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xaseiresh 2024-09-11 12:55:50 +02:00
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commit cfa735d1df
9 changed files with 119 additions and 75 deletions

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@ -390,10 +390,35 @@ plots:
yplaces: 2
ofile: V1_Measurements/revision_compare_noise.png
- load: V1_Measurements/V1.1-a1/47M_cap/noise.csv
loadtype: simplecsv
ylabel: Rauschlevel ($V/\sqrt{Hz}$)
load_values: ["Frequency (Hz)","Trace 1 (VHz)"]
type: single
xscale: log
colourmap: default
x_key: Frequency (Hz)
y_key: "Trace 1 (VHz)"
xmin: 500
xmax: 1000000
ymin: 0
ymax: 0.00003
yformatter: engineering
yplaces: 2
ofile: V1_Measurements/with_ims_noise.png
- loadtype: multicsv
load:
20M: V1_Measurements/V1.1-a1/20M/noise.csv
47M: V1_Measurements/V1.1-a1/47M_cap/noise.csv
47M: V1_Measurements/V1.1-a1/47M_dupes/noise_4K7_nocap.csv
82M: V1_Measurements/V1.1-a1/82M/noise.csv
120M: V1_Measurements/V1.1-a1/120M/noise.csv
@ -614,7 +639,7 @@ plots:
xmin: 100
xmax: 500000
ymin: 100
ymin: 140
ofile: V1_Measurements/bandwidth.png

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@ -29,10 +29,10 @@
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\documentclass[12pt, a4paper, openany, DIV=16, BCOR=20mm, bibliography=totoc, captions=tableheading, numbers=noenddot]{scrbook}
%Book - Digitalversion (doppelseitig)
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@ -59,14 +59,18 @@
%Titelseiten für Studien- und Diplomarbeit
\pagenumbering{alph} %Seitennummerierung lateinische Kleinbuchstaben
\include{Deckblatt}
\clearpage{\thispagestyle{empty}\cleardoublepage} %leere Seite für "documentclass book"
\includepdf[pages=-]{Deckblatt_Aufgabenstellung_SMT_David.pdf}
\include{Eigenstaendigkeitserklaerung}
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%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
%Inhaltsverzeichnis
@ -84,7 +88,6 @@
\listoffigures
\addcontentsline{toc}{chapter}{Abbildungsverzeichnis} %Eintrag im Inhaltsverzeichnis
\clearpage
\todo{Move}
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

