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35
TeX/Kapitel/Auslegung.tex
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@ -711,22 +711,22 @@ Die Ergebnisse hiervon sind in Abbildungen \ref{fig:opamp_gbwp_variation_result_
Zu erkennen ist, dass die Rückkoppelkapazitäten $C_1$ keinen Einfluss auf die Stabilität haben, und lediglich die Bandbreite
begrenzen, wie bereits in Kapitel \ref{chap:basics_parasitics} beschrieben wurde.
Die Eingangskapazität $C_\mathrm{in}$ jedoch schein äquivalent zu einer variation des GBWP zu sein, wobei eine größere Kapazität
Die Eingangskapazität $C_\mathrm{in}$ jedoch schein äquivalent zu einer Variation des GBWP zu sein, wobei eine größere Kapazität
die Bandbreite verringert und die Stabilität negativ beeinflusst.
Bei der Schaltungsauslegung muss somit genügend Marge bei der GBWP-Auswahl gelassen werden, um bei höher als
erwartetem $C_\mathrm{in}$ stabil zu bleiben.
Zusammengefasst ist die OpAmp-Bandbreite ein wichtiger Faktor der Schaltung.
Ein zu klein gewähltes GBWP begrenzt sowohl die Bandbreite des Schaltkreises, und kann zudem zu
Ein zu klein gewähltes GBWP begrenzt sowohl die Bandbreite des Schaltkreises und kann zudem zu
Instabilitäten führen. Eine zu klein gewählte offene Verstärkung kann ebenfalls zur Begrenzung
der Bandbreite führen, jedoch ohne hierbei die Stabilität zu gefährden.
Aus den Simulationen wird geschlossen dass ein Mindest-GBWP von $\SI{1}{\giga\hertz}$
Aus den Simulationen wird geschlossen, dass ein Mindest-GBWP von $\SI{1}{\giga\hertz}$
notwendig ist, um stabil zu bleiben und die Bandbreite zu erhalten, wobei ein größeres GBWP vorteilhaft erscheint.
Eine minimale offene Verstärkung von circa 10 000 ist notwendig, um die Bandbreite nicht zu beeinflussen.
\subsubsection{Verbesserung der OpAmp Bandbreite}
Wie im vorherigen Kapitel beschrieben ist eine höhere Bandbreite des OpAmp notwendig,
Wie im vorherigen Kapitel beschrieben, ist eine höhere Bandbreite des OpAmp notwendig,
um die Schaltung stabil betreiben zu können. Die berechneten Parameter sind jedoch
nicht mit allen OpAmps erreichbar.
Um eine größere Auswahl von OpAmps zu ermöglichen wird nun untersucht, ob eine Erhöhung der
@ -735,17 +735,17 @@ effektiven Bandbreite möglich ist.
Da die Bandbreite eines einzelnen OpAmp durch seinen internen Aufbau limitiert ist, kann
an diesem nichts verändert werden. Es ist jedoch möglich, durch die Verschaltung zweier
oder mehr OpAmps einen gesamten Schaltkreis mit effektiv höherer Bandbreite zu erhalten.
Hierfür werden zwei Möglichkeiten hinzu gezogen:
Hierfür werden zwei Möglichkeiten erprobt:
\begin{itemize}
\item[a)] \textbf{Eine Reihenschaltung einzelner Verstärker-Stufen:}
Es werden mehrere einzelne Stufen regulärer Verstärker hintereinander geschaltet.
Hierdurch muss jede einzelne Stufe eine geringere Verstärkung erbringen,
Hierdurch muss jede einzelne Stufe eine geringere Verstärkung erbringen
und behält somit eine höhere Bandbreite.
Von Vorteil ist der simple
Schaltungsaufbau sowie die gute Stabilität, da jede Stufe in sich
stabil designt werden kann, und alle außer die erste Stufe als reguläre
stabil designt werden kann und alle Stufen außer die erste Stufe als reguläre
Verstärker, nicht als TIV, ausgelegt werden können.
