisionV11}
 
-% \chapter{(Optional) Erstellung eines vollintegrierten TIV-Frontends}
+\include{Kapitel/Zusammenfassung}
 
 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 %Literaturverzeichnis

TeX/Kapitel/Auslegung.tex

@@ -29,7 +29,7 @@ für die kleinsten Pakete.
 Eine beispielhafte Messung eines IMS-Systemes ist in Abbildung \ref{fig:example_ims_peak} dargestellt.
 Um diese Pakete abbilden zu können ist eine Bandbreite von mindestens $\SI{30}{\kilo\hertz}$ notwendig.
 Die größte Peak-Amplitude, die hierbei abgebildet werden soll,
-befindet sich im Bereich von circa $\SI{1}{\nano\ampere}$
+befindet sich im Bereich von circa $\SI{1}{\nano\ampere}$.
 
 \begin{figure}
     \centering
@@ -370,10 +370,11 @@ trifft auf sowohl den Standard-Widerstand als auch den Flipchip zu.
 Um den parasitären Kapazitäten entgegen zu wirken soll nun erprobt werden,
 ob durch eine bestimmte Platzierung von Elektroden im PCB-Material
 die Parallelkapazität verringert werden kann.
-Durch korrekte Platzierung eines sog. Guard Rings \cite{SierraReduceCapacitances}
-kann theoretisch das D-Feld auf diesen umgeleitet
+Durch korrekte Platzierung eines sog. Guard Rings bzw.
+einer Abschirmungselektrode
+kann theoretisch das D-Feld auf diese umgeleitet
 werden, wodurch das PCB-Material selbst eine kleinere Teilhabe an der 
-parasitären Kapazität des Widerstandes haben sollte \cite{Yang:21}.
+parasitären Kapazität des Widerstandes haben sollte \cite{SierraReduceCapacitances}\cite{Yang:21}.
 
 Ein erster Versuch hierfür wird aus zwei symmetrischen Elektroden aufgebaut, welche unterhalb der Kontakte der 
 Widerstände aufgebaut werden und auf dasselbe Potential wie die entsprechenden Kontakte gelegt werden.
@@ -403,7 +404,10 @@ Abbidlung \ref{fig:r_shielding_capacitances} zeigt alle Kapazitäten, welche von
 \begin{figure}[h]
     \centering
     \includegraphics[width=0.6\linewidth]{entwicklung/cst_estatic_shld/shielding_capacitors.drawio.png}
-    \caption{\label{fig:r_shielding_capacitances}Schematische Darstellung der Kapazitäten, welche einer der Widerstandskontakte sieht.}
+    \caption[Schematische Darstellung der Kapazitäten, welche einer der Widerstandskontakte sieht]{
+        \label{fig:r_shielding_capacitances}
+        Schematische Darstellung der Kapazitäten, welche einer der Widerstandskontakte sieht.
+    Eigene Darstellung.}
 \end{figure}
 
 Von Interesse sind die Parallelkapazität der Widerstandskontake, $C_\mathrm{r,p}$, 
@@ -932,7 +936,7 @@ genügend GBWP und kleinen Eingangsleckströmen, um als TIV nutzbar zu sein.
     Bestimmung OpAmp-Rauschens]{
         \label{fig:opamp_vin_noise_schematic}Schaltkreis der LTSpice-Simulation zur 
       Bestimmung OpAmp-Rauschens.}
-\end{figure}
+\end{figure}\todo{Trim this image?}
 
 Variiert werden $C_\mathrm{in}$ sowie $R_\mathrm{f}$, um die Auswirkungen dieser Parameter
 betrachten zu können. Hierbei wird das Rauschen eingangsbezogen gemessen, d.h. die Ausgangsspannung

TeX/Kapitel/Einleitung.tex

@@ -1,20 +1,49 @@
 
 \chapter{Einleitung}
 
-\todo[inline]{Rework this *after* completing other chapters}
+Die Analyse von Gasgemischen findet in vielen 
+Bereichen der Industrie- und Medizintechnik Anwendung.
+Mitunter geht es um medizinisch wichtige Daten wie
+die Überwachung des Metabolismus eines Patienten,
+oder um sicherheitsrelevante Messungen wie die
+Überprüfung einer Stoffprobe auf explosive Stoffe.
 