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@ -259,8 +259,7 @@ Spannungsverlaufes schließen, während das
D-Feldes Hinweise auf die Positionen der parasitären Kapazitäten gibt.
Dies ist möglich, da sich durch Integration des D-Feldes die Ladungsverteilung
auf leitenden Flächen berechnen lässt, wie in Gleichung
\ref{eqn:integral_d} angegeben ist.
\todo{Quote Maxwell?}
\ref{eqn:integral_d} angegeben ist \cite{GaussLaw}.
\begin{equation}
\iint \vec{D} \cdot d\vec{A} = \iiint \rho_f dV\label{eqn:integral_d}
@ -284,17 +283,18 @@ welche Elemente der Simulation zur Kapazität beitragen.
\hspace{0.15\linewidth}%
\begin{subfigure}[t]{.22\linewidth}
\centering
\includegraphics[width=1\textwidth,trim={0 0 0 0.8cm},clip]{entwicklung/cst_estatic/potential_3t_t}
\includegraphics[width=1\textwidth,trim={0 0.8cm 0 1.6cm},clip]{entwicklung/cst_estatic/potential_3t_t}
\subcaption{Potential innerhalb des nach oben zeigenden 1206 Widerstandes}
\end{subfigure}\hfill%
\begin{subfigure}[t]{.22\linewidth}
\centering
\includegraphics[width=1\textwidth]{entwicklung/cst_estatic/potential_3t_b}
\includegraphics[width=1\textwidth,trim={0 0.8cm 0 0.8cm},clip]
{entwicklung/cst_estatic/potential_3t_b}
\subcaption{Potential innerhalb des herunterzeigenden 1206 Widerstandes}
\end{subfigure}\hfill%
\begin{subfigure}[t]{.22\linewidth}
\centering
\includegraphics[width=1\textwidth]{entwicklung/cst_estatic/potential_flip}
\includegraphics[width=1\textwidth,trim={0 0.8cm 0 0.8cm},clip]{entwicklung/cst_estatic/potential_flip}
\subcaption{Potential innerhalb des Flipchip}
\end{subfigure}\hspace{0.15\linewidth}
@ -322,17 +322,17 @@ welche Elemente der Simulation zur Kapazität beitragen.
\hspace{0.15\linewidth}%
\begin{subfigure}[t]{.22\linewidth}
\centering
\includegraphics[width=1\textwidth]{entwicklung/cst_estatic/d_3t_t}
\includegraphics[width=1\textwidth,trim={0 0.8cm 0 0.8cm},clip]{entwicklung/cst_estatic/d_3t_t}
\subcaption{Schnittfläche des D-Feldes in der Mitte des nach oben zeigenden 1206 Widerstandes}
\end{subfigure}\hfill%
\begin{subfigure}[t]{.22\linewidth}
\centering
\includegraphics[width=1\textwidth,clip,trim={0 0.4cm 0 0.4cm}]{entwicklung/cst_estatic/d_3t_b}
\includegraphics[width=1\textwidth,clip,trim={0 1.2cm 0 1.2cm}]{entwicklung/cst_estatic/d_3t_b}
\subcaption{Schnittfläche des D-Feldes in der Mitte des herunterzeigenden 1206}
\end{subfigure}\hfill%
\begin{subfigure}[t]{.22\linewidth}
\centering
\includegraphics[width=1\textwidth,clip,trim={0cm 0.4cm 0cm 0.4cm}]{entwicklung/cst_estatic/d_flip}
\includegraphics[width=1\textwidth,clip,trim={0cm 1.2cm 0cm 1.2cm}]{entwicklung/cst_estatic/d_flip}
\subcaption{\label{fig:cst_d_flipchip}Schnittfläche des D-Feldes in der Mitte des Flipchip}
\end{subfigure}\hspace{0.15\linewidth}
@ -344,7 +344,7 @@ welche Elemente der Simulation zur Kapazität beitragen.
somit die Verteilung der Kapazitäten. Deutlich zu erkennen ist die
Konzentration der Felder um die Kontaktflächen der Widerstände herum.}
\end{figure}
\todo{Clip images a bit more}
\FloatBarrier
@ -782,30 +782,6 @@ werden Simulationen mit variablem C1 und Cin (siehe Abbildung \ref{fig:opamp_gbw
Die Ergebnisse hiervon sind in Abbildungen \ref{fig:opamp_gbwp_variation_result_1} und
\ref{fig:opamp_gbwp_variation_result_2} dargestellt.
\begin{figure}[htb]
\centering
\includegraphics[scale=0.8]{datavis/Parasitics/SingleStage_Cin_Sweep.png}
\caption[Ergebnisse der Simulation eines idealen
OpAmp mit variierter Eingangskapazität]{
\label{fig:opamp_gbwp_variation_result_1}Ergebnisse der Simulation eines idealen
OpAmp mit variierter Eingangskapazität $C_\mathrm{in}$. Zu erkennen
ist eine Limitierung der Bandbreite sowie steigende
Überhöhung der Übertragungsfunktion bei größerer
Kapazität.
}
\end{figure}
\begin{figure}[htb]
\centering
\includegraphics[scale=0.8]{datavis/Parasitics/SingleStage_Cfp_Sweep.png}
\caption[Ergebnisse der Simulation eines idealen
OpAmp mit variierter parasitärer Widerstandskapazität]{
\label{fig:opamp_gbwp_variation_result_2}Ergebnisse der Simulation eines idealen
OpAmp mit variierter parasitärer Widerstandskapazität $C_\mathrm{1}$.
Zu erkennen ist die Verringerung der Bandbreite bei steigender
Kapazität.}
\end{figure}
Zu erkennen ist, dass die Rückkoppelkapazitäten $C_1$ keinen Einfluss auf die Stabilität haben und lediglich die Bandbreite
begrenzen, wie bereits in Kapitel \ref{chap:basics_parasitics} beschrieben wurde.
Die Eingangskapazität $C_\mathrm{in}$ jedoch scheint äquivalent zu einer Variation des GBWP zu sein, wobei eine größere Kapazität
@ -821,7 +797,31 @@ Aus den Simulationen wird geschlossen, dass ein Mindest-GBWP von $\SI{1}{\giga\h
notwendig ist, um stabil zu bleiben und die Bandbreite zu erhalten, wobei ein größeres GBWP vorteilhaft erscheint.
Eine minimale offene Verstärkung von circa 10 000 ist notwendig, um die Bandbreite nicht zu beeinflussen.
\FloatBarrier
\begin{figure}[H]
\centering
\includegraphics[scale=0.8]{datavis/Parasitics/SingleStage_Cin_Sweep.png}
\caption[Ergebnisse der Simulation eines idealen
OpAmp mit variierter Eingangskapazität]{
\label{fig:opamp_gbwp_variation_result_1}Ergebnisse der Simulation eines idealen
OpAmp mit variierter Eingangskapazität $C_\mathrm{in}$. Zu erkennen
ist eine Limitierung der Bandbreite sowie steigende
Überhöhung der Übertragungsfunktion bei größerer
Kapazität.
}
\end{figure}
\begin{figure}[H]
\centering
\includegraphics[scale=0.8]{datavis/Parasitics/SingleStage_Cfp_Sweep.png}
\caption[Ergebnisse der Simulation eines idealen
OpAmp mit variierter parasitärer Widerstandskapazität]{
\label{fig:opamp_gbwp_variation_result_2}Ergebnisse der Simulation eines idealen
OpAmp mit variierter parasitärer Widerstandskapazität $C_\mathrm{1}$.
Zu erkennen ist die Verringerung der Bandbreite bei steigender
Kapazität.}
\end{figure}
\clearpage
\subsubsection{Verbesserung der OpAmp Bandbreite}
@ -975,12 +975,13 @@ OpAmps für die Simulationen genutzt.
\begin{figure}[ht]
\centering
\includegraphics[width=0.8\textwidth]{entwicklung/opamp/opamp_ltspice_noise.jpg}
\includegraphics[width=0.7\textwidth,clip,trim={0cm 0cm 15cm 0cm}]
{entwicklung/opamp/opamp_ltspice_noise.jpg}
\caption[Schaltkreis der LTSpice-Simulation zur
Bestimmung OpAmp-Rauschens]{
\label{fig:opamp_vin_noise_schematic}Schaltkreis der LTSpice-Simulation zur
Bestimmung OpAmp-Rauschens.}
\end{figure}\todo{Trim this image?}
\end{figure}
Variiert werden $C_\mathrm{in}$ sowie $R_\mathrm{f}$, um die Auswirkungen dieser Parameter
betrachten zu können. Hierbei wird das Rauschen eingangsbezogen gemessen, d.~h. die Ausgangsspannung
@ -990,7 +991,7 @@ und \ref{fig:opamp_vin_noise_cin} dargestellt.
\FloatBarrier
\begin{figure}[hbt]
\begin{figure}[H]
\includegraphics[scale=0.8]{datavis/Parasitics/SingleStage_LTC_Rf_Sweep_Noise.png}
\caption[Rauschen in Abhängigkeit von $R_\mathrm{f}$]{
\label{fig:opamp_vin_noise_rf}Rauschen in Abhängigkeit von $R_\mathrm{f}$.
@ -1004,7 +1005,7 @@ und \ref{fig:opamp_vin_noise_cin} dargestellt.
proportional zur Frequenz wächst.}
\end{figure}
\begin{figure}[ht]
\begin{figure}[H]
\includegraphics[scale=0.8]{datavis/Parasitics/SingleStage_LTC_Cin_Sweep_Noise.png}
\caption{\label{fig:opamp_vin_noise_cin}Rauschen in Abhängigkeit von $C_\mathrm{in}$}
\end{figure}

