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@ -12,7 +12,7 @@ in einem echten IMS im Wege steht.
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In Kapitel \ref{chap:v10_instability} wurde eine Instabilität der
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Schaltung bei angeschlossenem IMS festgestellt.
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Zusätzlich hierzu wurden andere Effekte wie z.B. die Steigerung
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Zusätzlich hierzu wurden andere Effekte wiez.~B. die Steigerung
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des Rauschniveaus bei angelegten externen Schaltungen festgestellt.
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Eine Vermutung ist, dass die Sensitivität des Schaltkreises auf externe
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@ -105,7 +105,7 @@ Aus diesem Grund wird hierauf nicht mehr genauer eingegangen.
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\end{figure}
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Die Kaskadenschaltung der zwei Verstärker ist um U2 herum gelegt. U2 ist
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ein sog. {\em Dual Package OpAmp}, d.h. es liegen zwei unabhängige
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ein sog. {\em Dual Package OpAmp}, d.~h. es liegen zwei unabhängige
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ADA4817 im selben Paket vor. Dies ermöglicht eine möglichst kleine Auslegung
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des Rückkoppelpfades für die zweite Stufe des Verstärkers, welches für die Stabilität
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notwendig ist und weniger Störquellen einkoppelt.
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@ -131,7 +131,7 @@ genutzt. Wo angemessen, sollen Vergleiche mit der vorherigen Version gezogen wer
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\subsection{Stabilität am IMS}
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\label{chap:v11_measurement_ims_stability}
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Es wird nun als allererstes die Stabilität an einer IMS-Röhre vermessen. Hierfür wird dieselbe
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Es wird nun als Allererstes die Stabilität an einer IMS-Röhre vermessen. Hierfür wird dieselbe
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Röhre wie in der Vermessung der ursprünglichen Version genutzt, an den Eingang des TIVs
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angeschlossen und vermessen. Hierbei wird die $\SI{47}{\mega\ohm}$ Variante genutzt.
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@ -152,7 +152,7 @@ aufweist. Der Fehler der ursprünglichen Version wurde somit erfolgreich behoben
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\subsection[Linearität]{Untersuchung der Linearität}
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In diesem Abschnitt wird die Linearität der neuen Revision vermessen.
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In diesem Abschnitt wird die Linearität der Revision vermessen.
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Die Messung erfolgt hierbei mit denselben Messgeräten wie in Kapitel
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\ref{chap:v10_measurement_linearity}, d.~h. dem {\em Keithley 6221}
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sowie dem {\em Keysight 34461A}.
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@ -180,8 +180,8 @@ sich beide vermessenen Platinen gleich zu verhalten.
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\FloatBarrier
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Um eventuelle Fehler in der Linearität besser erkennen zu können wird zudem der Fehler
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der Messung aufgezeichnet, d.h. die Differenz zwischen der erwarteten und gemessenen
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Um eventuelle Fehler in der Linearität besser erkennen zu können, wird zudem der Fehler
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der Messung aufgezeichnet, d.~h. die Differenz zwischen der erwarteten und gemessenen
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Spannung. Dies ist in Abbildung \ref{fig:v11_linearity_error} aufgezeichnet.
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\begin{figure}[H]
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@ -191,22 +191,22 @@ Spannung. Dies ist in Abbildung \ref{fig:v11_linearity_error} aufgezeichnet.
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$\SI{47}{\mega\ohm}$-Variante]{\label{fig:v11_linearity_error}
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Fehler der Ausgangsspannung der zwei vermessenen $\SI{47}{\mega\ohm}$
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TIVs. Zu sehen sind nur leichte Abweichungen der Ausgangsspannung
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von höchstens $\SI{1.5}{\milli\volt}$, sowie einige Sprünge.
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von höchstens $\SI{1.5}{\milli\volt}$ sowie einige Sprünge.
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}
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\end{figure}
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Deutlich zu erkennen ist eine sehr geringe Abweichung der Ausgangsspannung
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vom Sollwert von höchstens $\SI{1.5}{\milli\volt}$, wobei meistens
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eine Abweichung von besser als $\SI{\pm1}{\milli\volt}$ eingehalten wird.
