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TeX/Kapitel/Auslegung.tex

@@ -25,23 +25,27 @@ Institut für Grundlagen der Elektrotechnik und Messtechnik
 der Leibniz Universität Hannover genutzt wird.
 Der Aufbau dieses IMS ist vergleichbar zu dem in 
 \cite{Reinecke2018Oct} dargestelltem System.
+Abbildung \ref{fig:example_ims_peak} zeigt einen Peak der von einem
+solchen System gemessen wurde.
 
+\begin{figure}[ht!]
+    \centering
+    \includegraphics[scale=0.8]{datavis/example_peak.png}
+    \caption[Messung eines beispielhaften Ionen-Peaks]{
+        \label{fig:example_ims_peak}
+        Messung eines beispielhaften Ionen-Peaks.
+        Zu erkennen ist die annähernd gaussche Verteilung
+        mit einer Breite von etwa $\SI{60}{\micro\second}$.}
+\end{figure}
 
-Dieses System generiert Ionenpakete mit einer
-annähernd gausschen Verteilung,
-mit einer Breite von circa $\SI{1.5}{\micro\second}$
-für die kleinsten Pakete.
-Eine beispielhafte Messung eines IMS-Systemes ist in Abbildung \ref{fig:example_ims_peak} dargestellt.
+Zu sehen ist, dass dieses System Ionenpakete mit einer
+annähernd gausschen Verteilung und
+mit einer Breite von circa $\SI{35}{\micro\second}$
+für die kleinsten Pakete erzeugt.
 Um diese Pakete abbilden zu können ist eine Bandbreite von mindestens $\SI{30}{\kilo\hertz}$ notwendig.
 Die größte Peak-Amplitude, die hierbei abgebildet werden soll,
 befindet sich im Bereich von circa $\SI{1}{\nano\ampere}$.
 
-\begin{figure}
-    \centering
-    \missingfigure{Include figure for an example IMS peak shape}
-    \caption{\label{fig:example_ims_peak}Messung eines beispielhaften Ionen-Peaks}
-\end{figure}
-
 Der Ausgang des TIV wird einen Analog-Digital-Wandler (im folgenden ADC) antreiben. Diese Bauteile wandeln ein
 Spannungssignal in ein digitales Signal um, welches vom Rest des Systems ausgewertet werden kann. Der im Ziel-IMS ausgewählte ADC,
 der {\em LTC2274}, hat einen 
@@ -202,7 +206,7 @@ der Eingangskapazität bei. Zudem scheint es keine großen Unterschiede bei der
 
 \begin{table}[hb]
     \centering
-    \caption{\label{table:para_r_cf}Ergebnisse der Kapazitätsberechnung}
+    \caption{\label{table:para_r_cf}Ergebnisse der Kapazitätsberechnung aus den CST-Simulationen}
     \begin{tabular}{ |l|r|r| }
         \hline
         Typ & Parallelkapazität $C_\mathrm{p}$ & Streukapazität $C_\mathrm{g}$ \\
@@ -340,6 +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
 
@@ -526,7 +531,7 @@ Grenzwerte sind in Tabelle \ref{table:para_rshield_max} aufgelistet.
 
 \begin{table}[ht]
     \centering
-    \caption{\label{table:para_rshield_max}Obere Grenzwerte der Widerstandsauswahl mit Abschrimung}
+    \caption{\label{table:para_rshield_max}Obere Grenzwerte der Widerstandsauswahl mit Abschirmelektroden}
     \begin{tabular}{ |c|r| }
         \hline
         Typ & Grenzwert \\

