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b6d2445480
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@ -711,22 +711,22 @@ Die Ergebnisse hiervon sind in Abbildungen \ref{fig:opamp_gbwp_variation_result_
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Zu erkennen ist, dass die Rückkoppelkapazitäten $C_1$ keinen Einfluss auf die Stabilität haben, und lediglich die Bandbreite
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Zu erkennen ist, dass die Rückkoppelkapazitäten $C_1$ keinen Einfluss auf die Stabilität haben, und lediglich die Bandbreite
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begrenzen, wie bereits in Kapitel \ref{chap:basics_parasitics} beschrieben wurde.
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begrenzen, wie bereits in Kapitel \ref{chap:basics_parasitics} beschrieben wurde.
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Die Eingangskapazität $C_\mathrm{in}$ jedoch schein äquivalent zu einer variation des GBWP zu sein, wobei eine größere Kapazität
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Die Eingangskapazität $C_\mathrm{in}$ jedoch schein äquivalent zu einer Variation des GBWP zu sein, wobei eine größere Kapazität
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die Bandbreite verringert und die Stabilität negativ beeinflusst.
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die Bandbreite verringert und die Stabilität negativ beeinflusst.
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Bei der Schaltungsauslegung muss somit genügend Marge bei der GBWP-Auswahl gelassen werden, um bei höher als
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Bei der Schaltungsauslegung muss somit genügend Marge bei der GBWP-Auswahl gelassen werden, um bei höher als
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erwartetem $C_\mathrm{in}$ stabil zu bleiben.
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erwartetem $C_\mathrm{in}$ stabil zu bleiben.
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Zusammengefasst ist die OpAmp-Bandbreite ein wichtiger Faktor der Schaltung.
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Zusammengefasst ist die OpAmp-Bandbreite ein wichtiger Faktor der Schaltung.
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Ein zu klein gewähltes GBWP begrenzt sowohl die Bandbreite des Schaltkreises, und kann zudem zu
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Ein zu klein gewähltes GBWP begrenzt sowohl die Bandbreite des Schaltkreises und kann zudem zu
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Instabilitäten führen. Eine zu klein gewählte offene Verstärkung kann ebenfalls zur Begrenzung
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Instabilitäten führen. Eine zu klein gewählte offene Verstärkung kann ebenfalls zur Begrenzung
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der Bandbreite führen, jedoch ohne hierbei die Stabilität zu gefährden.
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der Bandbreite führen, jedoch ohne hierbei die Stabilität zu gefährden.
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Aus den Simulationen wird geschlossen dass ein Mindest-GBWP von $\SI{1}{\giga\hertz}$
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Aus den Simulationen wird geschlossen, dass ein Mindest-GBWP von $\SI{1}{\giga\hertz}$
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notwendig ist, um stabil zu bleiben und die Bandbreite zu erhalten, wobei ein größeres GBWP vorteilhaft erscheint.
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notwendig ist, um stabil zu bleiben und die Bandbreite zu erhalten, wobei ein größeres GBWP vorteilhaft erscheint.
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Eine minimale offene Verstärkung von circa 10 000 ist notwendig, um die Bandbreite nicht zu beeinflussen.
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Eine minimale offene Verstärkung von circa 10 000 ist notwendig, um die Bandbreite nicht zu beeinflussen.
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\subsubsection{Verbesserung der OpAmp Bandbreite}
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\subsubsection{Verbesserung der OpAmp Bandbreite}
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Wie im vorherigen Kapitel beschrieben ist eine höhere Bandbreite des OpAmp notwendig,
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Wie im vorherigen Kapitel beschrieben, ist eine höhere Bandbreite des OpAmp notwendig,
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um die Schaltung stabil betreiben zu können. Die berechneten Parameter sind jedoch
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um die Schaltung stabil betreiben zu können. Die berechneten Parameter sind jedoch
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nicht mit allen OpAmps erreichbar.
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nicht mit allen OpAmps erreichbar.
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Um eine größere Auswahl von OpAmps zu ermöglichen wird nun untersucht, ob eine Erhöhung der
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Um eine größere Auswahl von OpAmps zu ermöglichen wird nun untersucht, ob eine Erhöhung der
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@ -735,17 +735,17 @@ effektiven Bandbreite möglich ist.
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Da die Bandbreite eines einzelnen OpAmp durch seinen internen Aufbau limitiert ist, kann
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Da die Bandbreite eines einzelnen OpAmp durch seinen internen Aufbau limitiert ist, kann
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an diesem nichts verändert werden. Es ist jedoch möglich, durch die Verschaltung zweier
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an diesem nichts verändert werden. Es ist jedoch möglich, durch die Verschaltung zweier
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oder mehr OpAmps einen gesamten Schaltkreis mit effektiv höherer Bandbreite zu erhalten.
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oder mehr OpAmps einen gesamten Schaltkreis mit effektiv höherer Bandbreite zu erhalten.