-Die Analyse von Gasgemischen findet in vielen Bereichen der Industrie- und Medizintechnik Anwendung. Mitunter geht es um medizinisch wichtige Daten wie die Überwachung des Metabolismus eines Patienten, oder um sicherheitsrelevante Messungen wie die Überprüfung einer Stoffprobe auf explosive Stoffe.
-Von Vorteil sind hierbei sowohl schnelle als auch sensitive Messungen, um Zuverlässig auf gegebene Zustandsänderungen reagieren zu können.\\
-Eine der Methoden dieser Analyse bietet das Ionenmobilitätsspektrometer (im Folgenden hier IMS) an. Das IMS nutzt die variablen Ionisierbarkeiten und Mobilitäten von Molekülen in einem Gas aus um diese zu trennen und zu vermessen. Durch diese Funktionsweise können Messungen innerhalb weniger Minuten bis Sekunden durchgeführt werden, wobei Stoffkonzentrationen von \todo[inline]{Add concentration here} festgestellt werden können.
+Eine der Methoden dieser Analyse bietet 
+das Ionenmobilitätsspektrometer (IMS) an.
+Das IMS nutzt die variable Ionisierbarkeit und
+Mobilität von Molekülen in einem Gas aus um diese
+zu trennen und zu vermessen. Durch diese Funktionsweise
+können Messungen innerhalb weniger Minuten bis zehntel von
+Sekunden durchgeführt werden,
+und es können kleinste Stoffmengen festgestellt werden \cite{Eiceman2013Oct}.
 
-Ein zentraler Bestandteil des Aufbaus eines IMS ist nun der Transimpedanzverstärker (im Folgenden hier TIV). Dieses Element befasst sich mit der Umwandlung der zu messenden Ionen in ein Spannungssignal, welche von der Ausleseleketronik verarbeitet werden können. Somit bestimmt die Qualität und Sensitivität des TIV maßgeblich die Datenerfassung des IMS insgesamt.
-Von relevanz sind hier verschiedene Parameter wie z.B. Bandbreite, Rauschverhalten und Verstärkung, welche auf den jeweiligen Anwendungsbereich des IMS angepasst werden müssen.
+Ein zentraler Bestandteil des Aufbaus eines 
+IMS ist nun der Transimpedanzverstärker (TIV) \cite{Reinecke2018Oct}.
+Dieser ist ein zentrales Element der Messkette,
+welche die Ionen detektiert und für die restliche
+Auswertung messbar macht.
+Somit bestimmt die Performance des TIV maßgeblich
+z.~B. die Detektionsgrenze und das Auflösungsvermögen 
+des IMS.
+Bestehende TIVs bieten akzeptable Messqualität, sind jedoch
+entweder sehr teuer, oder benötigen manuelle Nachjustierungen
+und Korrekturen.
 
-In dieser Arbeit wird die Auslegung und Erstellung eines kompakten, sensitiven TIVs dargestellt, welcher auf die IMS-Geräte des Institut für Grundlagen der Elektrotechnik und Messtechnik (GEM) an der Leibniz Universität Hannover angepasst ist.
-Der TIV wird auf zwei verschiedene IMS-Systeme mit unterschiedlichen Anforderungen angepasst.\\
-In Kapitel 2 wird die Funktionsweise eines IMS nähergehend erklärt. Hierbei werden die jeweiligen Größen- und Zeitskalen, für die der TIV ausgelegt werden soll, erläutert, und die Aufgabe des TIV im Bezug auf das Gesamtsystem wird genauer erklärt. Zudem werden notwendige Grundlagen vermittelt.\\
-In Kapitel 3 wird ein Modell des TIVs erstellt. Zuerst werden die Zielparameter beschrieben, welche vom TIV gewünscht sind.
-Neben der Erläuterung der Funktionsweise eines TIVs werden die verschiedenen parasitären Effekte genauer charakterisiert, welche die Schaltung beeinträchtigen, und es wird auf Möglichkeiten eingegangen um diesen Effekten entgegen zu wirken. Hiernach wird eine reale Schaltung ausgelegt, und mithilfe von Simulationen charakterisiert.\\
-In Kapitel 4 wird ein Prototyp der TIV-Schaltung erbaut und vermessen. Es werden hierbei vergleiche mit den erstellten Simulationen gezogen, und es wird auf Diskrepanzen zu diesen eingegangen. Abschließend werden Messungen an einem realen IMS-System ausgeführt, um die Funktionstüchtigkeit des erbauten TIV zu bestätigen.\\
-Kapitel 5 befasst sich mit der Erstellung einer vollintegrierten Schaltung auf Basis des erstellten TIV, welcher die gesamte Analogkette der IMS-Messung beinhaltet. \todo{Did this happen?}\\
-Abschließend beschreibt Kapitel 6 einen Ausblick auf zukünftige Anwendungsgebiete des erstellten TIV, und fasst die erstellten Messungen zusammen.
+Es soll in dieser Arbeit ein neuer TIV ausgelegt werden,
+welcher ohne Nachjustierungen und mit leicht verfügbaren
+Bauteilen gebaut werden kann, um eine kostengünstige 
+und reproduzierbare Alternative anzubieten.
+In dieser Arbeit wird die Entwicklung, Auslegung 
+und Vermessung des neuen TIV-Designs beschrieben.
+Hierbei werden verschiedene störende Faktoren
+wie z.~B. parasitären Effekte analytisch sowie mithilfe
+von Simulationen untersucht, und basierend hierauf
+werden Möglichkeiten zur Reduktion und Kompensation 
+der negativen Effekte ausgelegt.
+
+Der erstellte TIV wird vermessen und charakterisiert,
+wobei die Messergebnisse mit den Simulationen verglichen
+werden. Eventuelle Fehler und ungewünschtes Verhalten werden
+genauer analysiert und korrigiert.
+Schlussendlich werden einige Vergleichsmessungen des neu
+erstellten TIVs mit den bestehenden Designs durchgeführt.

