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TeX/Kapitel/Auslegung.tex

@@ -518,6 +518,7 @@ und eine korrekte Auswahl ist notwendig um die festgelegten Zielparameter erreic
 Dieser Auswahlprozess wird hier dargelegt.
 
 \subsubsection{Verstärkungs-Bandbreiten-Produkt}
+\label{chap:opamp_parasitics_gbwp}
 
 Wie bereits in Kapitel \ref{chap:basics_opamp} beschrieben, ist einer der zentralen Parameter eines
 OpAmp sein Verstärkungs-Bandbreiten-Produkt (im folgenden GBWP).
@@ -662,6 +663,8 @@ Es wird eine Simulation aufgebaut, mit welcher verschiedene
 OpAmp-GBWP-Kombinationen simuliert werden können, um die Eigenschaften des Gesamtsystems 
 untersuchen zu können.
 
+\label{chap:opamp_cascade_explained}
+
 Die Arbeitsweise dieser Verschaltung ist wie folgt:
 \begin{enumerate}
     \item Der OpAmp U1 verstärkt die am Eingang anliegende Spannungsdifferenz, welche vom 

TeX/Kapitel/RevisionV11.tex

@@ -1,5 +1,5 @@
 
-\chapter{Revision der Platine}
+\chapter{Revision des TIVs}
 
 In diesem Kapitel wird auf die zweite Revision der Platine eingegangen.
 Diese Revision ist notwendig, um die Instabilität der ersten Revision 
@@ -28,4 +28,111 @@ Schaltkreis in LTSpice mit einem reelen Verstärkermodell keine Instabilitäten
 aufwies. Es ist somit zu vermuten dass es sich um nicht akkurat modellierte Effekte 
 des Verstärkers handelt.
 