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Hierfür werden zwei Möglichkeiten hinzu gezogen:
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Hierfür werden zwei Möglichkeiten erprobt:
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\begin{itemize}
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\begin{itemize}
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\item[a)] \textbf{Eine Reihenschaltung einzelner Verstärker-Stufen:}
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\item[a)] \textbf{Eine Reihenschaltung einzelner Verstärker-Stufen:}
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Es werden mehrere einzelne Stufen regulärer Verstärker hintereinander geschaltet.
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Es werden mehrere einzelne Stufen regulärer Verstärker hintereinander geschaltet.
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Hierdurch muss jede einzelne Stufe eine geringere Verstärkung erbringen,
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Hierdurch muss jede einzelne Stufe eine geringere Verstärkung erbringen
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und behält somit eine höhere Bandbreite.
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und behält somit eine höhere Bandbreite.
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Von Vorteil ist der simple
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Von Vorteil ist der simple
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Schaltungsaufbau sowie die gute Stabilität, da jede Stufe in sich
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Schaltungsaufbau sowie die gute Stabilität, da jede Stufe in sich
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stabil designt werden kann, und alle außer die erste Stufe als reguläre
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stabil designt werden kann und alle Stufen außer die erste Stufe als reguläre
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Verstärker, nicht als TIV, ausgelegt werden können.
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Verstärker, nicht als TIV, ausgelegt werden können.
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Nachteilhaft sind die akkumulierenden Fehler der OpAmps, welche mit jeder
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Nachteilhaft sind die akkumulierenden Fehler der OpAmps, welche mit jeder
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@ -753,14 +753,14 @@ Hierfür werden zwei Möglichkeiten hinzu gezogen:
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\item[b)] \textbf{Eine Komposit-Schaltung von OpAmps:}
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\item[b)] \textbf{Eine Komposit-Schaltung von OpAmps:}
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Anstelle einzelne Stufen hintereinander zu schalten ist es ebenso möglich,
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Anstelle einzelne Stufen hintereinander zu schalten ist es ebenso möglich,
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mehrere OpAmps zu einem gesamt-Verstärker mit insgesamt höherer Bandbreite zu verschalten.\todo{
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mehrere OpAmps zu einem Gesamtverstärker mit insgesamt höherer Bandbreite zu verschalten.\todo{
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Find a citation for this?
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}
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Vorteilhaft ist die insgesamt höhere Präzision, da der Feedback-Pfad des gesamten
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Vorteilhaft ist die insgesamt höhere Präzision, da der Feedback-Pfad des gesamten
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Systems über alle OpAmps geschaltet ist.
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Systems über alle OpAmps geschaltet ist.
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Nachteilhaft ist hierbei die komplexere Schaltung, und dass Stabilität
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Nachteilhaft ist hierbei die komplexere Schaltung, und die Notwendigkeit der Stabilität
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durch vorsichtiges Balancieren der Stufen eingestellt werden muss.
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durch vorsichtiges Balancieren der Stufen.
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Ein beispielhafter Schaltkreis ist in Abbildung \ref{fig:opamp_gbwp_increase_schematics}
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Ein beispielhafter Schaltkreis ist in Abbildung \ref{fig:opamp_gbwp_increase_schematics}
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dargestellt.
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dargestellt.
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\end{itemize}
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\end{itemize}
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@ -773,7 +773,7 @@ Hierfür werden zwei Möglichkeiten hinzu gezogen:
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des OpAmp GBWP durch Kaskadierung mehrerer OpAmps.}
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des OpAmp GBWP durch Kaskadierung mehrerer OpAmps.}
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\end{figure}
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\end{figure}
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Da für den hier betrachteten Anwendungsfall die Präzision von höherer Relevanz ist,
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Da für den hier betrachteten Anwendungsfall die Präzision von höherer Relevanz ist
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und die vergleichsweise niedrigen Signalbandbreiten leichter stabilisierbar sind,
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und die vergleichsweise niedrigen Signalbandbreiten leichter stabilisierbar sind,
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wird der komposite Schaltungsaufbau gewählt.
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wird der komposite Schaltungsaufbau gewählt.
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Es wird eine Simulation aufgebaut, mit welcher verschiedene
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Es wird eine Simulation aufgebaut, mit welcher verschiedene
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@ -785,7 +785,8 @@ untersuchen zu können.
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Die Arbeitsweise dieser Verschaltung ist wie folgt:
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Die Arbeitsweise dieser Verschaltung ist wie folgt:
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\begin{enumerate}
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\begin{enumerate}
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\item Der OpAmp U1 verstärkt die am Eingang anliegende Spannungsdifferenz, welche vom
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\item Der OpAmp U1 verstärkt die am Eingang anliegende Spannungsdifferenz, welche vom
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TIV-Eingangsstrom und Masse generiert wird
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TIV-Eingangsstrom und Masse generiert wird.
