corrections: more from Jonas+Moritz

This commit is contained in:
David Bailey 2024-09-03 17:04:38 +02:00
parent 7c1a36c83b
commit cf7928dbff
5 changed files with 135 additions and 71 deletions

Binary file not shown.

Binary file not shown.

Binary file not shown.

View file

@ -9,7 +9,7 @@ defaults:
plots: plots:
- loadtype: multicsv - loadtype: multicsv
load: load:
Gemitiv: IMS Measurements/Spectrum_7.csv GemiTIV: IMS Measurements/Spectrum_7.csv
HighTIME: IMS Measurements/Spectrum_23.csv HighTIME: IMS Measurements/Spectrum_23.csv
load_values: ["time", "voltage"] load_values: ["time", "voltage"]
@ -28,13 +28,14 @@ plots:
xlabel: Zeit (s) xlabel: Zeit (s)
ylabel: Normalisierter Messwert (a.u.) ylabel: Normalisierter Messwert (a.u.)
legend_title: TIV
linewidth: 1 linewidth: 1
ofile: IMS Measurements/averaged_compare.png ofile: IMS Measurements/averaged_compare.png
- loadtype: multicsv - loadtype: multicsv
load: load:
Gemitiv: IMS Measurements/Spectrum_59.csv GemiTIV: IMS Measurements/Spectrum_59.csv
HighTIME: IMS Measurements/Spectrum_37.csv HighTIME: IMS Measurements/Spectrum_37.csv
load_values: ["time", "voltage"] load_values: ["time", "voltage"]
@ -53,6 +54,7 @@ plots:
xlabel: Zeit (s) xlabel: Zeit (s)
ylabel: Normalisierter Messwert (a.u.) ylabel: Normalisierter Messwert (a.u.)
legend_title: TIV
linewidth: 0.8 linewidth: 0.8
@ -100,6 +102,7 @@ plots:
xlabel: Eingangsstrom (nA) xlabel: Eingangsstrom (nA)
ylabel: Ausgansspannungsfehler (V) ylabel: Ausgansspannungsfehler (V)
legend_title: TIV
ofile: V1_Measurements/V1.1-a1/47M_cap/linearity_error.png ofile: V1_Measurements/V1.1-a1/47M_cap/linearity_error.png
- load: - load:
@ -118,6 +121,7 @@ plots:
xlabel: Eingangsstrom (nA) xlabel: Eingangsstrom (nA)
ylabel: Ausgangsspannung (V) ylabel: Ausgangsspannung (V)
legend_title: TIV
ofile: V1_Measurements/V1.1-a1/47M_cap/linearity.png ofile: V1_Measurements/V1.1-a1/47M_cap/linearity.png
- loadtype: multicsv - loadtype: multicsv
@ -129,6 +133,7 @@ plots:
x50: V1_Measurements/V1.1-a1/CascadeSeries/noise_47M_x50.csv x50: V1_Measurements/V1.1-a1/CascadeSeries/noise_47M_x50.csv
ylabel: Rauschlevel ($V/\sqrt{Hz}$) ylabel: Rauschlevel ($V/\sqrt{Hz}$)
legend_title: U2A-Verstärkung
load_values: ["Frequency (Hz)","Trace 1 (VHz)"] load_values: ["Frequency (Hz)","Trace 1 (VHz)"]
@ -158,6 +163,7 @@ plots:
- normalize_bandwidth - normalize_bandwidth
ylabel: Normalisierte Verstärkung (dB) ylabel: Normalisierte Verstärkung (dB)
legend_title: U2A-Verstärkung
load_values: ["Frequency (Hz)","Channel 1 Magnitude (dB)"] load_values: ["Frequency (Hz)","Channel 1 Magnitude (dB)"]
@ -172,13 +178,14 @@ plots:
ofile: V1_Measurements/V1.1-a1/CascadeSeries/bandwidths.png ofile: V1_Measurements/V1.1-a1/CascadeSeries/bandwidths.png
- loadtype: multicsv - loadtype: multicsv
load: load:
47M 0pF: V1_Measurements/V1.1-a1/47M_dupes/bandwidth_4K7_nocap.csv 0pF: V1_Measurements/V1.1-a1/47M_dupes/bandwidth_4K7_nocap.csv
47M 33pF: V1_Measurements/V1.1-a1/47M_dupes/bandwidth_4K7_33pf.csv 33pF: V1_Measurements/V1.1-a1/47M_dupes/bandwidth_4K7_33pf.csv
data_processing_steps: data_processing_steps:
- normalize_bandwidth - normalize_bandwidth
ylabel: Normalisierte Verstärkung (dB) ylabel: Normalisierte Verstärkung (dB)
legend_title: U2A-Filterkapazität
load_values: ["Frequency (Hz)","Channel 1 Magnitude (dB)"] load_values: ["Frequency (Hz)","Channel 1 Magnitude (dB)"]
@ -195,11 +202,12 @@ plots:
- loadtype: multicsv - loadtype: multicsv
load: load:
47M Orig.: V1_Measurements/V1.1-a1/47M_cap/bandwidth.csv 47M N.1: V1_Measurements/V1.1-a1/47M_cap/bandwidth.csv
47M Kopie: V1_Measurements/V1.1-a1/47M_dupes/bandwidth_4K7_33pf.csv 47M N.2: V1_Measurements/V1.1-a1/47M_dupes/bandwidth_4K7_33pf.csv