Nachteilhaft sind die akkumulierenden Fehler der OpAmps, welche mit jeder
@ -753,14 +753,14 @@ Hierfür werden zwei Möglichkeiten hinzu gezogen:
\item[b)] \textbf{Eine Komposit-Schaltung von OpAmps:}
Anstelle einzelne Stufen hintereinander zu schalten ist es ebenso möglich,
mehrere OpAmps zu einem gesamt-Verstärker mit insgesamt höherer Bandbreite zu verschalten.\todo{
mehrere OpAmps zu einem Gesamtverstärker mit insgesamt höherer Bandbreite zu verschalten.\todo{
Find a citation for this?
}
Vorteilhaft ist die insgesamt höhere Präzision, da der Feedback-Pfad des gesamten
Systems über alle OpAmps geschaltet ist.
Nachteilhaft ist hierbei die komplexere Schaltung, und dass Stabilität
durch vorsichtiges Balancieren der Stufen eingestellt werden muss.
Nachteilhaft ist hierbei die komplexere Schaltung, und die Notwendigkeit der Stabilität
durch vorsichtiges Balancieren der Stufen.
Ein beispielhafter Schaltkreis ist in Abbildung \ref{fig:opamp_gbwp_increase_schematics}
dargestellt.
\end{itemize}
@ -773,7 +773,7 @@ Hierfür werden zwei Möglichkeiten hinzu gezogen:
des OpAmp GBWP durch Kaskadierung mehrerer OpAmps.}
\end{figure}
Da für den hier betrachteten Anwendungsfall die Präzision von höherer Relevanz ist,
Da für den hier betrachteten Anwendungsfall die Präzision von höherer Relevanz ist
und die vergleichsweise niedrigen Signalbandbreiten leichter stabilisierbar sind,
wird der komposite Schaltungsaufbau gewählt.
Es wird eine Simulation aufgebaut, mit welcher verschiedene
@ -785,7 +785,8 @@ untersuchen zu können.
Die Arbeitsweise dieser Verschaltung ist wie folgt:
\begin{enumerate}
\item Der OpAmp U1 verstärkt die am Eingang anliegende Spannungsdifferenz, welche vom
TIV-Eingangsstrom und Masse generiert wird
TIV-Eingangsstrom und Masse generiert wird.
\item Die Ausgangsspannung von U1 wird durch OpAmp U2 weiter verstärkt.
U2 besitzt hierbei eine feste Verstärkung, welche durch den Widerstandsteiler Rx/Rx
festgelegt wird.
@ -800,13 +801,13 @@ Die Arbeitsweise dieser Verschaltung ist wie folgt:
Durch korrekte Auswahl von U1, U2 und der Verteilung der Verstärkung zwischen den OpAmps können
so die Vorteile verschiedener OpAmps kombiniert werden. Es kann z.B. ein sensitiver und präziser
aber langsamer OpAmp in der ersten Stufe mit kleinerer Verstärkung betrieben werden, und ein
aber langsamer OpAmp in der ersten Stufe mit kleinerer Verstärkung betrieben werden und ein
wesentlich schnellerer OpAmp in der zweiten Stufe die Gesamtverstärkung des Systems liefern.
\FloatBarrier
Als exemplarisches Beispiel wird der ADA4817 als erste Stufe gewählt. Dieser OpAmp hat
ein exzellent niedriges Rauschen und geringe Eingangs-Leckströme, und ist optimiert
ein exzellent niedriges Rauschen und geringe Eingangs-Leckströme und ist optimiert
für Messungen an hochimpedanten Eingängen. Er besitzt jedoch eine zu geringe Verstärkung,
um direkt in einer Stufe eine Verstärkung von $\SI{1}{\giga\ohm}$ zu erreichen.
Mithilfe
@ -855,14 +856,14 @@ welche hier dargestellt werden sollen.
Das eingangsbezogene Stromrauschen des OpAmps hat einen direkten Effekt auf das gemessene
Signal. Da der Eingang des TIV Ströme misst, wird das Stromrauschen lediglich auf das
Eingangssignal hinzu addiert und mit Verstärkt. Eine Reduzierung des Effektes des Stromrauschens
Eingangssignal hinzu addiert und mit verstärkt. Eine Reduzierung des Effektes des Stromrauschens
ist somit nicht möglich, lediglich die Auswahl eines OpAmps mit wenig Rauschen ist hierfür relevant.