-\section{Schaltungsdesign}
+Eine händisch modifizierte Schaltung wird genutzt, um andere Verstärkungen sowie 
+OpAmps als Prototypen zu testen. Aus diesem Experimenten wird geschlossen,
+dass das erhöhte Rauschlevel des LTC auch bei kleineren Verstärkungen auftritt.
+Zusätzlich wird bei anderen OpAmps keine Instabilität festgestellt.
+
+\section{Korrektur der Schaltung}
+
+Im folgenden Abschnitt werden die Änderung der Schaltung beschrieben, welche für
+die nächste Revision vorgenommen werden. 
+Da der erkannte Fehler vermutlich durch den Verstärker selbst verursacht wird,
+soll nun ein anderer OpAmp genutzt werden. Kapitel \ref{chap:v10_opamp_choice}
+listet andere Möglichkeiten auf. Da das Eingangsspannungsrauschen vermutlich 
+an den Problemen teil nimmt, wird nun ein OpAmp mit möglichst geringem Rauschen 
+gewählt, der {\em ADA4817}.
+
+Der {\em ADA4817} bietet mit einem Rauschlevel von nur $\SI{5}{\nano\volt\per\sqrt{\hertz}}$
+das geringste Spannungsrauschen der Auswahl. Dieser Verstärker hat jedoch
+ein zu geringes GBWP, um in einer einzelnen Stufe die volle Verstärkung
+von $\SI{1}{\giga\ohm}$ zu erreichen, wie in Kapitel \ref{chap:opamp_parasitics_gbwp} beschrieben.
+Somit soll eine kaskadierte Schaltung entsprechend Kapitel \ref{chap:opamp_cascade_explained}
+genutzt werden, um die notwendige Bandbreite erreichen zu können.
+
+Da die Abschirmung sowie die Reihenschaltung der Rückkoppelwiderstände der 
+vorherigen Version beide als Funktionsfähig befunden wurden, wird an diesem Teilen
+der Schaltung keine Änderung vorgenommen. Lediglich der OpAmp wird durch eine 
+kaskadierte Schaltung des {\em ADA4817 } ersetzt.
+
+\begin{figure}[h]
+    \centering
+    \includegraphics[width=0.9\textwidth]{Auslegung/v1.1/tia_stage.png}
+    \caption{\label{fig:v11_tia_schematic}Schaltkreis der zweiten Revision des
+        Verstärkerteils des TIVs.}
+\end{figure}
+
+Abbildung \ref{fig:v11_tia_schematic} zeigt den geänderten Schaltkreis auf.
+Hierbei sind U2B und U2A die zwei ADA4817-OpAmps der kaskadierten Verschaltung.
+Widerstände R33 und R34 setzten hierbei die Verstärkung von U2A fest.
+U2B übernimmt den Rest der Verstärkung, wobei die Gesamtverstärkung nur durch
+die Rückkoppelwiderstände R15 bis R18 sowie den Rückkoppelteiler R14+R19
+festgelegt wird.
+Es ist bei einer kaskadierten Verschaltung gewünscht, so viel Verstärkung in die
+erste
+Stufe zu legen wie möglich, um das Rauschen zu minimieren und die Stabilität zu 
+erhöhen. Zu viel Verstärkung in der ersten Stufe reduziert jedoch die Bandbreite.
+Die exakte Verteilung der Verstärkung hängt vom Systemverhalten ab,
+und muss experimentell bestimmt werden.
+
+R9 und R32 erlauben das Umschalten der Schaltung von einer kaskadierten Schaltung
+mit beiden OpAmps im Rückkoppelpfad, hin zu einer normalen Reihenschaltung der 
+Verstärkerstufen. Hierfür kann R9 bestückt und R32 ausgelassen werden. Dies dient
+zum experimentellen Vergleich der Kaskadenschaltung mit einer regulären Reihenschaltung.
+
+Die Rückkoppelwiderstände und Abschirmwiderstände (R19 bis 13, R15 bis 18, R20 bis 23),
+plus die anpassenden Spannungsteiler (R24, R14, R19) sind unverändert vom
+ersten Schaltungsdesign.
+
+\begin{figure}[h]
+    \centering
+    \includegraphics[width=0.7\textwidth]{Auslegung/v1.1/tia_pcb.png}
+    \caption{\label{fig:v11_tia_pcb}Auslegung des PCBs der zweiten Revision
+        des TIVs}
+\end{figure}
+
+Abbildung \ref{fig:v11_tia_pcb} zeigt die Auslegung des PCBs der zweiten Revision.
+Hierbei werden die vorherigen Konstruktionen für Rückkoppelpfad und Abschirmung der
+Widerstände bei behalten.
+Aus diesem Grund wird hierauf nicht mehr genauer eingegangen.
+
+Die Kaskadenschaltung der zwei Verstärker ist um U2 herum gelegt. U2 ist 
+ein sog. {\em Dual Package OpAmp}, d.h. es liegen zwei unabhängige 
+ADA4817 im selben Packet vor. Dies ermöglicht eine möglichst kleine Auslegung
+des Rückkoppelpfades für die zweite Stufe des Verstärkers, welches für die Stabilität
+notwendig ist sowie weniger Störquellen einkoppelt.
+
+Der Vollständigkeit halber zeigt Abbildung \ref{fig:v11_pcb_3d_image} ein 3D-Modell
+der zweiten Revision der Platine. Die restlichen Schaltungsteile wurden nicht modifiziert,
+weshalb auf diese hier nicht mehr eingegangen wird.
+
+\begin{figure}[h]
+    \centering
+    \includegraphics[width=0.9\textwidth]{Auslegung/v1.1/pcb_3d.png}
+    \caption{\label{fig:v11_pcb_3d_image}3D-Modell der zweiten Revision des PCBs}
+\end{figure}
+
+\section{Vermessung der Revision}
+
+In diesem Kapitel wird die zweite Revision der Platine
+vermessen und auf weitere Fehler überprüft.
+Es werden, wenn nicht anders beschrieben, dieselben Methoden wie aus Kapitel \ref{chap:measurements}
+genutzt. Wo angemessen, sollen Vergleiche mit der vorherigen Version gezogen werden.
+
+\subsection{Stabilität am IMS}
+
+Es wird nun als aller erstes die Stabilität an einer IMS-Röhre vermessen. Hierfür wird dieselbe 
+Röhre wie in der Vermessung der ersten Revision genutzt, an den Eingang des TIVs 
+angeschlossen, und vermessen. Hierbei wird die $\SI{47}{\mega\ohm}$ Variante genutzt.
+
+Im Falle der neuen Schaltung liegt nun die erwartete stabile, statische Ausgangsspannung
+bei $\SI{0}{\volt}$ mit einem akzeptablem Rauschen. Abbildung \ref{fig:v11_ims_noise} zeigt
+das Spektrum des Rauschens dieser Variante.
+
+\begin{figure}[h]
+    \centering
+    \missingfigure{Add figure of with-IMS noise}
+    \caption{\label{fig:v11_ims_noise}Rauschlevel der $\SI{47}{\mega\ohm}$ Variante mit angeschlossenem IMS.}
+\end{figure}
+
+Diese Messung bestätigt dass