data_processing_steps: data_processing_steps:
- normalize_bandwidth - normalize_bandwidth
legend_title: TIV
ylabel: Normalisierte Verstärkung (dB) ylabel: Normalisierte Verstärkung (dB)
@ -218,9 +226,10 @@ plots:
- loadtype: multicsv - loadtype: multicsv
load: load:
47M Rev. 1: V1_Measurements/bandwidth_47M.csv 47M V.1: V1_Measurements/bandwidth_47M.csv
47M Rev. 2: V1_Measurements/V1.1-a1/47M_cap/bandwidth.csv 47M V.2: V1_Measurements/V1.1-a1/47M_cap/bandwidth.csv
legend_title: TIV
data_processing_steps: data_processing_steps:
- normalize_bandwidth - normalize_bandwidth
@ -242,8 +251,10 @@ plots:
- loadtype: multicsv - loadtype: multicsv
load: load:
47M Rev. 2: V1_Measurements/V1.1-a1/47M_cap/linearity_1.csv 47M V.2: V1_Measurements/V1.1-a1/47M_cap/linearity_1.csv
47M Rev. 1: V1_Measurements/1G_47M_Linearity.csv 47M V.1: V1_Measurements/1G_47M_Linearity.csv
legend_title: TIV
load_values: ["Setpoint", "Measurement", "Error"] load_values: ["Setpoint", "Measurement", "Error"]
@ -266,10 +277,11 @@ plots:
- loadtype: multicsv - loadtype: multicsv
load: load:
47M Rev. 1: V1_Measurements/noise_47M.csv 47M V.1: V1_Measurements/noise_47M.csv
47M Rev. 2: V1_Measurements/V1.1-a1/47M_dupes/noise_4K7_nocap.csv 47M V.2: V1_Measurements/V1.1-a1/47M_dupes/noise_4K7_nocap.csv
ylabel: Rauschlevel ($V/\sqrt{Hz}$) ylabel: Rauschlevel ($V/\sqrt{Hz}$)
legend_title: TIV
load_values: ["Frequency (Hz)","Trace 1 (VHz)"] load_values: ["Frequency (Hz)","Trace 1 (VHz)"]
@ -295,6 +307,7 @@ plots:
120M: V1_Measurements/V1.1-a1/120M/noise.csv 120M: V1_Measurements/V1.1-a1/120M/noise.csv
ylabel: Rauschlevel ($V/\sqrt{Hz}$) ylabel: Rauschlevel ($V/\sqrt{Hz}$)
legend_title: $R_f$
load_values: ["Frequency (Hz)","Trace 1 (VHz)"] load_values: ["Frequency (Hz)","Trace 1 (VHz)"]
@ -314,10 +327,11 @@ plots:
ofile: V1_Measurements/V1.1-a1/noises.png ofile: V1_Measurements/V1.1-a1/noises.png
- loadtype: multicsv - loadtype: multicsv
load: load:
47M 33pF: V1_Measurements/V1.1-a1/47M_cap/noise.csv 33pF: V1_Measurements/V1.1-a1/47M_cap/noise.csv
47M 0pF: V1_Measurements/V1.1-a1/47M_dupes/noise_4K7_nocap.csv 0pF: V1_Measurements/V1.1-a1/47M_dupes/noise_4K7_nocap.csv
ylabel: Rauschlevel ($V/\sqrt{Hz}$) ylabel: Rauschlevel ($V/\sqrt{Hz}$)
legend_title: U2B-Filterkapazität
load_values: ["Frequency (Hz)","Trace 1 (VHz)"] load_values: ["Frequency (Hz)","Trace 1 (VHz)"]
@ -343,6 +357,7 @@ plots:
120M: V1_Measurements/V1.1-a1/120M/noise.csv 120M: V1_Measurements/V1.1-a1/120M/noise.csv
ylabel: Rauschlevel ($V/\sqrt{Hz}$) ylabel: Rauschlevel ($V/\sqrt{Hz}$)
legend_title: $R_f$
load_values: ["Frequency (Hz)","Trace 2 (VHz)"] load_values: ["Frequency (Hz)","Trace 2 (VHz)"]
@ -366,7 +381,7 @@ plots:
47M: V1_Measurements/V1.1-a1/47M_cap/bandwidth.csv 47M: V1_Measurements/V1.1-a1/47M_cap/bandwidth.csv
82M: V1_Measurements/V1.1-a1/82M/bandwidth.csv 82M: V1_Measurements/V1.1-a1/82M/bandwidth.csv
120M: V1_Measurements/V1.1-a1/120M/bandwidth.csv 120M: V1_Measurements/V1.1-a1/120M/bandwidth.csv
legend_title: $R_f$
data_processing_steps: data_processing_steps:
- normalize_bandwidth - normalize_bandwidth
@ -391,6 +406,7 @@ plots:
"20M": V1_Measurements/noise_20M.csv "20M": V1_Measurements/noise_20M.csv
"47M": V1_Measurements/noise_47M.csv "47M": V1_Measurements/noise_47M.csv
"120M": V1_Measurements/noise_120M.csv "120M": V1_Measurements/noise_120M.csv
legend_title: $R_f$
ylabel: Rauschlevel ($V/\sqrt{Hz}$) ylabel: Rauschlevel ($V/\sqrt{Hz}$)
@ -416,6 +432,7 @@ plots:
"20M": V1_Measurements/noise_20M.csv "20M": V1_Measurements/noise_20M.csv
"47M": V1_Measurements/noise_47M.csv "47M": V1_Measurements/noise_47M.csv
"120M": V1_Measurements/noise_120M.csv "120M": V1_Measurements/noise_120M.csv
legend_title: $R_f$