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\item Die Ausgangsspannung von U1 wird durch OpAmp U2 weiter verstärkt.
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\item Die Ausgangsspannung von U1 wird durch OpAmp U2 weiter verstärkt.
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U2 besitzt hierbei eine feste Verstärkung, welche durch den Widerstandsteiler Rx/Rx
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U2 besitzt hierbei eine feste Verstärkung, welche durch den Widerstandsteiler Rx/Rx
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festgelegt wird.
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festgelegt wird.
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@ -800,13 +801,13 @@ Die Arbeitsweise dieser Verschaltung ist wie folgt:
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Durch korrekte Auswahl von U1, U2 und der Verteilung der Verstärkung zwischen den OpAmps können
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Durch korrekte Auswahl von U1, U2 und der Verteilung der Verstärkung zwischen den OpAmps können
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so die Vorteile verschiedener OpAmps kombiniert werden. Es kann z.B. ein sensitiver und präziser
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so die Vorteile verschiedener OpAmps kombiniert werden. Es kann z.B. ein sensitiver und präziser
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aber langsamer OpAmp in der ersten Stufe mit kleinerer Verstärkung betrieben werden, und ein
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aber langsamer OpAmp in der ersten Stufe mit kleinerer Verstärkung betrieben werden und ein
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wesentlich schnellerer OpAmp in der zweiten Stufe die Gesamtverstärkung des Systems liefern.
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wesentlich schnellerer OpAmp in der zweiten Stufe die Gesamtverstärkung des Systems liefern.
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\FloatBarrier
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\FloatBarrier
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Als exemplarisches Beispiel wird der ADA4817 als erste Stufe gewählt. Dieser OpAmp hat
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Als exemplarisches Beispiel wird der ADA4817 als erste Stufe gewählt. Dieser OpAmp hat
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ein exzellent niedriges Rauschen und geringe Eingangs-Leckströme, und ist optimiert
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ein exzellent niedriges Rauschen und geringe Eingangs-Leckströme und ist optimiert
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für Messungen an hochimpedanten Eingängen. Er besitzt jedoch eine zu geringe Verstärkung,
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für Messungen an hochimpedanten Eingängen. Er besitzt jedoch eine zu geringe Verstärkung,
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um direkt in einer Stufe eine Verstärkung von $\SI{1}{\giga\ohm}$ zu erreichen.
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um direkt in einer Stufe eine Verstärkung von $\SI{1}{\giga\ohm}$ zu erreichen.
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Mithilfe
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Mithilfe
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@ -855,14 +856,14 @@ welche hier dargestellt werden sollen.
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Das eingangsbezogene Stromrauschen des OpAmps hat einen direkten Effekt auf das gemessene
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Das eingangsbezogene Stromrauschen des OpAmps hat einen direkten Effekt auf das gemessene
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Signal. Da der Eingang des TIV Ströme misst, wird das Stromrauschen lediglich auf das
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Signal. Da der Eingang des TIV Ströme misst, wird das Stromrauschen lediglich auf das
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Eingangssignal hinzu addiert und mit Verstärkt. Eine Reduzierung des Effektes des Stromrauschens
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Eingangssignal hinzu addiert und mit verstärkt. Eine Reduzierung des Effektes des Stromrauschens
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ist somit nicht möglich, lediglich die Auswahl eines OpAmps mit wenig Rauschen ist hierfür relevant.
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ist somit nicht möglich, lediglich die Auswahl eines OpAmps mit wenig Rauschen ist hierfür relevant.
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Mit hochperformanten OpAmps liegen typische Stromrausch-Werte im Bereich von
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Mit hochperformanten OpAmps liegen typische Stromrausch-Werte im Bereich von
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circa $\SI{10}{\femto\ampere\per\sqrt{\hertz}}$, welches mit der geforderten
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circa $\SI{10}{\femto\ampere\per\sqrt{\hertz}}$, welches mit der geforderten
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Bandbreite von $\SI{30}{\kilo\hertz}$ ungefähr ein eingangsbezogenes Rauschen von $\SI{1.73}{\pico\ampere}$ erzeugt.
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Bandbreite von $\SI{30}{\kilo\hertz}$ ungefähr ein eingangsbezogenes Rauschen von $\SI{1.73}{\pico\ampere}$ erzeugt.
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Das Spannungsrauschen des OpAmp ist etwas komplexer.
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Das Spannungsrauschen des OpAmp ist etwas komplexer.
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Am Eingang des TIVs interagiert dieses Rauschen mit der parasitären Eingangskapazität, und wirkt
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Am Eingang des TIVs interagiert dieses Rauschen mit der parasitären Eingangskapazität und wirkt
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somit als zusätzliches Stromrauschen, entsprechend der Formel $I = U \cdot 2\pi f \cdot C$.
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somit als zusätzliches Stromrauschen, entsprechend der Formel $I = U \cdot 2\pi f \cdot C$.