TeX/Kapitel/Grundlagen.tex

@@ -335,12 +335,11 @@ Diese sind wie folgt:
 \cleardoublepage
 
 \section{Aufbau eines Transimpedanzverstärkers}
-\todo[inline]{Add more sources}
 \label{chap:basics_tia}
 
 Im Folgenden wird auf den grundlegenden Aufbau 
 und die Funktionalität eines TIVs eingegangen, 
-basierend auf \cite[S.S. 233]{Horowitz:1981307}.
+basierend auf \cite{Reinecke2018Oct} und \cite[S.S. 233]{Horowitz:1981307}.
 
 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 Abbildung \ref{fig:example_tia_circuit} aufgeführt.
@@ -349,9 +348,9 @@ Somit wird die Verstärkung der Schaltung in $\Omega$ angegeben. Die grundlegend
     \centering
     \includegraphics[scale=0.2]{grundlagen/OpAmp_TIA.drawio.png}
     \caption[Grundlegender Schaltkreis eines Transimpedanzverstärkers,
-    eigene Darstellung nach \cite{Reinecke2018Oct}]{
+    eigene Darstellung nach \cite{Reinecke2018Oct} und \cite[S.S. 233]{Horowitz:1981307}]{
         \label{fig:example_tia_circuit}Grundlegender Schaltkreis eines Transimpedanzverstärkers,
-        eigene Darstellung nach \cite{Reinecke2018Oct}.}
+        eigene Darstellung nach \cite{Reinecke2018Oct} und \cite[S.S. 233]{Horowitz:1981307}.}
 \end{figure}
 
 Die Funktionsweise ist wie folgt:

TeX/Kapitel/RevisionV11.tex

@@ -552,12 +552,77 @@ Somit ist bestätigt, dass die Verteilung der Verstärkungen der TIV-Stufen ein
 Paramter ist. Generell soll die Verstärkung der ersten Stufe so groß wie möglich gehalten
 werden, d.h. die zweite Stufe so klein wie möglich, um das Rauschen zu vermindern.
 