Mit hochperformanten OpAmps liegen typische Stromrausch-Werte im Bereich von
circa $\SI{10}{\femto\ampere\per\sqrt{\hertz}}$, welches mit der geforderten
Bandbreite von $\SI{30}{\kilo\hertz}$ ungefähr ein eingangsbezogenes Rauschen von $\SI{1.73}{\pico\ampere}$ erzeugt.
Das Spannungsrauschen des OpAmp ist etwas komplexer.
Am Eingang des TIVs interagiert dieses Rauschen mit der parasitären Eingangskapazität, und wirkt
Am Eingang des TIVs interagiert dieses Rauschen mit der parasitären Eingangskapazität und wirkt
somit als zusätzliches Stromrauschen, entsprechend der Formel $I = U \cdot 2\pi f \cdot C$.
Dieses Rauschen steigt somit sowohl mit größerer Eingangskapazität, als auch mit der Frequenz.
@ -879,7 +880,7 @@ genügend GBWP und kleinen Eingangsleckströmen, um als TIV nutzbar zu sein.
\end{figure}
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
betrachten zu können. Hierbei wird das Rauschen eingangsbezogen gemessen, d.h. die Ausgangsspannung
wird durch $R_\mathrm{f}$ dividiert, um den Eingangsstrom zu erhalten. Hierdurch lassen sich die
Simulationswerte besser vergleichen. Die Ergebnisse sind in Abbildungen \ref{fig:opamp_vin_noise_rf}
und \ref{fig:opamp_vin_noise_cin} dargestellt.

57
TeX/Kapitel/Auslegung/Schaltungsdesign.tex
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@ -7,14 +7,14 @@ vorherigen Kapitel ermittelten parasitären Effekten und Kompensationsmöglichke
konkrete Bauteile für die Konstruktion eines ersten TIV verglichen und ausgewählt. Hiernach
wird die Schaltung des TIVs ausgelegt und dessen Funktionsweise erläutert.
\subsection{TIV}
\subsection{Auslegung des TIV}
\subsubsection{OpAmp Auswahl}
\label{chap:v10_opamp_choice}
In diesem Abschnitt wird auf die genaue Auswahl eines OpAmp für den hochimpedanten
TIV-Eingang eingegangen.
Dieser OpAmp legt viele wichtige Systemparameter fest, und
Dieser OpAmp legt viele wichtige Systemparameter fest und
bestimmt maßgeblich das Verhalten und das Rauschniveau des TIVs selbst.
Zusammengefasst sind folgende Parameter von Bedeutung:
@ -31,7 +31,8 @@ Zusammengefasst sind folgende Parameter von Bedeutung:
\end{itemize}
Folgende OpAmps werden für die nähere Auswahl in Betracht gezogen:
Tabelle \ref{table:select_opamp_parameters} listed die in Betracht gezogenen OpAmps
zusammen mit einigen ihrer Parameter auf.
\begin{table}[h]
\centering
@ -64,7 +65,7 @@ Es wird somit für diese Schaltung der LTC6268-10 gewählt.
\subsubsection{TIV-Schaltung}
\label{chap:tia_circuit_design}
In diesem Unterkapitel wird nun die konkrete Schaltung des TIVs erstellt.
In diesem Unterkapitel wird die konkrete Schaltung des TIVs erstellt.
Der Grundlegende Aufbau eines TIV-Schaltkreises wurde bereits in Kapitel
\ref{chap:basics_tia} beschrieben. Da der LTC6268-10 ein ausreichendes
@ -81,10 +82,10 @@ der Serienschaltung sowie der Feldabschirmung aus
Kapitel \ref{chap:r_para_mitigations} genutzt, um den Einfluss der
Kapazitäten zu vermindern.