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Dieses Rauschen steigt somit sowohl mit größerer Eingangskapazität, als auch mit der Frequenz.
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Dieses Rauschen steigt somit sowohl mit größerer Eingangskapazität, als auch mit der Frequenz.
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@ -879,7 +880,7 @@ genügend GBWP und kleinen Eingangsleckströmen, um als TIV nutzbar zu sein.
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\end{figure}
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\end{figure}
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Variiert werden $C_\mathrm{in}$ sowie $R_\mathrm{f}$, um die Auswirkungen dieser Parameter
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Variiert werden $C_\mathrm{in}$ sowie $R_\mathrm{f}$, um die Auswirkungen dieser Parameter
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betrachten zu können. Hierbei wird das Rauschen Eingangsbezogen gemessen, d.h. die Ausgangsspannung
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betrachten zu können. Hierbei wird das Rauschen eingangsbezogen gemessen, d.h. die Ausgangsspannung
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wird durch $R_\mathrm{f}$ dividiert, um den Eingangsstrom zu erhalten. Hierdurch lassen sich die
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wird durch $R_\mathrm{f}$ dividiert, um den Eingangsstrom zu erhalten. Hierdurch lassen sich die
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Simulationswerte besser vergleichen. Die Ergebnisse sind in Abbildungen \ref{fig:opamp_vin_noise_rf}
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Simulationswerte besser vergleichen. Die Ergebnisse sind in Abbildungen \ref{fig:opamp_vin_noise_rf}
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und \ref{fig:opamp_vin_noise_cin} dargestellt.
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und \ref{fig:opamp_vin_noise_cin} dargestellt.
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@ -7,14 +7,14 @@ vorherigen Kapitel ermittelten parasitären Effekten und Kompensationsmöglichke
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konkrete Bauteile für die Konstruktion eines ersten TIV verglichen und ausgewählt. Hiernach
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konkrete Bauteile für die Konstruktion eines ersten TIV verglichen und ausgewählt. Hiernach
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wird die Schaltung des TIVs ausgelegt und dessen Funktionsweise erläutert.
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wird die Schaltung des TIVs ausgelegt und dessen Funktionsweise erläutert.
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\subsection{TIV}
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\subsection{Auslegung des TIV}
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\subsubsection{OpAmp Auswahl}
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\subsubsection{OpAmp Auswahl}
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\label{chap:v10_opamp_choice}
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\label{chap:v10_opamp_choice}
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In diesem Abschnitt wird auf die genaue Auswahl eines OpAmp für den hochimpedanten
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In diesem Abschnitt wird auf die genaue Auswahl eines OpAmp für den hochimpedanten
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TIV-Eingang eingegangen.
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TIV-Eingang eingegangen.
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Dieser OpAmp legt viele wichtige Systemparameter fest, und
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Dieser OpAmp legt viele wichtige Systemparameter fest und
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bestimmt maßgeblich das Verhalten und das Rauschniveau des TIVs selbst.
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bestimmt maßgeblich das Verhalten und das Rauschniveau des TIVs selbst.
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Zusammengefasst sind folgende Parameter von Bedeutung:
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Zusammengefasst sind folgende Parameter von Bedeutung:
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@ -31,7 +31,8 @@ Zusammengefasst sind folgende Parameter von Bedeutung:
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\end{itemize}
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\end{itemize}
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Folgende OpAmps werden für die nähere Auswahl in Betracht gezogen:
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Tabelle \ref{table:select_opamp_parameters} listed die in Betracht gezogenen OpAmps
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zusammen mit einigen ihrer Parameter auf.
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\begin{table}[h]
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\begin{table}[h]
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\centering
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\centering
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@ -64,7 +65,7 @@ Es wird somit für diese Schaltung der LTC6268-10 gewählt.
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\subsubsection{TIV-Schaltung}
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\subsubsection{TIV-Schaltung}
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\label{chap:tia_circuit_design}
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\label{chap:tia_circuit_design}
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In diesem Unterkapitel wird nun die konkrete Schaltung des TIVs erstellt.
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In diesem Unterkapitel wird die konkrete Schaltung des TIVs erstellt.
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Der Grundlegende Aufbau eines TIV-Schaltkreises wurde bereits in Kapitel
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Der Grundlegende Aufbau eines TIV-Schaltkreises wurde bereits in Kapitel
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\ref{chap:basics_tia} beschrieben. Da der LTC6268-10 ein ausreichendes
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\ref{chap:basics_tia} beschrieben. Da der LTC6268-10 ein ausreichendes
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@ -81,10 +82,10 @@ der Serienschaltung sowie der Feldabschirmung aus
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Kapitel \ref{chap:r_para_mitigations} genutzt, um den Einfluss der
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Kapitel \ref{chap:r_para_mitigations} genutzt, um den Einfluss der
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Kapazitäten zu vermindern.
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Kapazitäten zu vermindern.