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Dies stellt wesentlich kleinere Abweichungen als bei der ersten Version dar und
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ist somit eine wesentliche Verbesserung. Zu sehen sind ebenfalls einige kleine Sprünge
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Dies stellt merklich kleinere Abweichungen als bei der ersten Version dar und
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ist somit eine deutliche Verbesserung. Zu sehen sind ebenfalls einige kleine Sprünge
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in beiden vermessenen Platinen, $+\SI{0.7}{\milli\volt}$ bei etwa
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$\SI{-0.8}{\nano\ampere}$ sowie $+\SI{1}{\milli\volt}$ bei etwa $\SI{2}{\nano\ampere}$.
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Die genaue Ursache dieser Sprünge ist nicht bekannt. Die Amplitude der Sprünge stellt
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jedoch eine Änderung von nur 0.1\% dar, und ist somit akzeptabel.
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jedoch eine Änderung von nur 0.1\% dar und ist somit akzeptabel.
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Insgesamt ist die Linearität des neuen Schaltkreises somit eine wesentliche Verbesserung
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im Vergleich zur ersten Version und ist mehr als Ausreichend für die
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im Vergleich zur ersten Version und ist mehr als ausreichend für die
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hier gesetzten Zielparameter.
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\FloatBarrier
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@ -266,7 +266,7 @@ entnommen werden. Diese sind in Tabelle \ref{table:v11_bandwidths} dargestellt.
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\end{tabular}
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\end{table}
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Im Vergleich zur ursprünglichen Version
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Im Vergleich
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bieten die $\SI{20}{\mega\ohm}$ und $\SI{47}{\mega\ohm}$ Varianten der Platinen
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eine höhere Bandbreite als die Platinen der ursprünglichen Version, während die
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$\SI{120}{\mega\ohm}$ Variante eine niedrigere Bandbreite aufweist.
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@ -274,7 +274,7 @@ Diese Diskrepanz liegt vermutlich ebenfalls am beobachteten Verhalten der Kaskad
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und ist erneut im Falle der $\SI{47}{\mega\ohm}$ Variante von Vorteil.
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Abbildung \ref{fig:v11_comparison_bandwidth} zeigt einen direkten Vergleich der
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Bandbreiten der TIV-Stufen der vorherigen und neuen Revison für
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Bandbreiten der TIV-Stufen der vorherigen und neuen Version für
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die $\SI{47}{\mega\ohm}$ Variante. Der steilere Abfall sowie die
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leicht höhere -3~dB-Frequenz der Revision
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ist hierbei deutlich zu erkennen.
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@ -283,25 +283,25 @@ ist hierbei deutlich zu erkennen.
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\centering
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\includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/revision_compare_bandwidth.png}
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\caption[Vergleich der Bandbreiten der
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$\SI{47}{\mega\ohm}$ Varianten von der alten und neuen Revision]{\label{fig:v11_comparison_bandwidth}Vergleich der Bandbreiten der
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$\SI{47}{\mega\ohm}$ Varianten von der alten und neuen Revision.}
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||||
$\SI{47}{\mega\ohm}$ Varianten von der alten und neuen Version]{\label{fig:v11_comparison_bandwidth}Vergleich der Bandbreiten der
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$\SI{47}{\mega\ohm}$ Varianten von der alten und neuen Version.}
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\end{figure}
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Die Filterstufe zwischen den Revisionen wurde nicht geändert,
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Die Filterstufe zwischen den Versionen wurde nicht geändert,
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da das Filterverhalten bereits als ausreichend empfunden wurde.
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Somit wird hier nicht erneut darauf eingegangen.
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Zusammengefasst besitzen die Varianten der $\SI{82}{\mega\ohm}$ und
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$\SI{120}{\mega\ohm}$ eine zu geringe Bandbreite, während
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die $\SI{47}{\mega\ohm}$ und $\SI{20}{\mega\ohm}$ Varianten beide mehr als ausreichend
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Bandbreite besitzen. Die neue Revision der Platine erfüllt somit die Anforderungen.
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Bandbreite besitzen. Die neue Version der Platine erfüllt somit die Anforderungen.