ylabel: Rauschlevel ($V/\sqrt{Hz}$) ylabel: Rauschlevel ($V/\sqrt{Hz}$)
@ -441,6 +458,7 @@ plots:
"x0.6": V1_Measurements/compensation_47M_under.csv "x0.6": V1_Measurements/compensation_47M_under.csv
"x1": V1_Measurements/compensation_47M_OK.csv "x1": V1_Measurements/compensation_47M_OK.csv
"x1.4": V1_Measurements/compensation_47M_over.csv "x1.4": V1_Measurements/compensation_47M_over.csv
legend_title: $U_\mathrm{Schirm}/U_\mathrm{fb}$
data_processing_steps: data_processing_steps:
- normalize_bandwidth - normalize_bandwidth
@ -461,6 +479,7 @@ plots:
20M: V1_Measurements/bandwidth_20M.csv 20M: V1_Measurements/bandwidth_20M.csv
47M: V1_Measurements/bandwidth_47M.csv 47M: V1_Measurements/bandwidth_47M.csv
120M: V1_Measurements/bandwidth_120M.csv 120M: V1_Measurements/bandwidth_120M.csv
legend_title: $R_f$
data_processing_steps: data_processing_steps:
- normalize_bandwidth - normalize_bandwidth
@ -485,6 +504,7 @@ plots:
20M: V1_Measurements/bandwidth_20M.csv 20M: V1_Measurements/bandwidth_20M.csv
47M: V1_Measurements/bandwidth_47M.csv 47M: V1_Measurements/bandwidth_47M.csv
120M: V1_Measurements/bandwidth_120M.csv 120M: V1_Measurements/bandwidth_120M.csv
legend_title: $R_f$
data_processing_steps: data_processing_steps:
- normalize_bandwidth - normalize_bandwidth
@ -507,6 +527,7 @@ plots:
load: load:
Ungefiltert: V1_Measurements/bandwidth_47M.csv Ungefiltert: V1_Measurements/bandwidth_47M.csv
Gefiltert: V1_Measurements/bandwidth_47M_filter.csv Gefiltert: V1_Measurements/bandwidth_47M_filter.csv
legend_title: Ausgang
data_processing_steps: data_processing_steps:
- normalize_bandwidth - normalize_bandwidth
@ -605,9 +626,12 @@ plots:
- load: Parasitics/Rf_series_noshield.txt - load: Parasitics/Rf_series_noshield.txt
loadtype: ltspice loadtype: ltspice
step_parameter: $C_{f,g}$
legend_title: $C_{f,g}$
step_unit: F step_unit: F
xmin: 100
ofile: Parasitics/Rf_series_noshield.png ofile: Parasitics/Rf_series_noshield.png
type: lt_sweep type: lt_sweep
@ -617,7 +641,7 @@ plots:
ylabel: Normalisierte Verstärkung (dB) ylabel: Normalisierte Verstärkung (dB)
- load: Parasitics/Rf_series_shielded.txt - load: Parasitics/Rf_series_shielded.txt
loadtype: ltspice loadtype: ltspice
step_parameter: $C_{\mathrm{shield}}$ legend_title: $C_{\mathrm{shield}}$
step_unit: F step_unit: F
ofile: Parasitics/Rf_series_shielded.png ofile: Parasitics/Rf_series_shielded.png
@ -629,7 +653,7 @@ plots:
ylabel: Normalisierte Verstärkung (dB) ylabel: Normalisierte Verstärkung (dB)
- load: Parasitics/Examples_R_Cp_RSweep.txt - load: Parasitics/Examples_R_Cp_RSweep.txt
loadtype: ltspice loadtype: ltspice
step_parameter: $R$ legend_title: $R$
step_unit: $\Omega$ step_unit: $\Omega$
ofile: Parasitics/Examples_R_Cp_RSweep.png ofile: Parasitics/Examples_R_Cp_RSweep.png
@ -641,7 +665,7 @@ plots:
ylabel: Impedanz (dB$\Omega$) ylabel: Impedanz (dB$\Omega$)
- load: Parasitics/SingleStage_Cfp_Sweep.txt - load: Parasitics/SingleStage_Cfp_Sweep.txt
loadtype: ltspice loadtype: ltspice
step_parameter: $C_{fp}$ legend_title: $C_{fp}$
step_unit: F step_unit: F
ofile: Parasitics/SingleStage_Cfp_Sweep.png ofile: Parasitics/SingleStage_Cfp_Sweep.png

View file

@ -1,37 +1,47 @@
\chapter{Grundlagen} \chapter{Grundlagen}
Dieses Kapitel stellt grundegende technische Details für diese Arbeit dar. Dieses Kapitel stellt die grundegenden technischen Details für diese Arbeit dar.
Die Funktionsweise eines IMS wird näher beschrieben und die Rolle des TIVs in diesem System charakterisiert. Die Funktionsweise eines IMS wird näher beschrieben und die Rolle des TIVs in diesem System charakterisiert.
Ebenfalls werden Eigenschaften relevanter elektrischer Bauteile beschrieben. Ebenfalls werden Eigenschaften relevanter elektrischer Bauteile beschrieben.