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Da die konkreten Werte der parasitären Effekte nicht bekannt sind, und
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Da die konkreten Werte der parasitären Effekte nicht bekannt sind und
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in der Realität mit hoher Wahrscheinlichkeit größer sind als in der Simulation
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in der Realität mit hoher Wahrscheinlichkeit größer sind als in der Simulation
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(durch z.B. andere Komponenten in der Nähe, welche kapazitiv koppeln), werden
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(durch z.B. andere Komponenten in der Nähe, welche kapazitiv koppeln), werden
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keine konkreten Werte für die Widerstände dieser Schaltung fest gelegt. Diese
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keine konkreten Werte für die Widerstände dieser Schaltung festgelegt. Diese
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werden experimentell erprobt, um eine gute Balance der Eigenschaften zu bieten.
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werden experimentell erprobt, um eine gute Balance der Eigenschaften zu bieten.
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Die Auslegung der Schaltung ist in Abbildung \ref{fig:tia_v1_design} zu sehen.
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Die Auslegung der Schaltung ist in Abbildung \ref{fig:tia_v1_design} zu sehen.
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@ -122,7 +123,7 @@ Abbildung \ref{fig:tia_v1_pcb} zeigt das Design der Platine für den Teil
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des TIVs selbst. Der Messeingang ist hierbei der runde Kreis des inneren
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des TIVs selbst. Der Messeingang ist hierbei der runde Kreis des inneren
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Anschlusses der SMA-Buchse. Dieser ist möglichst eng an den Verstärker U2
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Anschlusses der SMA-Buchse. Dieser ist möglichst eng an den Verstärker U2
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sowie der Kaskade der Rückkoppelwiderstände angeschlossen.
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sowie der Kaskade der Rückkoppelwiderstände angeschlossen.
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Um den gesamten hochimpedanten Bereich wird der Lötstopplack entfernt,
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Um den gesamten hochimpedanten Bereich wird der Lötstopplack entfernt
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und der Bereich des TIV-Eingangs wird mit einem geerdeten Pfad umgeben,
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und der Bereich des TIV-Eingangs wird mit einem geerdeten Pfad umgeben,
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um Oberflächenladungen und Leckströme ableiten zu können.
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um Oberflächenladungen und Leckströme ableiten zu können.
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@ -155,7 +156,7 @@ Verringerung der Feldstärke im Platinenmaterial selbst.
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Um den Einfluss der Abschirmung abschätzen zu können, wird eine zweite Version der
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Um den Einfluss der Abschirmung abschätzen zu können, wird eine zweite Version der
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Schaltung ohne diese Schirmungselektroden ausgelegt. Hierfür werden die Widerstände
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Schaltung ohne diese Schirmungselektroden ausgelegt. Hierfür werden die Widerstände
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sowie die Kupferflächen der Elektroden entfernt. Sie werden nicht durch Erdflächen
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sowie die Kupferflächen der Elektroden entfernt. Sie werden nicht durch Erdflächen
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ersetzt, um keine zusätzliche Erdkapazität in den hochimpedanten Pfad ein zu koppeln.
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ersetzt, um keine zusätzliche Erdkapazität in den hochimpedanten Pfad einzukoppeln.
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\FloatBarrier
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\FloatBarrier
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@ -164,7 +165,7 @@ In den folgenden Paragraphen werden weitere unterstützende Schaltungen
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beschrieben, welche für die korrekte Funktionsweise des TIV nötig sind,
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beschrieben, welche für die korrekte Funktionsweise des TIV nötig sind,
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jedoch selbst nicht kritisch für die Charakteristik des TIVs sind, da
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jedoch selbst nicht kritisch für die Charakteristik des TIVs sind, da
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sie ohne große Anforderungen an Präzision o.ä. erstellt werden können.
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sie ohne große Anforderungen an Präzision o.ä. erstellt werden können.
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Dieser Schaltungselemente werden somit kurz und der vollständigkeit
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Dieser Schaltungselemente werden somit kurz und der Vollständigkeit
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halber beschrieben.
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halber beschrieben.
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\subsubsection{Filter-Stufe}
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\subsubsection{Filter-Stufe}
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@ -175,8 +176,8 @@ erreichen. Der im Kapitel \ref{chap:tia_circuit_design} erstellte Schaltkreis
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wird auf eine Bandbreite knapp über $\SI{30}{\kilo\hertz}$ abgestimmt,
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wird auf eine Bandbreite knapp über $\SI{30}{\kilo\hertz}$ abgestimmt,
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wobei der parasitäre RC-Filter einen Abfall von -20dB/Dekate besitzt.
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wobei der parasitäre RC-Filter einen Abfall von -20dB/Dekate besitzt.
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Da bekannt ist dass das zu messende Signal mit einer Bandbreite von $\SI{30}{\kilo\hertz}$
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Da bekannt ist, dass das zu messende Signal mit einer Bandbreite von $\SI{30}{\kilo\hertz}$
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vor liegt, können alle Frequenzen hierüber möglichst stark gedämpft werden.