TeX/Kapitel/Auslegung/Schaltungsdesign.tex

@@ -45,14 +45,13 @@ zusammen mit einigen ihrer Parameter auf.
         \hline
         OpAmp & Leckstrom & GBWP & Spannungsauschen @ $\SI{10}{\kilo\hertz}$ \\
         \hline
-        ADA4530 & $\SI{20}{\femto\ampere}$ & $\SI{2}{\mega\hertz}$ & $\SI{14}{\nano\volt\per\sqrt{\hertz}}$ \\
-        ADA4817 & $\SI{2}{\pico\ampere}$ & $\SI{400}{\mega\hertz}$ & $\SI{5}{\nano\volt\per\sqrt{\hertz}}$ \\
-        LTC6268-10 & $\SI{4}{\femto\ampere}$ & $\SI{4}{\giga\hertz}$ & $\SI{14}{\nano\volt\per\sqrt{\hertz}}$ \\
-        LMP7721 & $\SI{20}{\femto\ampere}$ & $\SI{17}{\mega\hertz}$ & $\SI{6.5}{\nano\volt\per\sqrt{\hertz}}$ \\
+        ADA4530    \cite{DatasheetADA4530}   & $\SI{20}{\femto\ampere}$ & $\SI{2}{\mega\hertz}$ & $\SI{14}{\nano\volt\per\sqrt{\hertz}}$ \\
+        ADA4817    \cite{DatasheetADA4817}   & $\SI{2}{\pico\ampere}$ & $\SI{400}{\mega\hertz}$ & $\SI{5}{\nano\volt\per\sqrt{\hertz}}$ \\
+        LTC6268-10 \cite{DatasheetLTC626810} & $\SI{4}{\femto\ampere}$ & $\SI{4}{\giga\hertz}$ & $\SI{14}{\nano\volt\per\sqrt{\hertz}}$ \\
+        LMP7721    \cite{DatasheetLMP7721}   & $\SI{20}{\femto\ampere}$ & $\SI{17}{\mega\hertz}$ & $\SI{6.5}{\nano\volt\per\sqrt{\hertz}}$ \\
         \hline
     \end{tabular}
 \end{table}
-\todo[inline]{Do we need to cite the Datasheets?}
 
 Aus diesen OpAmps werden zwei Kandidaten genauer in Betracht gezogen.
 Der {\em ADA4817} besitzt das niedrigste Eingangsrauschen der Auswahl
@@ -133,7 +132,7 @@ um Oberflächenladungen und Leckströme ableiten zu können.
 
 \begin{figure}[hbp]
     \centering
-    \includegraphics[width=0.5\textwidth]{Auslegung/v1.0/tia_pcb.png}
+    \includegraphics[width=0.8\textwidth]{Auslegung/v1.0/tia_pcb.png}
     \caption{\label{fig:tia_v1_pcb}Platinendesign der TIV-Schaltung}
 \end{figure}
 
@@ -318,9 +317,12 @@ Die einzelnen Elemente des TIV sind von links nach rechts wie folgt angeordnet:
 \begin{figure}[ht]
     \centering
     \includegraphics[width=0.95\linewidth]{Auslegung/v1.0/pcb_3d.png}
-    \caption{\label{fig:v1_pcb_design}3D-Modell des gesamten TIV-Schaltkreises.}
+    \caption[3D-Modell des gesamten TIV-Schaltkreises]{
+        \label{fig:v1_pcb_design}
+        3D-Modell des gesamten TIV-Schaltkreises.
+        Überlagert ist die grundlegende Verteilung der
+        Schaltungselemente eingezeichnet.}
 \end{figure}
-\todo[inline]{Add some nice overlays for the parts.}
 
 Zusätzlich zu den bereits etablierten Komponenten der Schaltung werden einige
 mechanische Verbindungen zur Operation des Schaltkreises untergebracht:
@@ -339,8 +341,10 @@ mechanische Verbindungen zur Operation des Schaltkreises untergebracht:
         und sind somit gut geeignet für das Eingangs- und Ausgangssignal des Verstärkers.
 \end{itemize}
 
-Die Plazine wird mithilfe von komerziellen Fertigungsverfahren hergestellt.
-\todo[inline]{How much of this should we write down here?}
+Die Platine wird mithilfe von komerziellen Fertigungsverfahren hergestellt,
+wobei die Bestückung der Komponenten durch die kleine Anzahl von Platinen
+mit variierten Bauteilen von Hand durchgeführt wird.
+Abbildung \ref{fig:v1_pcb_picture} zeigt ein Foto eines der erstellten Schaltkreise.
 
 \begin{figure}[h]
     \centering

TeX/Kapitel/Grundlagen.tex

@@ -88,8 +88,15 @@ ein solches Spektrum dar.
 
 \begin{figure}[h]
     \centering
-    \missingfigure{IMS SPECTRUM HERE}
-    \caption{\label{fig:ims_example_spectrum}Spektrum einer beispielhaften IMS-Messung}
+    \includegraphics[scale=0.8]{datavis/example_spectrum.png}
+    \caption[Spektrum einer beispielhaften IMS-Messung]{
+        \label{fig:ims_example_spectrum}Spektrum einer beispielhaften IMS-Messung.
+        Aufgezeichnet ist die Ausgangsspannung des TIVs des IMS über die Zeit.
+        Zu sehen ist der Peak des Driftgases um circa 
+        $\SI{5.5}{\milli\second}$ herum, sowie Peaks von Ionenpaketen
+        um $\SI{8.8}{\milli\second}$, $\SI{10.5}{\milli\second}$
+        und $\SI{13}{\milli\second}$.
+    }
 \end{figure}
 
