diff --git a/TeX/Kapitel/Auslegung.tex b/TeX/Kapitel/Auslegung.tex index c080c2c..8ee129c 100644 --- a/TeX/Kapitel/Auslegung.tex +++ b/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 diff --git a/TeX/Kapitel/RevisionV11.tex b/TeX/Kapitel/RevisionV11.tex index b416263..a56648a 100644 --- a/TeX/Kapitel/RevisionV11.tex +++ b/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} \ No newline at end of file +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 \ No newline at end of file diff --git a/TeX/grafiken/Auslegung/v1.1/pcb_3d.png b/TeX/grafiken/Auslegung/v1.1/pcb_3d.png new file mode 100644 index 0000000..500b4a1 Binary files /dev/null and b/TeX/grafiken/Auslegung/v1.1/pcb_3d.png differ diff --git a/TeX/grafiken/Auslegung/v1.1/tia_pcb.png b/TeX/grafiken/Auslegung/v1.1/tia_pcb.png new file mode 100644 index 0000000..a94f812 Binary files /dev/null and b/TeX/grafiken/Auslegung/v1.1/tia_pcb.png differ diff --git a/TeX/grafiken/Auslegung/v1.1/tia_stage.png b/TeX/grafiken/Auslegung/v1.1/tia_stage.png new file mode 100644 index 0000000..f08c9a6 Binary files /dev/null and b/TeX/grafiken/Auslegung/v1.1/tia_stage.png differ