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vorliegt, können alle Frequenzen hierüber möglichst stark gedämpft werden.
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Dies verringert das Rauschniveau, da die TIV-Schaltung selbst ein recht breites
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Dies verringert das Rauschniveau, da die TIV-Schaltung selbst ein recht breites
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Rauschspektrum bis in die obigen $\SI{100}{\kilo\hertz}$ besitzt. Hierfür können
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Rauschspektrum bis in die obigen $\SI{100}{\kilo\hertz}$ besitzt. Hierfür können
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aktive Filter verwendet werden, welche mithilfe von OpAmps, Widerständen und Kapazitäten
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aktive Filter verwendet werden, welche mithilfe von OpAmps, Widerständen und Kapazitäten
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@ -190,14 +191,15 @@ Er besteht aus zwei in Reihe geschalteten OpAmps in aktiver Filter-Konfiguration
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kann somit mit leicht erhältlichen Dual-Package OpAmps erstellt werden. Für die genaue
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kann somit mit leicht erhältlichen Dual-Package OpAmps erstellt werden. Für die genaue
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Auslegung des Filters wurde das ``Filter-Design-Tool'' von Analog Devices (siehe \cite{ADFilterDesign}) genutzt,
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Auslegung des Filters wurde das ``Filter-Design-Tool'' von Analog Devices (siehe \cite{ADFilterDesign}) genutzt,
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welches für die angegebenen Filter-Parameter eine Schaltung berechnet, da die
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welches für die angegebenen Filter-Parameter eine Schaltung berechnet, da die
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händische Berechnung der Komponenten vor allem bei Einhaltung der
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händische Berechnung der Komponenten, vor allem bei Einhaltung
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Komponentenreihen (E24) nicht trivial ist.
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standartisierter
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Komponentenreihen (E24), nicht trivial ist.
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Die erstellte Filter-Stufe ist in
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Die erstellte Filter-Stufe ist in
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Abbildung \ref{fig:filter_stage_design} dargestellt. Die berechnete Transferfunktion
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Abbildung \ref{fig:filter_stage_design} dargestellt. Die berechnete Transferfunktion
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dieses Filters ist in Abbildung \ref{fig:filter_stage_bandwidth} aufgezeichnet.
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dieses Filters ist in Abbildung \ref{fig:filter_stage_bandwidth} aufgezeichnet.
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Zu sehen ist eine glatte Transferfunktion bis hin zum -3dB-Punkt bei $\SI{30}{\kilo\hertz}$,
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Zu sehen ist eine glatte Transferfunktion bis hin zum -3dB-Punkt bei $\SI{30}{\kilo\hertz}$,
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nach welchem wie erhofft ein steiler Abfall von -80dB/Dekade vor liegt.
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nach welchem wie erhofft ein steiler Abfall von -80dB/Dekade vorliegt.
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||||||
Somit werden Rauschanteile sowie andere Störsignale bereits ab $\SI{50}{\kilo\hertz}$ um einen Faktor
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Somit werden Rauschanteile sowie andere Störsignale bereits ab $\SI{50}{\kilo\hertz}$ um einen Faktor
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von 20dB gedämpft.
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von 20dB gedämpft.
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@ -228,7 +230,7 @@ teilweise ein differentielles Signal. Aus diesem Grund wird eine Verstärkerstuf
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für die Umsetzung der Spannungslevel erstellt, welche durch Anpassung der Widerstände
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für die Umsetzung der Spannungslevel erstellt, welche durch Anpassung der Widerstände
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diverse Verstärkungen und Offsets ermöglicht. Die genauen Widerstände müssen je nach ADC
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diverse Verstärkungen und Offsets ermöglicht. Die genauen Widerstände müssen je nach ADC
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gewählt werden, somit werden vorerst Platzhalter genutzt.
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gewählt werden, somit werden vorerst Platzhalter genutzt.
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Diese Stufe ist in Abbildung \ref{fig:design_output_driver} dar gestellt.
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Diese Stufe ist in Abbildung \ref{fig:design_output_driver} dargestellt.
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\begin{figure}[H]
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\begin{figure}[H]
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\centering
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\centering
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@ -241,8 +243,8 @@ Diese Stufe ist in Abbildung \ref{fig:design_output_driver} dar gestellt.
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\label{chap:power_supply_design}
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\label{chap:power_supply_design}
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Für die korrekte Operation des TIV müssen die für die Verstärker benötigten Spannungen
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Für die korrekte Operation des TIV müssen die für die Verstärker benötigten Spannungen
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bereit gestellt werden. Hierbei ist eine hohe Qualität, d.h. ein stabiles Spannungsniveau auch
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bereitgestellt werden. Hierbei ist eine hohe Qualität, d.h. ein stabiles Spannungsniveau auch
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unter Last sowie ein möglichst geringes Rauschen der Versorgung, notwendig. Zudem ist
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unter Last sowie ein möglichst geringes Rauschen der Versorgung notwendig. Zudem ist
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eine differentielle Spannungsversorgung notwendig.