\section{Grundlagen des Ionenmobilitätsspektrometers} \section{Grundlagen des Ionenmobilitätsspektrometers}
Im Folgenden werden die Im Folgenden ist die
Funktionsweise und Relevanz der Ionenmobilitätsspektrometrie Funktionsweise und Relevanz der Ionenmobilitätsspektrometrie
genauer beschrieben. genauer beschrieben. Zusätzlich ist die Rolle des TIVs in
Der Nutzen der Technologie wird dargestellt, einem IMS dargestellt.
und die Position des TIVs innerhalb eines IMS charakterisiert
um die Relevanz eines qualitativen Verstärkers dar
stellen zu können, sowie um später die Betriebsparameter dessen festlegen zu können.
\subsection{Anwendungsgebiete eines IMS} \subsection{Anwendungsgebiete der Ionenmobilitätsspektrometrie}
Im Folgenden soll auf die Relevanz und den Anwendungsbereich von Ionenmobilitätsspektrometern eingegangen werden, um dar zu legen dass die Technologie breite praktische Anwendungen findet. Ein IMS bietet im Vergleich zu anderen Gasanalyseverfahren wie z.B. einem Massenspektrometer folgende Vorteile \cite{Eiceman2013Oct}: Im Folgenden soll auf die Relevanz und den Anwendungsbereich von Ionenmobilitätsspektrometern eingegangen werden, um dar zu legen dass die Technologie breite praktische Anwendungen findet. Ein IMS bietet im Vergleich zu anderen Gasanalyseverfahren wie z.B. einem Massenspektrometer folgende Vorteile \cite{Eiceman2013Oct}:
\begin{itemize} \begin{itemize}
\item Kostengünstig. Ein IMS kann mitunter für wenige hundert Euro aufgebaut werden \cite{Reinecke2018Oct}, wodurch sie leichter in größeren Mengen aufgebaut werden können. \item Kostengünstig. Ein IMS kann mitunter
\item Simpler, kompakter Aufbau. Ein IMS kann unter atmosphärischem Druck betrieben werden, und braucht somit kein Vakuum-Equipment. Hierdurch sind die Systeme wesentlich transportabler als z.B. Massenspektrometer. für wenige hundert Euro aufgebaut werden
\item Schnelle Messungen. Messungen mit einem IMS können bis hinunter auf wenige zehntel von Sekunden dauern. Hierdurch lassen sich schnell wichtige Messwerte erfassen. \cite{Reinecke2018Oct}, wodurch sie leichter
\item Hohe Sensitivität. Ein IMS kann Stoffkonzentrationen im unteren ppb messen, wodurch auch kleinste Mengen eines Stoffes sicher bestimmt werden können. in größeren Mengen aufgebaut werden können.
\item Simpler, kompakter Aufbau \cite{Eiceman2013Oct}.
Ein IMS kann bei atmosphärischem Druck
betrieben werden, und braucht somit kein
Vakuum-Equipment. Hierdurch sind die Systeme
wesentlich transportabler als z.B.
Massenspektrometer.
\item Schnelle, sensitive Messungen.
Messungen
mit einem IMS können bis hinunter auf wenige
zehntel von Sekunden dauern und
zusätzlich Nachweisgrenzen
im einstelligen ppt-Bereich erreichen \cite{Reinecke2018Oct}.
\end{itemize} \end{itemize}
Hierdurch gibt es viele Anwendungsgebiete für ein IMS, mitunter in der Hierdurch ergeben sich viele Anwendungsgebiete für ein IMS, mitunter in der
Sicherheitstechnik zur Detektion von explosiven Stoffen \cite[S.S. 269]{Eiceman2013Oct}, Sicherheitstechnik zur Detektion von explosiven Stoffen \cite[S.S. 269]{Eiceman2013Oct},
Drogen \cite[S.S. 301]{Eiceman2013Oct}, zur Analyse von Umgebungsproben \cite[S.S. 349]{Eiceman2013Oct} Drogen \cite[S.S. 301]{Eiceman2013Oct}, zur Analyse von Umgebungsproben \cite[S.S. 349]{Eiceman2013Oct}
und zur medizinischen Untersuchung und Überwachung von Patienten \cite[S.S. 366]{Eiceman2013Oct}.\\ und zur medizinischen Untersuchung und Überwachung von Patienten \cite[S.S. 366]{Eiceman2013Oct}.\\
Ein IMS ist somit äußerst relevant für eine breite Menge an Ein IMS ist somit äußerst relevant für eine breite Menge an
Arbeitsfeldern, und eine Weiterentwicklung der Technologie kann ebenso breit gefächerte Vorteile haben. Arbeitsfeldern, und eine Weiterentwicklung der Technologie kann ebenso breit gefächerte Vorteile haben.
\todo{Add IMS citations}
\subsection{Funktionsweise eines IMS} \subsection{Funktionsweise eines IMS}
\label{chap:function_description_ims} \label{chap:function_description_ims}
@ -50,11 +60,13 @@ ist grundsätzlich wie folgt \cite[S.S. 4]{Eiceman2013Oct}:
\begin{enumerate} \begin{enumerate}
\item Ein Probengas wird mit einer prozessspezifischen Ionenquelle ionisiert. \item Ein Probengas wird mit einer prozessspezifischen Ionenquelle ionisiert.
\item Ein diskretes Paket des ionisierten Probengases wird in eine Drift-Region injeziert, welche mit einem Driftgas gefüllt ist und über welche eine Spannung anliegt. Die Auswahl des Driftgases sowie die Amplitude,
Richtung und eventuell Frequenz der Spannung beeinflussen hierbei das Verhalten der Ionenpackete des Probengases. \item Ein diskretes Paket dieses ionisierten Gases wird in eine Drift-Region
\item Die angelegte Spannung beschleunigt die ionisierten Moleküle des Probengases. injiziert, in dem sich ein Driftgas befindet.