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\clearpage
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\subsection{Rauschen}
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Folgend wird das Rauschen der Revision vermessen und mit der originalen Version
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verglichen. Es wird beschrieben ob und wie sich das Rauschverhalten geändert hat.
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verglichen. Es wird beschrieben, ob und wie sich das Rauschverhalten geändert hat.
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Das Spektrum des Rauschens wird mit dem selben Aufbau aus Kapitel \ref{chap:v10_measurement_noise}
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vermessen. Abbildung \ref{fig:v11_measurement_noise} zeigt die Rauschspektren der Revision.
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@ -446,7 +446,7 @@ Einbringung einer Kapazität mit dem Rückkoppelpfad der zweiten Stufe
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von Vorteil ist. Diese Filterung könnte theoretisch Rauschen in der ersten
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Stufe abfangen.
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Hierfür wird eine $\SI{47}{\mega\ohm}$-Variante
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modifiziert indem eine Kapazität parallel zu Widerstand R34
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modifiziert, indem eine Kapazität parallel zu Widerstand R34
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(siehe Abbildung \ref{fig:v11_tia_schematic}) eingebracht wird. Diese Kapazität ist
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so ausgelegt, dass sie die Verstärkung der zweiten Stufe ab circa $\SI{60}{\kilo\hertz}$
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absenkt.
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@ -504,18 +504,6 @@ Gemessen werden die Bandbreite sowie das Rauschen der Schaltung, mit
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den gleichen Messsystemen wie in den vorherigen Messungen (siehe Kapitel
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\ref{chap:v10_measurement_bandwidth} und \ref{chap:v10_measurement_noise}).
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\begin{figure}[h]
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\centering
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\includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/V1.1-a1/CascadeSeries/bandwidths.png}
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\caption[Übertragungsfunktionen eines
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$\SI{47}{\mega\ohm}$ TIVs mit varriierter Verstärkung der zweiten
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Stufe der Kaskade]{
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\label{fig:v11_cascade_bandwidths}Übertragungsfunktionen eines
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$\SI{47}{\mega\ohm}$ TIVs mit varriierter Verstärkung der zweiten
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Stufe der Kaskade. Erkennbar ist ein starker Einfluss auf die
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Bandbreite.}
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\end{figure}
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Abbildung \ref{fig:v11_cascade_bandwidths} zeigt die Übertragungsfunktionen
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der getesteten Varianten.
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Deutlich zu erkennen ist die Abhängigkeit der Grenzfrequenz von der Verteilung
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@ -529,6 +517,18 @@ und nicht durch das GBWP oder die Rückkoppelwiderstände. Dies ist von Vorteil,
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hierdurch die Bandbreite der Schaltung durch Umverteilung der Verstärkung beliebig einstellen
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lässt, ohne hierbei die Stabilität des Schaltkreises zu gefährden.
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\begin{figure}[h]
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\centering
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\includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/V1.1-a1/CascadeSeries/bandwidths.png}
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\caption[Übertragungsfunktionen eines
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||||
$\SI{47}{\mega\ohm}$ TIVs mit varriierter Verstärkung der zweiten
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||||
Stufe der Kaskade]{
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\label{fig:v11_cascade_bandwidths}Übertragungsfunktionen eines
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||||
$\SI{47}{\mega\ohm}$ TIVs mit varriierter Verstärkung der zweiten
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Stufe der Kaskade. Erkennbar ist ein starker Einfluss auf die
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||||
Bandbreite.}
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\end{figure}
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Generell ist nur die Einhaltung der Zielparameter von -3~dB bei $\SI{30}{\kilo\hertz}$
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wichtig. Höhere Bandbreiten werden durch die Filterstufe entfernt.
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@ -549,14 +549,14 @@ verschieden eingestellten Stufen. Hierbei ist eine starke Abhängigkeit des
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Rauschens von der Verteilung zu beobachten, wobei eine höhere Verstärkung
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der zweiten Stufe mit wesentich höherem Rauschen verbunden ist.
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Das höhere Rauschen scheint mit der höheren Bandbreite in Verbindung zu stehen,
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da in den niedrigen Frequenzen alle TIV-Varianten das gleiche Rauschen aufweisen,
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da in den niedrigen Frequenzen alle TIV-Varianten das gleiche Rauschen aufweisen
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und die einzelnen Rauschlevel entsprechend der Bandbreite des jeweiligen TIVs
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abknicken.