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eine differentielle Spannungsversorgung notwendig.
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Um all dies zu erreichen, wird die Spannungsversorgung aus zwei Stufen aufgebaut:
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Um all dies zu erreichen, wird die Spannungsversorgung aus zwei Stufen aufgebaut:
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@ -256,14 +258,14 @@ Um all dies zu erreichen, wird die Spannungsversorgung aus zwei Stufen aufgebaut
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effektiv. Der duale Spannungsausgang des Wandlers vereinfacht zudem die Versorgung
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effektiv. Der duale Spannungsausgang des Wandlers vereinfacht zudem die Versorgung
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der Verstärker. Von Nachteil ist ein recht hoher Rauschanteil am Ausgang des Wandlers.
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der Verstärker. Von Nachteil ist ein recht hoher Rauschanteil am Ausgang des Wandlers.
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Der Schaltkreis des DC/DC-Wandlers ist in Abbildung \ref{fig:design_power_dcdc} dargestellt.
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Der Schaltkreis des DC/DC-Wandlers ist in Abbildung \ref{fig:design_power_dcdc} dargestellt.
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\item Um das Rauschniveau zu reduzieren, und um den TIV-OpAmp mit der korrekten
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\item Um das Rauschniveau zu reduzieren und um den TIV-OpAmp mit der korrekten
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Spannung versorgen zu können, wird ein Linearregler genutzt. Dieser Typ von Regler
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Spannung versorgen zu können, wird ein Linearregler genutzt. Dieser Typ von Regler
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bietet einen sehr stabilen und rauscharmen Ausgang, und eignet sich somit gut für die
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bietet einen sehr stabilen und rauscharmen Ausgang und eignet sich somit gut für die
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Versorgung von sensitiven Bauteilen.
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Versorgung von sensitiven Bauteilen.
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Ein dedizierter Zweikanal-Linearregler, der {\em LT3032}, wird über einen
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Ein dedizierter Zweikanal-Linearregler, der {\em LT3032}, wird über einen
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RC-Filter mit der DC/DC-Spannung versorgt, und liefert die
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RC-Filter mit der DC/DC-Spannung versorgt und liefert die
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notwendigen Spannungen für den TIV selbst. Dieser Regler ist speziell für
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notwendigen Spannungen für den TIV selbst. Dieser Regler ist speziell für
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niedrige Rauschlevel konzipiert, und ist somit bestens für die Bereitstellung
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niedrige Rauschlevel konzipiert und ist somit bestens für die Bereitstellung
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einer stabilen Spannung geeignet.
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einer stabilen Spannung geeignet.
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Der Schaltkreis des Linearreglers ist in Abbildung \ref{fig:design_power_ldo} dargestellt.
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Der Schaltkreis des Linearreglers ist in Abbildung \ref{fig:design_power_ldo} dargestellt.
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\end{enumerate}
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\end{enumerate}
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@ -282,8 +284,9 @@ Um all dies zu erreichen, wird die Spannungsversorgung aus zwei Stufen aufgebaut
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\subsection{Auslegung des PCB}
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\subsection{Auslegung des PCB}
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In diesem Abschnitt soll auf die konkrete Platzierung der im vorherigen Teil beschriebenen
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Nach Beschreibung der verwendeten Schaltkreise wird nun auf die
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Komponenten eingegangen werden. Eine korrekte Positionierung ist notwendig, um Störsignale
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konkrete Platzierung der Komponenten eingegangen.
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Eine korrekte Positionierung ist notwendig, um Störsignale
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zu minimieren, da gewisse Schaltungsteile eigene Rauschquellen sind.
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zu minimieren, da gewisse Schaltungsteile eigene Rauschquellen sind.
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Abbildung \ref{fig:v1_pcb_design} zeigt den Aufbau der Platine mit allen Komponenten.
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Abbildung \ref{fig:v1_pcb_design} zeigt den Aufbau der Platine mit allen Komponenten.
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@ -296,9 +299,9 @@ Die einzelnen Elemente des TIV sind von links nach rechts wie folgt angeordnet:
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\item Mittig auf der Platine ist der Linearregler sowie die Filter-Stufe und
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\item Mittig auf der Platine ist der Linearregler sowie die Filter-Stufe und
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der Ausgangstreiber angebracht. Der Linearregler ist hierbei möglichst nah
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der Ausgangstreiber angebracht. Der Linearregler ist hierbei möglichst nah
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an den Spannungseingang des TIV gelegt, um die Distanz hierzu zu
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an den Spannungseingang des TIV gelegt, um die Distanz hierzu zu
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vermindern. Die Ausgangs-Stufe ist nicht rauschanfällig, und kann somit beliebig
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vermindern. Die Ausgangs-Stufe ist nicht rauschanfällig und kann somit beliebig
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platziert werden.