Hierbei werden verschiedene Ionen durch ihre unterschiedlichen Interaktionen mit dem Driftgas sowie
des Feldes der Drift-Region voneinander getrennt. \item Mithilfe einer über der Driftregion anliegenden Spannung werden die
Ionen nach ihrer Mobilität getrennt.
\item Die nun zeitlich getrennten Ionen-Pakete werden durch einen Detektor aufgefangen. Typischerweise ist dies eine Faraday-Platte. Hierdurch entsteht ein Stromfluss proportional zur Menge der Ionen. \item Die nun zeitlich getrennten Ionen-Pakete werden durch einen Detektor aufgefangen. Typischerweise ist dies eine Faraday-Platte. Hierdurch entsteht ein Stromfluss proportional zur Menge der Ionen.
\item Ein Verstärker wandelt diese Ströme in messbare Spannungen um, welche digitalisiert und verarbeitet werden können. \item Ein Verstärker wandelt diese Ströme in messbare Spannungen um, welche digitalisiert und verarbeitet werden können.
\end{enumerate} \end{enumerate}
@ -67,7 +79,12 @@ Ein typischer Aufbau eines IMS ist in Abbildung \ref{fig:IMS_Schematic} dargeste
\caption[Schematischer Aufbau einer IMS-Röhre]{\label{fig:IMS_Schematic}Schematischer Aufbau einer IMS-Röhre nach \cite[Seite 3, Abb. 1.2.b]{Eiceman2013Oct}} \caption[Schematischer Aufbau einer IMS-Röhre]{\label{fig:IMS_Schematic}Schematischer Aufbau einer IMS-Röhre nach \cite[Seite 3, Abb. 1.2.b]{Eiceman2013Oct}}
\end{figure} \end{figure}
Das Messergebnis eines IMS-Laufes wird as Spektrum bezeichnet, und ist meist als Strom über die Zeit dargestellt. In dieser Darstellung sind die verschiedenen Ionenpakete als Spitzen des Graphen zu erkennen. Abbildung \ref{fig:ims_example_spectrum} stellt beispielhalf ein solches Spektrum dar. Das Messergebnis eines IMS-Laufes wird as Spektrum bezeichnet,
und ist meist als Strom über die Zeit dargestellt.
In dieser Darstellung sind die verschiedenen Ionenpakete als
Peaks des Graphen zu erkennen.
Abbildung \ref{fig:ims_example_spectrum} stellt beispielhalf
ein solches Spektrum dar.
\begin{figure}[h] \begin{figure}[h]
\centering \centering
@ -80,25 +97,25 @@ Das Messergebnis eines IMS-Laufes wird as Spektrum bezeichnet, und ist meist als
\label{chap:tia_in_ims} \label{chap:tia_in_ims}
Wie in Kapitel \ref{chap:function_description_ims} beschrieben, beruht ein IMS auf der Messung der von den Ionenpacketen hervorgerufenen Ströme, und deren zeitlicher Verteilung. Wie in Kapitel \ref{chap:function_description_ims} beschrieben, beruht ein IMS auf der Messung der von den Ionenpacketen hervorgerufenen Ströme, und deren zeitlicher Verteilung.
Um die kleinen Ströme der Ione im Bereich von $\SI{1}{\pico\ampere}$ bis $\SI{10}{\nano\ampere}$ messen zu können, ist ein Verstärker notwendig. Dieser Verstärker wird als TIV bezeichnet, da er als Eingangsgröße einen Strom hat, und eine Spannung als Ausgang gibt. Die Verstärkung wird somit in Ohm angegeben. Der TIV stellt hiermit ein zentrales Bauteil eines IMS dar, dessen Parameter maßgeblich die Qualität der Messungen beeinflusst. Um die kleinen Ströme der Ionen im Bereich von $\SI{1}{\pico\ampere}$ bis $\SI{10}{\nano\ampere}$ messen zu können, ist ein Verstärker notwendig. Dieser Verstärker wird als TIV bezeichnet, da er als Eingangsgröße einen Strom hat, und eine Spannung als Ausgang gibt. Die Verstärkung wird somit in Ohm angegeben.
Folgende Anforderungen werden an den TIV eines IMS gestellt: Folgende Anforderungen werden an den TIV eines IMS gestellt:
\begin{itemize} \begin{itemize}
\item Möglichst geringes eingangsbezogenes Rauschen. Das Rauschen des TIVs \item Möglichst geringes eingangsbezogenes Rauschen. Das Rauschen des TIVs
beeinflusst das Signal-Zu-Rausch-Verhältnis, woraus sich z.B. beeinflusst das Signal-Zu-Rausch-Verhältnis, woraus sich z.B.
die Reaktionsgeschwindigkeit und Detektionsgrenzen ergeben. Ein kleineres die Detektionsgrenzen ergeben. Ein kleineres
Rauschen erlaubt die Erkennung kleinerer Ionenströme mit größerer Sicherheit. Rauschen erlaubt die Erkennung kleinerer Ionenströme mit größerer Sicherheit.