+\section{Messung an einem IMS}
+
+Mit der Funktionalität des erstellten TIVs bestätigt, wird nun eine
+Messung an einem aktivem IMS durchgeführt.
+Hierbei soll das Auflösungsvermögen sowie das Rauschniveau des neu
+erstellten TIVs mit dem Verhalten des vorherig genutzten Verstärkers
+verglichen werden.
+
+Anhand der bereits durchgeführten Messungen wird der $\SI{47}{\mega\ohm}$
+TIV als Verstärker für dieses Experiment genutzt. Dieser besitzt
+das niedrigste Rauschen bei der gewollten Bandbreite von $\SI{30}{\kilo\hertz}$,
+und ist somit die beste Auswahl.
+Das genutzte IMS-System ist vom Typ ???\todo{Ask Moritz which IMS it was},
+welches bereits durch vorherige Messungen im Labor charakterisiert wurde
+und somit eine gut verstandene Platform dar stellt.
+
+Es werden insgesamt vier Messungen durchgeführt, zwei als 
+Referenz mit dem bestehendem Verstärker und zwei mit dem neu
+erstellten TIV. Für jeden Verstärker wird eine Messung
+mit zehnfacher Mittlung zur Reduktion des Rauschens und eine
+Messung ohne Mittlung durchgeführt. Die aufgenommenen
+Spektren sind in Abbildungen \ref{fig:v11_real_meas_noavg}
+und \ref{fig:v11_real_meas_avg} dargestellt.
+
+\begin{figure}[htb]
+    \centering
+    \missingfigure{Measurement of the averaged signal}
+    \caption[Ergebnisse der gemittelten Messung am IMS]{
+        \label{fig:v11_real_meas_avg}
+        Ergebnisse der gemittelten Messungen der zwei Verstärker
+        im Vergleich, normalisiert auf die gleiche Peak-Höhe.
+
+        Zu erkennen ist eine sehr gute Übereinstimmung der
+        Messergebnisse und vergleichbares Rauschen.
+    }
+\end{figure}
+
+\begin{figure}[htb]
+    \centering
+    \missingfigure{Measurement of the noaveraged signal}
+    \caption[Ergebnisse der ungemittelten Messung am IMS]{
+        \label{fig:v11_real_meas_noavg}
+        Ergebnisse der ungemittelten Messungen der zwei Verstärker
+        im Vergleich, normalisiert auf die gleiche Peak-Höhe.
+
+        In dieser Messung lässt sich das rauschen besser vergleichen,
+        und zu erkennen ist ???
+    }
+\end{figure}
+
+Zu erkennen ist die gute Übereinstimmung der Messungen.
+Die für die Datenauswertung relevanten Formen der
+Gauss-Peaks werden vom neuen TIV gut dargestellt, es
+sind keine Verzerrungen im Vergleich zum bestehenden
+Verstärker zu erkennen, und das Rauschen liegt auf
+gleichem Niveau.
+
+Somit ist bewiesen, dass der hier erstellte 
+TIV erfolgreich in einem echten IMS-System genutzt werden kann,
+und hierbei vergleichbar gute Messergebnisse liefert
+wie die bestehenden Systeme.
+
 \section{Fazit}
 
-Die Revision korrigiert erfolgreich die Instabilität, welche in der ursprünglichen Version
-festgestellt wurde.
-In den restlichen Parametern schneidet sie vergleichbar gut wie die ursprüngliche Version ab.
+Die Revision korrigiert erfolgreich die Instabilität, welche in der ersten Version
+des in dieser Arbeit erstellten TIVs festgestellt wurde.
+In den restlichen Parametern schneidet sie vergleichbar gut wie die erste Version ab.
 Zudem lässt sich durch die korrekte Einstellung der Verstärkungsverteilung der kaskadierten
 Stufe die Bandbreite des Schaltkreises arbiträr limitieren, was eine zusätzliche Rauschreduktion
-ermöglicht.
-Somit wurde ein erfolgreicher und für ein IMS nutzbarer TIV entwickelt.
+ermöglicht. In der Messung am echten IMS konnte bestätigt werden, dass der TIV
+Messwerte mit gleicher Qualität wie bestehende Systeme liefern kann.
+
+Zusammengefasst wurde somit bestätigt, dass erfolgreich ein TIV für die IMS entwickelt 
+wurde.

TeX/Kapitel/Zusammenfassung.tex

@@ -0,0 +1,32 @@
+\cleardoublepage
+\chapter{Zusammenfassung}
+
+In dieser Arbeit konnte erfolgreich ein neues
+Design eines TIVs erstellt werden.
+Hierbei wurden wichtige parasitären Effekte des Schaltkreises
+dargestellt, und neuartige 
+Kompensationsmöglichkeiten zur Reduktion des Einflusses
+dieser ausgelegt.
+
+Mithilfe des durch Simulation vertieften Verständisses
+über die parasitären Effekte sowie der Arbeitsweise
+der Operationsverstärker konnte ein erstes Design
+ausgelegt werden, welches die Anforderungen 
+an Bandbreite und Rauschlevel erfüllte.
+Lediglich die Stabilität des Schaltkreises führte 
+zu Problemen.
+
+Die Ursprünge der Instabilität wurde thematisiert, und es
+konnte in einer Revision der Schaltung die Stabilität deutlich
+verbessert werden.
+
+Der somit erstellte Schaltkreis konnte in einer Messung
+an einem der IMS-Systeme des GEM an der Leibniz Universität
+Hannover vermessen werden, und wurde mit den bestehenden
+Systemen verglichen. Somit konnte bestätigt werden, dass 
+das neu erstellte System Messwerte mit guter Qualität liefert
+und seine Zielanforderungen erfüllt.
+Hierbei konnte der TIV so ausgelegt werden, dass keine manuellen
+Nachjustierungen für eine korrekte Operation notwendig sind,
+und der Preis sowie die Größe des Schaltkreises konnten im 
+Vergleich zur Vorgängerversion deutlich verringert werden.