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platziert werden.
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\item Auf der rechten Seite der Platine wird der TIV-Teil selbst platziert. Somit
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\item Auf der rechten Seite der Platine wird der TIV selbst platziert. Somit
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ist garantiert, dass keine unnötigen Stromflüsse durch diesen Verstärkerteil
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ist garantiert, dass keine unnötigen Stromflüsse durch diesen Verstärkerteil
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fließen können. Das gesamte TIV-System wird zur Minimierung externer Einflüsse
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fließen können. Das gesamte TIV-System wird zur Minimierung externer Einflüsse
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zudem in ein Schirmgehäuse untergebracht.
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zudem in ein Schirmgehäuse untergebracht.
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@ -311,7 +314,7 @@ Die einzelnen Elemente des TIV sind von links nach rechts wie folgt angeordnet:
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\includegraphics[width=0.95\linewidth]{Auslegung/v1.0/pcb_3d.png}
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\includegraphics[width=0.95\linewidth]{Auslegung/v1.0/pcb_3d.png}
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\caption{\label{fig:v1_pcb_design}3D-Modell des gesamten TIV-Schaltkreises.}
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\caption{\label{fig:v1_pcb_design}3D-Modell des gesamten TIV-Schaltkreises.}
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\end{figure}
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\end{figure}
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\todo[inline]{Add some nice overlays for the parts.}
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Zusätzlich zu den bereits etablierten Komponenten der Schaltung werden einige
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Zusätzlich zu den bereits etablierten Komponenten der Schaltung werden einige
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mechanische Verbindungen zur Operation des Schaltkreises untergebracht:
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mechanische Verbindungen zur Operation des Schaltkreises untergebracht:
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@ -326,7 +329,7 @@ mechanische Verbindungen zur Operation des Schaltkreises untergebracht:
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des Linearreglers, sowie den ungefilterten Ausgang des TIVs selbst.
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des Linearreglers, sowie den ungefilterten Ausgang des TIVs selbst.
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\item Zur Verbindung des TIV Eingangs sowie Bereitstellung des Ausgangssignals
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\item Zur Verbindung des TIV Eingangs sowie Bereitstellung des Ausgangssignals
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werden SMA-Steckverbindungen benutzt. Diese sind besonders gut geeignet
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werden SMA-Steckverbindungen benutzt. Diese sind besonders gut geeignet
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für Signale die einer Schirmung und präzisen Übertragung benötigen,
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für Signale, die einer Schirmung und präzisen Übertragung benötigen
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und sind somit gut geeignet für das Eingangs- und Ausgangssignal des Verstärkers.
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und sind somit gut geeignet für das Eingangs- und Ausgangssignal des Verstärkers.
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\end{itemize}
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\end{itemize}
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@ -5,7 +5,7 @@
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In diesem Kapitel wird der erstellte Schaltkreis auf seine Funktionstüchtigkeit
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In diesem Kapitel wird der erstellte Schaltkreis auf seine Funktionstüchtigkeit
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untersucht.
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untersucht.
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Es wird beurteilt, ob die Schaltung die festgelegten Zielparameter erreichen kann,
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Es wird beurteilt, ob die Schaltung die festgelegten Zielparameter erreichen kann
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und welche Parameter einer Verbesserung bedürfen.
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und welche Parameter einer Verbesserung bedürfen.
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Hierbei werden verschiedene Variationen des Schaltkreises vermessen, um
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Hierbei werden verschiedene Variationen des Schaltkreises vermessen, um
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@ -13,7 +13,7 @@ einige Systemparameter bestimmen zu können. Diese sind:
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\begin{itemize}
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\begin{itemize}
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\item Ein Schaltkreis ohne Abschirmungen und mit $4\cdot\SI{47}{\mega\ohm}$
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\item Ein Schaltkreis ohne Abschirmungen und mit $4\cdot\SI{47}{\mega\ohm}$
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Rückkoppelwiderständen, zur Bestätigung der Notwendigkeit der Abschirmungen
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Rückkoppelwiderständen, zur Bestätigung der Notwendigkeit der Abschirmungen.
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\item Drei Schaltkreise mit jeweils $4\cdot\SI{47}{\mega\ohm}$,
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\item Drei Schaltkreise mit jeweils $4\cdot\SI{47}{\mega\ohm}$,
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$4\cdot\SI{20}{\mega\ohm}$ sowie $4\cdot\SI{120}{\mega\ohm}$ Rückkoppelwiderständen,
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$4\cdot\SI{20}{\mega\ohm}$ sowie $4\cdot\SI{120}{\mega\ohm}$ Rückkoppelwiderständen,
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um den Einfluss der verschiedenen Widerstände charakterisieren zu können.
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um den Einfluss der verschiedenen Widerstände charakterisieren zu können.
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