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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}