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Somit ist bestätigt, dass die Verteilung der Verstärkungen der TIV-Stufen ein wichtiger
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Paramter ist. Generell soll die Verstärkung der ersten Stufe so groß wie möglich gehalten
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werden, d.h. die zweite Stufe so klein wie möglich, um das Rauschen zu vermindern.
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werden, d.~h. die zweite Stufe so klein wie möglich, um das Rauschen zu vermindern.
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\cleardoublepage
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\section{Messung an einem IMS}
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@ -573,7 +573,7 @@ das niedrigste Rauschen bei der gewollten Bandbreite von $\SI{30}{\kilo\hertz}$,
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und ist somit die beste Auswahl.
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Das genutzte IMS-System ist vom Typ ???\todo{Ask Moritz which IMS it was},
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welches bereits durch vorherige Messungen im Labor charakterisiert wurde
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und somit eine gut verstandene Platform dar stellt.
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und somit eine gut verstandene Platform darstellt.
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Zum Vergleich wird der bestehende Verstärker, der {\em GemiTIV},
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genutzt. Dieser ist auf eine vergleichbare Bandbreite von
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circa $\SI{25}{\kilo\hertz}$ eingestellt.
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@ -588,8 +588,8 @@ wird bei den gemessenen Spektren der DC-Anteil entfernt und
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auf die Amplitude des Peaks normalisiert.
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Die aufgenommenen
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Spektren sind in Abbildungen \ref{fig:v11_real_meas_noavg}
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und \ref{fig:v11_real_meas_avg} dargestellt.
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Spektren sind in Abbildungen \ref{fig:v11_real_meas_avg}
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und \ref{fig:v11_real_meas_noavg} dargestellt.
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\begin{figure}[htb]
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\centering
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@ -632,7 +632,7 @@ die mechanische Schwingung des Aperturgitters innerhalb des
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IMS merklich zum Rauschen beitragen kann.
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Somit ist bewiesen, dass der hier erstellte
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TIV erfolgreich in einem echten IMS-System genutzt werden kann,
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TIV erfolgreich in einem echten IMS-System genutzt werden kann
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und hierbei vergleichbar gute Messergebnisse liefert
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wie die bestehenden Systeme.
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@ -643,14 +643,14 @@ Die in Kapitel \ref{chap:tia_design_goals} festgelegten Ziele
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sind für einen bestimmten Typ von IMS geeignet. Es gibt jedoch
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andere Arten von IMS, welche schnellere Messungen benötigen, so
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z.~B. dem Hike-IMS.
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Dieses System benötigt Bandbreiten von $\SI{150}{\kilo\hertz}$, mit
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Dieses System benötigt Bandbreiten von $\SI{250}{\kilo\hertz}$, mit
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einem maximalen Eingangssignal von $\SI{10}{\nano\ampere}$.
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Aus diesem Grund wird im folgenden eine Variante des TIV-Schaltkreises
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erprobt, welche auf diese Parameter eingestellt ist. Hierfür
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wird als Rückkoppelwiderstand ein Wert von $\SI{2.4}{\mega\ohm}$
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genutzt. Zusätzlich wird der Ausgangsfilters auf eine Grenzfrequenz
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von $\SI{150}{\kilo\hertz}$ eingestellt.
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von $\SI{280}{\kilo\hertz}$ eingestellt.
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Vermessen werden Bandbreite und Rauschen mit den gleichen Methodiken
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wie in den vorherigen Kapiteln (vgl. Kapitel \ref{chap:v10_measurement_bandwidth}
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@ -668,6 +668,7 @@ und \ref{fig:v24_noise} zeigen die Messwerte auf.
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ab welchem eine Überhöhung der Bandbreite erkennbar ist.
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}
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\end{figure}
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\todo{Recheck/Re-Write graphs}
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Zu erkennen ist ein flacher Frequenzgang bis circa $\SI{100}{\kilo\hertz}$, mit
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einer darauf folgenden Instabilität, mit einem Peak um $\SI{500}{\kilo\hertz}$ herum.
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