\item Verstärkung von Strömen in der Größenordnung von $\SI{1}{\pico\ampere}$ \item Verstärkung von Strömen in der Größenordnung von $\SI{1}{\pico\ampere}$
bis zu $\SI{1}{\nano\ampere}$. Die genaue Größe des Stromes ergibt sich durch bis zu $\SI{1}{\nano\ampere}$. Die genaue Größe des Stromes ergibt sich durch
den Aufbau des IMS selbst. den Aufbau des IMS selbst.
\item Bereitstellung einer Ausgangsspannung im Bereich von $\SI{\pm2}{\volt}$. \item Bereitstellung einer Ausgangsspannung im Bereich von $\SI{\pm2}{\volt}$.
Da der Ausgang des TIVs zur digitalisierung des Signales genutzt wird, ist eine Da der Ausgang des TIVs zur Digitalisierung des Signales genutzt wird, ist eine
Ausgangsspannung gewünscht, welche mit herkömmlichen Analog-Digital-Wandlern kompatibel ist. Ausgangsspannung gewünscht, welche mit herkömmlichen Analog-Digital-Wandlern kompatibel ist.
\item Genügend Bandbreite zur korrekten Abbildung der Ionenströme. Eine zu kleine Bandbreite \item Genügend Bandbreite zur korrekten Abbildung der Ionenströme. Eine zu kleine Bandbreite
verzerrt die Form des gemessenen Ionenstromes, und verschlechtert die Qualität der Messung. verzerrt die Form des gemessenen Ionenstromes, und verschlechtert die Qualität der Messung.
Schnellere Bandbreiten erlauben die Messung schnellerer Signale, und somit auch kleinerer Schnellere Bandbreiten erlauben die Messung schnellerer Signale, und somit auch kleinerer
Ionenpackete. Ionenpakete.
\end{itemize} \end{itemize}
\cleardoublepage \cleardoublepage
@ -108,10 +125,11 @@ Folgende Anforderungen werden an den TIV eines IMS gestellt:
Nun soll auf die parasitären Effekte der verschiedenen Bauteile eingegangen werden, welche Nun soll auf die parasitären Effekte der verschiedenen Bauteile eingegangen werden, welche
bei der Auslegung der Schaltung beachtet werden müssen. bei der Auslegung der Schaltung beachtet werden müssen.
\paragraph*{Leckströme:} Diese treten bei fast allen Schaltungsaufbauten auf. \paragraph*{Leckströme:} Diese treten bei allen Schaltungsaufbauten auf.
Sie entstehen durch die hohen aber endlichen Oberflächenwiderstände der Bauteile Sie entstehen durch die hohen aber endlichen Oberflächenwiderstände der Bauteile
und des PCBs sowie durch durch Verunreinigungen \cite{AltiumLeakages}. Diese erlauben und der Leiterkarte (engl.: Printed Circuit Board, PCB)
es kleinen Leckströmen zwischen Zweigen der Schaltung zu fließen, sowie durch durch Verunreinigungen \cite{AltiumLeakages}. Diese erlauben
es kleinen Leckströmen zwischen verschiedenen Zweigen der Schaltung zu fließen,
und können bei Zweigen mit hoher Impedanz störend wirken und können bei Zweigen mit hoher Impedanz störend wirken
\cite[S.S. 33-34]{DatasheetADA4530}. \cite[S.S. 33-34]{DatasheetADA4530}.
Abbildung \ref{fig:example_leakages} zeigt beispielhaft einige der Leckströme auf Abbildung \ref{fig:example_leakages} zeigt beispielhaft einige der Leckströme auf
@ -123,16 +141,18 @@ einer Platine.
\caption[Schematische Darstellung der Leckströme eines PCBs]{\label{fig:example_leakages} \caption[Schematische Darstellung der Leckströme eines PCBs]{\label{fig:example_leakages}
Schematische Darstellung eines PCBs mit Anschlüssen zu Bauteilen Schematische Darstellung eines PCBs mit Anschlüssen zu Bauteilen
und Leiterbahnen, mit verschiedenen Leckstrompfaden entlang der Oberfläche. und Leiterbahnen, mit verschiedenen Leckstrompfaden entlang der Oberfläche.
Leckströme fließen überwiegend zwischen freigelegten Kupferflächen, Leckströme fließen überwiegend durch Verunreinigungen
können zudem auch durch Oberflächenladungen in einem Isolator wie dem PCB-Lötstopplack entstehen. zwischen freigelegten Kupferflächen,
Eigene Darstellung nach \cite{AltiumLeakages}.} können zudem auch durch Oberflächenladungen in einem
Isolator wie dem Lötstopplack entstehen.
Eigene Darstellung nach \cite{AltiumLeakages}\cite{Horowitz:1981307}.}
\end{figure} \end{figure}
\paragraph*{Parasitäre Kapazitäten:} \paragraph*{Parasitäre Kapazitäten:}
\label{chap:basics_parasitics_capacitances} \label{chap:basics_parasitics_capacitances}
Diese entstehen ebenfalls durch den physikalischen Diese entstehen ebenfalls durch den physikalischen
Aufbau der Schaltung. Die Nähe von Leitungen oder Kontakten zueinander, Aufbau der Schaltung. Die Nähe von Leitungen oder Kontakten zueinander,
oder zu einer Kupferebene wie z.B. der Erdungsebene, erstellt eine leichte oder zu einer Kupferebene wie z.B. der Erdungsebene, erstellt eine
kapazitive Kopplung hierzwischen. Dieser Effekt verursacht Kapazitäten kapazitive Kopplung hierzwischen. Dieser Effekt verursacht Kapazitäten
im Bereich von einigen $\SI{}{\femto\farad}$, bei größeren Komponenten im Bereich von einigen $\SI{}{\femto\farad}$, bei größeren Komponenten
sogar im Bereich von $\SI{}{\pico\farad}$. sogar im Bereich von $\SI{}{\pico\farad}$.