 \FloatBarrier

TeX/Kapitel/RevisionV11.tex

@@ -99,7 +99,7 @@ Aus diesem Grund wird hierauf nicht mehr genauer eingegangen.
 
 \begin{figure}[hb]
     \centering
-    \includegraphics[width=0.7\textwidth]{Auslegung/v1.1/tia_pcb.png}
+    \includegraphics[width=0.8\textwidth]{Auslegung/v1.1/tia_pcb.png}
     \caption{\label{fig:v11_tia_pcb}Auslegung des PCBs der Revision
         des TIVs}
 \end{figure}
@@ -120,9 +120,7 @@ weshalb auf diese hier nicht mehr eingegangen wird.
     \caption{\label{fig:v11_pcb_3d_image}3D-Modell der Revision des PCBs}
 \end{figure}
 
-\FloatBarrier
-\newpage
-
+\cleardoublepage
 \section{Vermessung der Revision}
 
 In diesem Kapitel wird die Revision der Platine
@@ -517,7 +515,6 @@ den gleichen Messsystemen wie in den vorherigen Messungen (siehe Kapitel
         Stufe der Kaskade. Erkennbar ist ein starker Einfluss auf die
         Bandbreite.}
 \end{figure}
-\todo{Use ratio of amp}
 
 Abbildung \ref{fig:v11_cascade_bandwidths} zeigt die Übertragungsfunktionen
 der getesteten Varianten.
@@ -639,6 +636,76 @@ TIV erfolgreich in einem echten IMS-System genutzt werden kann,
 und hierbei vergleichbar gute Messergebnisse liefert
 wie die bestehenden Systeme.
 
+\clearpage
+\section{Erprobung einer schnellen Variante}
+
+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 $\SI{150}{\kilo\hertz}$, mit 
+einem maximalen Eingangssignal von $\SI{10}{\nano\ampere}$.
+
+Aus diesem Grund wird im folgenden eine Variante des TIV-Schaltkreises
+erprobt, welche auf diese Parameter eingestellt ist. Hierfür
+wird als Rückkoppelwiderstand ein Wert von $\SI{2.4}{\mega\ohm}$ 
+genutzt. Zusätzlich wird der Ausgangsfilters auf eine Grenzfrequenz
+von $\SI{150}{\kilo\hertz}$ eingestellt.
+
+Vermessen werden Bandbreite und Rauschen mit den gleichen Methodiken
+wie in den vorherigen Kapiteln (vgl. Kapitel \ref{chap:v10_measurement_bandwidth}
+und Kapitel \ref{chap:v10_measurement_noise}). Abbildungen \ref{fig:v24_bandwidth}
+und \ref{fig:v24_noise} zeigen die Messwerte auf.
+
+\begin{figure}[ht]
+    \centering
+    \includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/V1.1-a1/2M4/bandwidths.png}
+    \caption[Bandbreite der $\SI{2.4}{\mega\hertz}$-Variante]{
+        \label{fig:v24_bandwidth}
+        Bandbreite der $\SI{2.4}{\mega\hertz}$-Variante. Aufgezeichnet sind
+        die Bandbreiten des ungefilteren und gefilterten Ausgangs.
+        Zu erkennen ist ein flacher Frequenzgang bis circa $\SI{100}{\kilo\hertz}$,
+        ab welchem eine Überhöhung der Bandbreite erkennbar ist.
+    }
+\end{figure}
+
+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.
+
+\begin{figure}[ht]
+    \centering
+    \includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/V1.1-a1/2M4/noises.png}
+    \caption[Rauschspektrum der $\SI{2.4}{\mega\hertz}$-Variante]{
+        \label{fig:v24_noise}
+        Rauschspektrum der $\SI{2.4}{\mega\hertz}$-Variante. Aufgezeichnet sind
+        die Spektren des ungefilteren und gefilterten Ausgangs.
+        Zu erkennen ist ein sehr geringes Rauschen bis hin zu
+        $\SI{100}{\kilo\hertz}$, ab welchem Punkt das Rauschen stark 
+        ansteigt.
+    }
+\end{figure}
+
+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
+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.
+
+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
+korrigiert werden kann, um noch höhere Bandbreiten bei gleicher Verstärkung erreichen
+zu können.
+
+Eine Messung an einem echten IMS-System war durch technische Probleme
+unabhängig vom TIV nicht möglich.
+
+\clearpage
 \section{Fazit}
 