Da die konkreten Werte der parasitären Effekte nicht bekannt sind, und
Da die konkreten Werte der parasitären Effekte nicht bekannt sind und
in der Realität mit hoher Wahrscheinlichkeit größer sind als in der Simulation
(durch z.B. andere Komponenten in der Nähe, welche kapazitiv koppeln), werden
keine konkreten Werte für die Widerstände dieser Schaltung fest gelegt. Diese
keine konkreten Werte für die Widerstände dieser Schaltung festgelegt. Diese
werden experimentell erprobt, um eine gute Balance der Eigenschaften zu bieten.
Die Auslegung der Schaltung ist in Abbildung \ref{fig:tia_v1_design} zu sehen.
@ -122,7 +123,7 @@ Abbildung \ref{fig:tia_v1_pcb} zeigt das Design der Platine für den Teil
des TIVs selbst. Der Messeingang ist hierbei der runde Kreis des inneren
Anschlusses der SMA-Buchse. Dieser ist möglichst eng an den Verstärker U2
sowie der Kaskade der Rückkoppelwiderstände angeschlossen.
Um den gesamten hochimpedanten Bereich wird der Lötstopplack entfernt,
Um den gesamten hochimpedanten Bereich wird der Lötstopplack entfernt
und der Bereich des TIV-Eingangs wird mit einem geerdeten Pfad umgeben,
um Oberflächenladungen und Leckströme ableiten zu können.
@ -155,7 +156,7 @@ Verringerung der Feldstärke im Platinenmaterial selbst.
Um den Einfluss der Abschirmung abschätzen zu können, wird eine zweite Version der
Schaltung ohne diese Schirmungselektroden ausgelegt. Hierfür werden die Widerstände
sowie die Kupferflächen der Elektroden entfernt. Sie werden nicht durch Erdflächen
ersetzt, um keine zusätzliche Erdkapazität in den hochimpedanten Pfad ein zu koppeln.
ersetzt, um keine zusätzliche Erdkapazität in den hochimpedanten Pfad einzukoppeln.
\FloatBarrier
@ -164,7 +165,7 @@ In den folgenden Paragraphen werden weitere unterstützende Schaltungen
beschrieben, welche für die korrekte Funktionsweise des TIV nötig sind,
jedoch selbst nicht kritisch für die Charakteristik des TIVs sind, da
sie ohne große Anforderungen an Präzision o.ä. erstellt werden können.
Dieser Schaltungselemente werden somit kurz und der vollständigkeit
Dieser Schaltungselemente werden somit kurz und der Vollständigkeit
halber beschrieben.
\subsubsection{Filter-Stufe}
@ -175,8 +176,8 @@ erreichen. Der im Kapitel \ref{chap:tia_circuit_design} erstellte Schaltkreis
wird auf eine Bandbreite knapp über $\SI{30}{\kilo\hertz}$ abgestimmt,
wobei der parasitäre RC-Filter einen Abfall von -20dB/Dekate besitzt.
Da bekannt ist dass das zu messende Signal mit einer Bandbreite von $\SI{30}{\kilo\hertz}$
vor liegt, können alle Frequenzen hierüber möglichst stark gedämpft werden.
Da bekannt ist, dass das zu messende Signal mit einer Bandbreite von $\SI{30}{\kilo\hertz}$
vorliegt, können alle Frequenzen hierüber möglichst stark gedämpft werden.
Dies verringert das Rauschniveau, da die TIV-Schaltung selbst ein recht breites
Rauschspektrum bis in die obigen $\SI{100}{\kilo\hertz}$ besitzt. Hierfür können
aktive Filter verwendet werden, welche mithilfe von OpAmps, Widerständen und Kapazitäten
@ -190,14 +191,15 @@ Er besteht aus zwei in Reihe geschalteten OpAmps in aktiver Filter-Konfiguration
kann somit mit leicht erhältlichen Dual-Package OpAmps erstellt werden. Für die genaue
Auslegung des Filters wurde das ``Filter-Design-Tool'' von Analog Devices (siehe \cite{ADFilterDesign}) genutzt,
welches für die angegebenen Filter-Parameter eine Schaltung berechnet, da die
händische Berechnung der Komponenten vor allem bei Einhaltung der
Komponentenreihen (E24) nicht trivial ist.
händische Berechnung der Komponenten, vor allem bei Einhaltung
standartisierter
Komponentenreihen (E24), nicht trivial ist.