@ -151,7 +171,20 @@ Abbildung \ref{fig:example_parasitic_c} zeigt einige dieser Kapazitäten auf.
Wichtig ist dieser Effekt in Kombination mit hochohmigen Eingängen und Widerständen. Wichtig ist dieser Effekt in Kombination mit hochohmigen Eingängen und Widerständen.
So wird z.B. die Impedanz eines $\SI{100}{\mega\ohm}$ Widerstandes So wird z.B. die Impedanz eines $\SI{100}{\mega\ohm}$ Widerstandes
bereits ab wenigen zehn Kilohertz maßgeblich durch die eigene parasitäre Kapazität beeinflusst bereits ab wenigen zehn Kilohertz maßgeblich durch die eigene parasitäre Kapazität beeinflusst
\cite{Yang:21}\cite{JBellemann22}\cite{VishayRFreq}\cite[S.S. 39]{DatasheetADA4530}. \cite{Yang:21}\cite{JBellemann22}\cite{VishayRFreq}\cite[S.S. 45]{DatasheetADA4530}.
Hierbei wird der effektive Widerstand bei höheren Frequenzen reduziert, entsprechend der
folgenden Formel \cite[S.S. 21]{Horowitz:1981307}:
\begin{equation}
Z(\f) = \left(\frac{1}{R} + \frac{1}{i\cdot2\pi\fC_p}\right)
\end{equation}
Die Frequenz, ab welcher die Kapazität einen größeren Einfluss als der eigentliche
Widerstand besitzt, wird als Grenzfrequenz bezeichnet, und lässt sich wie
folgt berechnen \cite[S.S. 49]{Horowitz:1981307}:
\begin{equation}
f_{3 dB} = \frac{1}{2\pi R C_p}
\end{equation}
Die Parallelkapazität ist stark von der Bauform des Widerstandes abhängig, Die Parallelkapazität ist stark von der Bauform des Widerstandes abhängig,
und liegt bei der Standardbaugröße ``1206'' im Bereich von ca. $\SI{50}{\femto\farad}$ \cite{JBellemann22}. und liegt bei der Standardbaugröße ``1206'' im Bereich von ca. $\SI{50}{\femto\farad}$ \cite{JBellemann22}.
So wird sich bei dem $\SI{100}{\mega\ohm}$ Widerstand ein RC-Pass-Filter mit einer Grenzfrequenz von $\SI{53.05}{\kilo\hertz}$ ausbilden. So wird sich bei dem $\SI{100}{\mega\ohm}$ Widerstand ein RC-Pass-Filter mit einer Grenzfrequenz von $\SI{53.05}{\kilo\hertz}$ ausbilden.
@ -184,8 +217,12 @@ Hierbei ist $U_{\mathrm{n,rms}}$ der RMS-Wert des Rauschens,
$k_B$ die Boltzmann-Konstante, $k_B$ die Boltzmann-Konstante,
$T$ die Temperatur, $R$ der Widerstand des $T$ die Temperatur, $R$ der Widerstand des
betrachteten Bauteils und $\Delta f$ die Bandbreite, betrachteten Bauteils und $\Delta f$ die Bandbreite,
über welche gemessen wird. über welche gemessen wird. Für den beispielhaften $\SI{100}{\mega\ohm}$
Abbildung \ref{fig:example_r_noise} zeigt den Widerstand bei Raumtemperatur ($\SI{25}{\celsius}$) und einer Bandbreite
von $\SI{30}{\kilo\hertz}$
ergibt sich ein Rauschen von
$\SI{222.25}{´\micro\volt}$.
Abbildung \ref{fig:example_r_noise} zeigt den
schematischen Aufbau eines rauschenden Widerstandes. schematischen Aufbau eines rauschenden Widerstandes.
\begin{figure}[ht] \begin{figure}[ht]
@ -194,7 +231,7 @@ $k_B$ die Boltzmann-Konstante,
\caption[Ersatzschaltbild für die Modellierung eines \caption[Ersatzschaltbild für die Modellierung eines
rauschenden, hochohmigen Widerstandes]{ rauschenden, hochohmigen Widerstandes]{
\label{fig:example_r_noise}Ersatzschaltbild für die Modellierung eines \label{fig:example_r_noise}Ersatzschaltbild für die Modellierung eines
rauschenden, hochohmigen Widerstandes nach \cite[S.S. 474]. rauschenden, hochohmigen Widerstandes nach \cite[S.S. 474]{Horowitz:1981307}.
Durch die niedrigen Frequenzen und hohen Impendanzen kann die parasitäre Induktivität des Widerstandes Durch die niedrigen Frequenzen und hohen Impendanzen kann die parasitäre Induktivität des Widerstandes
in diesem Anwendungsfall vernachlässigt werden.} in diesem Anwendungsfall vernachlässigt werden.}
\end{figure} \end{figure}
@ -204,22 +241,24 @@ $k_B$ die Boltzmann-Konstante,
\section{Grundlagen des Operationsverstärkers} \section{Grundlagen des Operationsverstärkers}
\label{chap:basics_opamp} \label{chap:basics_opamp}
Im folgenden werden die Grundlagen eines Operationsverstärkers (im Folgenden genannt OpAmp, aus dem Englischen ``Operational Amplifier'') dargelegt. Im Folgenden werden die Grundlagen eines Operationsverstärkers (im Folgenden genannt OpAmp, aus dem Englischen ``Operational Amplifier'') dargelegt.