 Die Revision korrigiert erfolgreich die Instabilität, welche in der ersten Version

TeX/Kapitel/Vermessung.tex

@@ -92,8 +92,6 @@ der Messung vom Sollwert.
     }
 \end{figure}
 
-\pagebreak
-
 Deutlich zu erkennen ist eine nutzbare lineare Abhängigkeit der Ausgangsspannung
 vom Eingangsstrom ohne starke Abweichungen vom linearen Zusammenhang.
 Es scheint ein leichter Fehler im Verstärkungsfaktor von 0.5\% vor zu liegen,
@@ -109,6 +107,8 @@ In Zusammenfassung ist die Linearität des Schaltkreises mehr als ausreichend un
 für den gewünschten Eingangsstrom von $\SI{\pm1}{\nano\ampere}$ liegt ein komplett
 lineares Verhalten vor.
 
+\clearpage
+
 \subsection[Verstärkerbandbreite]{Untersuchung der Verstärkerbandbreite}
 \label{chap:v10_measurement_bandwidth} 
 

TeX/Kapitel/Zusammenfassung.tex

@@ -16,9 +16,14 @@ an Bandbreite und Rauschlevel erfüllte.
 Lediglich die Stabilität des Schaltkreises führte 
 zu Problemen.
 
-Die Ursprünge der Instabilität wurde thematisiert, und es
-konnte in einer Revision der Schaltung die Stabilität deutlich
-verbessert werden.
+Die Ursprünge der Instabilität wurde thematisiert,
+wobei das Rauschen des verwendeten OpAmps zusammen mit
+einer möglichen Instabilität durch das GBWP vermutet wurde.
+Es konnte in einer Revision der Schaltung die Stabilität
+deutlich verbessert werden, in dem eine kaskadierte
+OpAmp-Struktur mit ausreichendem GBWP und stabilisierender
+Limitierung durch eine passend eingestellte offene Verstärkung
+entwicklet wurde.
 
 Der somit erstellte Schaltkreis konnte in einer Messung
 an einem der IMS-Systeme des GEM an der Leibniz Universität
@@ -26,6 +31,10 @@ Hannover vermessen werden, und wurde mit den bestehenden
 Systemen verglichen. Somit konnte bestätigt werden, dass 
 das neu erstellte System Messwerte mit guter Qualität liefert
 und seine Zielanforderungen erfüllt.
+Es wurde ebenfalls eine Variation des TIVs aufgebaut, welche
+mit höherer Bandbreite arbeitet und somit den erstellten
+TIV für einen breiteren Anwendungsbereich einsetzbar macht.
+
 Hierbei konnte der TIV so ausgelegt werden, dass keine manuellen
 Nachjustierungen für eine korrekte Operation notwendig sind,
 und der Preis sowie die Größe des Schaltkreises konnten im 

TeX/Literaturverzeichnis.bib

@@ -110,6 +110,30 @@
 	url = {https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/2274fb.pdf}
 }
 
+@misc{DatasheetLTC626810,
+	title = {{Datasheet LTC6268-10 - 4GHz Ultra-Low Bias Current FET Input Op Amp}},
+	year = {2015},
+	month = feb,
+	note = {[Online; accessed 21th June 2024]},
+	url = {https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/626810f.pdf}
+}
+
+@misc{DatasheetADA4817,
+	title = {{Datasheet ADA4817 - Low Noise, 1 GHz FastFET Op Amps}},
+	year = {2008},
+	month = oct,
+	note = {[Online; accessed 21th June 2024]},
+	url = {https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ADA4817-1_4817-2.pdf}
+}
+
+@misc{DatasheetLMP7721,
+	title = {{Datasheet LMP7721 - 3-Femtoampere Input Bias Current Precision Amplifier}},
+	year = {2014},
+	month = dec,
+	note = {[Online; accessed 21th June 2024]},
+	url = {https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lmp7721.pdf}
+}
+
 @misc{SierraReduceCapacitances,
 	title = {{How to reduce parasitic capacitance in PCB layout}},
 	year = {2021},