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@ -113,8 +113,8 @@ passt zudem einige Abstandsregeln des Platinendesign an.
\end{figure}
Bei der Auslegung der physikalischen Schaltung werden zusätzliche Einflüsse
in Betracht gezogen, welche nicht direkt auf dem Schaltplan abbildbar sind.
So istz.~B. eine vorsichtige Auslegung der Leitungen des Eingangskanals
in Betracht gezogen.
So ist z.~B. eine vorsichtige Auslegung der Leitungen des Eingangskanals
notwendig; diese müssen möglichst wenig Fläche einnehmen um Kapazitäten zu
verringern. Aus dem gleichen Grund werden Kupferflächen reduziert und
als Muster anstatt als ausgefüllte Flächen ausgeführt.

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@ -45,7 +45,6 @@ Drogen \cite[S.S. 301]{Eiceman2013Oct}, zur Analyse von Umgebungsproben \cite[S.
und zur medizinischen Untersuchung und Überwachung von Patienten \cite[S.S. 366]{Eiceman2013Oct}.\\
Ein IMS ist somit äußerst relevant für eine breite Menge an
Arbeitsfeldern und eine Weiterentwicklung der Technologie kann ebenso breit gefächerte Vorteile haben.
\todo{Add IMS citations}
\subsection{Funktionsweise eines IMS}
\label{chap:function_description_ims}
@ -429,7 +428,7 @@ Die Funktionsweise ist wie folgt:
Für einen idealen TIV ergibt sich somit die Ausgangsspannung wie folgt:
\begin{equation}
V_\mathrm{out} = R_\mathrm{f} \cdot I_\mathrm{in}
U_\mathrm{out} = R_\mathrm{f} \cdot I_\mathrm{in}
\end{equation}
Die Vor- und Nachteile dieser Schaltungsart sind wie folgt:

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@ -74,7 +74,6 @@ $R_f$ angefertigt werden, werden für diese Widerstände Platzhalter
Verstärkerteils des TIVs]{\label{fig:v11_tia_schematic}Schaltkreis der Revision des
Verstärkerteils des TIVs.}
\end{figure}
\todo{Think about highlighting differences}
Es ist bei einer kaskadierten Verschaltung gewünscht, so viel Verstärkung in die
erste
@ -141,12 +140,13 @@ das Spektrum des Rauschens dieser Variante.
\begin{figure}[hb]
\centering
\missingfigure{Add figure of with-IMS noise}
\includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/with_ims_noise.png}
\caption{\label{fig:v11_ims_noise}Rauschlevel der $\SI{47}{\mega\ohm}$ Variante mit angeschlossenem IMS.}
\end{figure}
Diese Messung bestätigt, dass diese Revision der Schaltung keine Oszillationen bei Anschluss einer IMS-Röhre
aufweist. Der Fehler der ursprünglichen Version wurde somit erfolgreich behoben.
aufweist. Das Rauschlevel ist nur minimal beeinträchtigt.
Der Fehler der ursprünglichen Version wurde somit erfolgreich behoben.
\FloatBarrier
@ -296,8 +296,6 @@ $\SI{120}{\mega\ohm}$ eine zu geringe Bandbreite, während
die $\SI{47}{\mega\ohm}$ und $\SI{20}{\mega\ohm}$ Varianten beide mehr als ausreichend
Bandbreite besitzen. Die neue Version der Platine erfüllt somit die Anforderungen.
\clearpage
\subsection{Rauschen}
Folgend wird das Rauschen der Revision vermessen und mit der originalen Version
@ -571,7 +569,8 @@ Anhand der bereits durchgeführten Messungen wird der $\SI{47}{\mega\ohm}$
TIV als Verstärker für dieses Experiment genutzt. Dieser besitzt
das niedrigste Rauschen bei der gewollten Bandbreite von $\SI{30}{\kilo\hertz}$,
und ist somit die beste Auswahl.
Das genutzte IMS-System ist vom Typ ???\todo{Ask Moritz which IMS it was},
Das genutzte IMS-System ist ein 75 mm PEEK-Röhren IMS, mit
einer Driftspannung von $\SI{75}{\kilo\volt}$,
welches bereits durch vorherige Messungen im Labor charakterisiert wurde
und somit eine gut verstandene Platform darstellt.
Zum Vergleich wird der bestehende Verstärker, der {\em GemiTIV},
@ -643,8 +642,10 @@ Die in Kapitel \ref{chap:tia_design_goals} festgelegten Ziele
sind für einen bestimmten Typ von IMS geeignet. Es gibt jedoch
andere Arten von IMS, welche schnellere Messungen benötigen, so
z.~B. dem Hike-IMS.
Dieses System benötigt Bandbreiten von $\SI{250}{\kilo\hertz}$, mit
Dieses System benötigt Bandbreiten von mindestens
$\SI{250}{\kilo\hertz}$, mit
einem maximalen Eingangssignal von $\SI{10}{\nano\ampere}$.
Somit wird eine TIV-Verstärkung von $\SI{100}{\mega\ohm}$ angestrebt.
Aus diesem Grund wird im folgenden eine Variante des TIV-Schaltkreises
erprobt, welche auf diese Parameter eingestellt ist. Hierfür
@ -668,13 +669,18 @@ und \ref{fig:v24_noise} zeigen die Messwerte auf.
ab welchem eine Überhöhung der Bandbreite erkennbar ist.
}
\end{figure}
\todo{Recheck/Re-Write graphs}
Zu erkennen ist ein flacher Frequenzgang bis circa $\SI{100}{\kilo\hertz}$, mit
einer darauf folgenden Instabilität, mit einem Peak um $\SI{500}{\kilo\hertz}$ herum.
Diese Instabilität lässt darauf schließen, dass das GBWP der OpAmps ein limitierender
Faktor ist, entsprechend Kapitel \ref{chap:opamp_parasitics_gbwp}.
Der gefilterte Ausgang ist jedoch in seinem gesamten Arbeitsbereich flach, und somit nutzbar.
einer darauf folgenden Instabilität, mit einer leichten
Erhöhung von circa 3dB um $\SI{500}{\kilo\hertz}$ herum.
Diese Erhöhung lässt darauf schließen, dass entweder das Limit
des OpAmp GBWP erreicht wird (entsprechend Kapitel \ref{chap:opamp_parasitics_gbwp}), oder dass die Abschirmung für
die höheren Frequenzen nicht ausreichend ist. Da die Überhöhung
recht gering ist und keine Instabilität darstellt, ist
zu vermuten dass durch leichte Anpassungen die Übertragungsfunktion
abgeflacht werden kann.
\begin{figure}[ht]
\centering
@ -691,15 +697,16 @@ Der gefilterte Ausgang ist jedoch in seinem gesamten Arbeitsbereich flach, und s
Das Rauschspektrum der erstellten Variante ist ebenfalls sehr gut für den
Einsatz an einem IMS geeignet.
Das Rauschlevel ist mit durchschnittlich $\SI{8}{\micro\volt\per\sqrt{\hertz}}$
bis zur Filter-Grenzfrequenz sehr niedrig. Die in der Bandbreite erkennbare Instabilität ist
Das Rauschlevel ist mit durchschnittlich $\SI{10}{\micro\volt\per\sqrt{\hertz}}$
bis zur Filter-Grenzfrequenz sehr niedrig. Die in der Bandbreite erkennbare Überhöhung ist
ebenso im Rauschen zu erkennen, da ab $\SI{100}{\kilo\hertz}$ das Rauschen stark ansteigt.
Dies wird jedoch effektiv vom Ausgangsfilter heraus gefiltert, und beeinträchtigt
somit nicht die Messung.
Der Ausgangsfilter verringert teilweise das Rauschen, und mit
einem maximalen Rauschlevel von $\SI{25}{\micro\volt\per\sqrt{\hertz}}$
sind diese Messwerte dennoch sehr gut nutzbar.
Insgesamt ist die erstellte Variante sehr gut für die Nutzung an schnelleren IMS-Systemen
geeignet, da sie ein niedriges Rauschen und stabile Bandbreite anbietet.
Bei weiterer Feineinstellung des TIVs ist zudem zu erwarten, dass die Instabilität
Bei weiterer Feineinstellung des TIVs ist zudem zu erwarten, dass die Überhöhungen
korrigiert werden kann, um noch höhere Bandbreiten bei gleicher Verstärkung erreichen
zu können.