Die erstellte Filter-Stufe ist in
Abbildung \ref{fig:filter_stage_design} dargestellt. Die berechnete Transferfunktion
dieses Filters ist in Abbildung \ref{fig:filter_stage_bandwidth} aufgezeichnet.
Zu sehen ist eine glatte Transferfunktion bis hin zum -3dB-Punkt bei $\SI{30}{\kilo\hertz}$,
nach welchem wie erhofft ein steiler Abfall von -80dB/Dekade vor liegt.
nach welchem wie erhofft ein steiler Abfall von -80dB/Dekade vorliegt.
Somit werden Rauschanteile sowie andere Störsignale bereits ab $\SI{50}{\kilo\hertz}$ um einen Faktor
von 20dB gedämpft.
@ -228,7 +230,7 @@ teilweise ein differentielles Signal. Aus diesem Grund wird eine Verstärkerstuf
für die Umsetzung der Spannungslevel erstellt, welche durch Anpassung der Widerstände
diverse Verstärkungen und Offsets ermöglicht. Die genauen Widerstände müssen je nach ADC
gewählt werden, somit werden vorerst Platzhalter genutzt.
Diese Stufe ist in Abbildung \ref{fig:design_output_driver} dar gestellt.
Diese Stufe ist in Abbildung \ref{fig:design_output_driver} dargestellt.
\begin{figure}[H]
\centering
@ -241,8 +243,8 @@ Diese Stufe ist in Abbildung \ref{fig:design_output_driver} dar gestellt.
\label{chap:power_supply_design}
Für die korrekte Operation des TIV müssen die für die Verstärker benötigten Spannungen
bereit gestellt werden. Hierbei ist eine hohe Qualität, d.h. ein stabiles Spannungsniveau auch
unter Last sowie ein möglichst geringes Rauschen der Versorgung, notwendig. Zudem ist
bereitgestellt werden. Hierbei ist eine hohe Qualität, d.h. ein stabiles Spannungsniveau auch
unter Last sowie ein möglichst geringes Rauschen der Versorgung notwendig. Zudem ist
eine differentielle Spannungsversorgung notwendig.
Um all dies zu erreichen, wird die Spannungsversorgung aus zwei Stufen aufgebaut:
@ -256,14 +258,14 @@ Um all dies zu erreichen, wird die Spannungsversorgung aus zwei Stufen aufgebaut
effektiv. Der duale Spannungsausgang des Wandlers vereinfacht zudem die Versorgung
der Verstärker. Von Nachteil ist ein recht hoher Rauschanteil am Ausgang des Wandlers.
Der Schaltkreis des DC/DC-Wandlers ist in Abbildung \ref{fig:design_power_dcdc} dargestellt.
\item Um das Rauschniveau zu reduzieren, und um den TIV-OpAmp mit der korrekten
\item Um das Rauschniveau zu reduzieren und um den TIV-OpAmp mit der korrekten
Spannung versorgen zu können, wird ein Linearregler genutzt. Dieser Typ von Regler
bietet einen sehr stabilen und rauscharmen Ausgang, und eignet sich somit gut für die
bietet einen sehr stabilen und rauscharmen Ausgang und eignet sich somit gut für die
Versorgung von sensitiven Bauteilen.
Ein dedizierter Zweikanal-Linearregler, der {\em LT3032}, wird über einen
RC-Filter mit der DC/DC-Spannung versorgt, und liefert die
RC-Filter mit der DC/DC-Spannung versorgt und liefert die
notwendigen Spannungen für den TIV selbst. Dieser Regler ist speziell für
niedrige Rauschlevel konzipiert, und ist somit bestens für die Bereitstellung
niedrige Rauschlevel konzipiert und ist somit bestens für die Bereitstellung
einer stabilen Spannung geeignet.
Der Schaltkreis des Linearreglers ist in Abbildung \ref{fig:design_power_ldo} dargestellt.