Hierbei wird nicht auf den exakten internen Aufbau eingegangen, Hierbei ist nicht der exakte internen Aufbau entscheidend, sondern das für die Anwendung des TIVs relevante Verhalten sowie beeinflussende Parasitäreffekte.
sondern auf die für die Anwendung des TIVs relevante Verhalten sowie einige Parasitäreffekte beschrieben.
Ein klassischer OpAmp ist ein elektronisches Bauteil, welches vielseitige Anwendungen in einer Schaltung findet. Er kann als verstärkendes oder filterndes Bauteil aufgebaut werden, sowie differenzierend oder integrierend wirken. Das grundlegende Verhalten eines OpAmps ist bei jeder Verschaltung jedoch äquivalent:\\ Ein klassischer OpAmp ist ein elektronisches Bauteil, welches vielseitige Anwendungen in einer Schaltung findet.
Er besitzt zwei Eingänge, positiv und negativ, und einen Ausgang (siehe Abbildung \ref{fig:example_opamp}). Neben dem Aufbau als verstärkendes oder filterndes Bauteil sind auch differenzierende oder integrierende Schaltungsvarianten möglich.
Das grundlegende Verhalten eines OpAmps ist bei jeder Verschaltung jedoch äquivalent:\\
Ein OpAmp besitzt normalerweise zwei Eingänge, positiv und negativ, und einen Ausgang (siehe Abbildung \ref{fig:example_opamp}).
Die Spannung am Ausgang ergibt sich idealerweise durch folgende Formel: Die Spannung am Ausgang ergibt sich idealerweise durch folgende Formel:
\begin{equation} \begin{equation}
U_{\mathrm{out}} = A_\mathrm{ol} * \left(V_+ - V_-\right) U_{\mathrm{out}} = A_\mathrm{ol} \cdot \left(U_+ - U_-\right)
\end{equation} \end{equation}
Hierbei ist $A_{\mathrm{ol}}$ der sog. Open-Loop-Gain bzw. die offene Verstärkung. Für einen idealen OpAmp kann dieser Wert als quasi unendlich angenommen werden. Hierbei ist $A_{\mathrm{ol}}$ der sog. Open-Loop-Gain bzw. die offene Verstärkung. Für einen idealen OpAmp kann dieser Wert als quasi unendlich angenommen werden.
\begin{figure}[ht] \begin{figure}[ht]
\centering \centering
\includegraphics[scale=0.25]{grundlagen/OpAmp.drawio.png} \includegraphics[scale=0.25]{grundlagen/OpAmp.drawio.png}
\caption{\label{fig:example_opamp}Schematisches Symbol eines idealen OpAmps, eigene Darstellung.} \caption{\label{fig:example_opamp}Schematisches Symbol eines idealen OpAmps, eigene Darstellung
nach \cite[S.S. 224]{Horowitz:1981307}.}
\end{figure} \end{figure}
@ -245,16 +284,17 @@ wird, müssen einige der parasitären Effekte des OpAmps mitbeachtet werden.
Diese sind wie folgt: Diese sind wie folgt:
\paragraph*{Eingangs-Leckströme:} Ein idealier OpAmp besitzt Eingänge, \paragraph*{Eingangs-Leckströme:} Ein idealer OpAmp besitzt Eingänge,
durch welche kein Strom fließen kann, um das Eingangssignal möglichst wenig zu stören. durch welche kein Strom fließen kann, um das Eingangssignal möglichst wenig zu stören.
Reale OpAmps haben jedoch messbare Eingangsströme. Reale OpAmps haben jedoch messbare Eingangsströme.
Je nach OpAmp-Typ befinden sich diese im Bereich von Der exakte Wert hängt stark vom OpAmp-Typ ab, mit kleisten
$\SI{1}{\femto\ampere}$ bis hin zu $\SI{1}{\micro\ampere}$. Werten im Bereich von $\SI{}{\femto\ampere}$, bis hin zu
Diese Leckströme können in der Anwedung als TIV den gemessenen Strom stark verzerren, einigen $\SI{}{\micro\ampere}$.
Diese Leckströme können in der Anwendung als TIV den gemessenen Strom stark verzerren,
und beeinflussen somit negativ das Messergebnis \cite[S.S. 302]{Horowitz:1981307}\cite{analogINBIAS2008}. und beeinflussen somit negativ das Messergebnis \cite[S.S. 302]{Horowitz:1981307}\cite{analogINBIAS2008}.
\paragraph*{Parasitäre Kapazitäten:} Ein OpAmp hat, bedingt durch die physikalische Auslegung des Bauteils, \paragraph*{Parasitäre Kapazitäten:} Ein OpAmp hat, bedingt durch die physikalische Auslegung des Bauteils,
verschiedene ungewollte Kapazitäten sowohl gegen Masse, als auch zwischen den Kanälen selbst. verschiedene ungewollte Kapazitäten sowohl gegen Masse, als auch zwischen den Eingängen selbst.
Diese können das Eingangssignal verzerren, und stören somit die Übertragungsfunktion \cite{tiOpAmpCap2000}. Diese können das Eingangssignal verzerren, und stören somit die Übertragungsfunktion \cite{tiOpAmpCap2000}.
\paragraph*{Endliche Geschwindigkeit:} \paragraph*{Endliche Geschwindigkeit:}