View file

@ -42,7 +42,7 @@ Für die meisten Sensorsysteme ist eine möglichst lineare
Relation gewünscht, d.~h.:
\begin{equation*}
V_\mathrm{out} = I_\mathrm{in} \cdot R_\mathrm{f}
U_\mathrm{out} = I_\mathrm{in} \cdot R_\mathrm{f}
\end{equation*}
Wobei $R_\mathrm{f}$ der Rückkoppelwiderstand des TIVs ist.
@ -72,7 +72,7 @@ Abbildung \ref{fig:measurement_v1_linearity} zeigt das Ergebnis der Vermessung
und Abbildung \ref{fig:measurement_v1_linearity_error} zeigt die Abweichung
der Messung vom Sollwert.
\begin{figure}[H]
\begin{figure}[ht]
\centering
\includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/1G_47M_Linearity.png}
\caption[Messergebnisse der Linearitätsmessung]{\label{fig:measurement_v1_linearity}
@ -80,7 +80,7 @@ der Messung vom Sollwert.
Es sind wie gewünscht keine merklichen Nichtlinearitäten zu erkennen.}
\end{figure}
\begin{figure}[H]
\begin{figure}[ht]
\centering
\includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/1G_47M_Linearity_Error.png}
\caption[Abweichung der Linearität des TIVs]{

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@ -160,6 +160,15 @@
url = {https://resources.altium.com/p/pcb-leakage-current-and-breakdown-in-high-voltage-design}
}
@misc{GaussLaw,
title = {{Maxwells equations}},
author = {{Wikimedia Foundation}},
year = {2024},
month = sep,
note = {[Online; accessed 15th March 2024]},
url = {https://en.wikipedia.org/wiki/Maxwells_equations }
}
@article{Yang:21,
author = {Jinqing Yang and Minjie Wan and Weixian Qian and Kan Ren and Dongming Lu and Jun Zhang and Guohua Gu and Qian Chen},
journal = {Appl. Opt.},

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@ -77,5 +77,5 @@
\usepackage{xfrac}
\DeclareSIUnit \var {var}
\usepackage{todonotes} % Todo-Notes im Text erstellen
%\usepackage[disable]{todonotes} % Vor dem Drucken Todo Notes hier global deaktivieren!
%\usepackage{todonotes} % Todo-Notes im Text erstellen
\usepackage[disable]{todonotes} % Vor dem Drucken Todo Notes hier global deaktivieren!