\end{enumerate}
@ -282,8 +284,9 @@ Um all dies zu erreichen, wird die Spannungsversorgung aus zwei Stufen aufgebaut
\subsection{Auslegung des PCB}
In diesem Abschnitt soll auf die konkrete Platzierung der im vorherigen Teil beschriebenen
Komponenten eingegangen werden. Eine korrekte Positionierung ist notwendig, um Störsignale
Nach Beschreibung der verwendeten Schaltkreise wird nun auf die
konkrete Platzierung der Komponenten eingegangen.
Eine korrekte Positionierung ist notwendig, um Störsignale
zu minimieren, da gewisse Schaltungsteile eigene Rauschquellen sind.
Abbildung \ref{fig:v1_pcb_design} zeigt den Aufbau der Platine mit allen Komponenten.
@ -296,9 +299,9 @@ Die einzelnen Elemente des TIV sind von links nach rechts wie folgt angeordnet:
\item Mittig auf der Platine ist der Linearregler sowie die Filter-Stufe und
der Ausgangstreiber angebracht. Der Linearregler ist hierbei möglichst nah
an den Spannungseingang des TIV gelegt, um die Distanz hierzu zu
vermindern. Die Ausgangs-Stufe ist nicht rauschanfällig, und kann somit beliebig
vermindern. Die Ausgangs-Stufe ist nicht rauschanfällig und kann somit beliebig
platziert werden.
\item Auf der rechten Seite der Platine wird der TIV-Teil selbst platziert. Somit
\item Auf der rechten Seite der Platine wird der TIV selbst platziert. Somit
ist garantiert, dass keine unnötigen Stromflüsse durch diesen Verstärkerteil
fließen können. Das gesamte TIV-System wird zur Minimierung externer Einflüsse
zudem in ein Schirmgehäuse untergebracht.
@ -311,7 +314,7 @@ Die einzelnen Elemente des TIV sind von links nach rechts wie folgt angeordnet:
\includegraphics[width=0.95\linewidth]{Auslegung/v1.0/pcb_3d.png}
\caption{\label{fig:v1_pcb_design}3D-Modell des gesamten TIV-Schaltkreises.}
\end{figure}
\todo[inline]{Add some nice overlays for the parts.}
Zusätzlich zu den bereits etablierten Komponenten der Schaltung werden einige
mechanische Verbindungen zur Operation des Schaltkreises untergebracht:
@ -326,7 +329,7 @@ mechanische Verbindungen zur Operation des Schaltkreises untergebracht:
des Linearreglers, sowie den ungefilterten Ausgang des TIVs selbst.
\item Zur Verbindung des TIV Eingangs sowie Bereitstellung des Ausgangssignals
werden SMA-Steckverbindungen benutzt. Diese sind besonders gut geeignet
für Signale die einer Schirmung und präzisen Übertragung benötigen,
für Signale, die einer Schirmung und präzisen Übertragung benötigen
und sind somit gut geeignet für das Eingangs- und Ausgangssignal des Verstärkers.
\end{itemize}

4
TeX/Kapitel/Vermessung.tex
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@ -5,7 +5,7 @@
In diesem Kapitel wird der erstellte Schaltkreis auf seine Funktionstüchtigkeit
untersucht.
Es wird beurteilt, ob die Schaltung die festgelegten Zielparameter erreichen kann,
Es wird beurteilt, ob die Schaltung die festgelegten Zielparameter erreichen kann
und welche Parameter einer Verbesserung bedürfen.
Hierbei werden verschiedene Variationen des Schaltkreises vermessen, um
@ -13,7 +13,7 @@ einige Systemparameter bestimmen zu können. Diese sind:
\begin{itemize}
\item Ein Schaltkreis ohne Abschirmungen und mit $4\cdot\SI{47}{\mega\ohm}$
Rückkoppelwiderständen, zur Bestätigung der Notwendigkeit der Abschirmungen
Rückkoppelwiderständen, zur Bestätigung der Notwendigkeit der Abschirmungen.
\item Drei Schaltkreise mit jeweils $4\cdot\SI{47}{\mega\ohm}$,
$4\cdot\SI{20}{\mega\ohm}$ sowie $4\cdot\SI{120}{\mega\ohm}$ Rückkoppelwiderständen,
um den Einfluss der verschiedenen Widerstände charakterisieren zu können.