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1 Frequency (Hz) Channel 1 Magnitude (dB) Channel 2 Magnitude (dB)
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94 2529603.21170294 -32.9290373846523 -77.4456266688463
95 2754495.733570181 -35.13164954056491 -77.09258583069524
96 2999382.160472731 -37.45399869361957 -76.22582115844813
97 3266040.035902224 -39.78974770375144 -76.28519384156569
98 3556404.934553247 -41.37229329569038 -73.92027095071013
99 3872584.511971773 -44.62438448345853 -72.31301968886899
100 4216873.803277285 -45.55223000663096 -71.2075907191398
101 4591771.8820066 -47.40743049933685 -69.76233795666354
102 5000000 -49.37204221814828 -68.68360420140937

File diff suppressed because it is too large Load diff

File diff suppressed because it is too large Load diff

File diff suppressed because it is too large Load diff

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@ -7,6 +7,46 @@ defaults:
Cin: $C_{in}$
plots:
- loadtype: simplecsv
load: example_spectrum.csv
type: single
load_values: ["time", "example_voltage"]
x_key: time
y_key: example_voltage
xscale: linear
yscale: linear
xmin: 0.010
xmax: 0.0115
ymax: 1
xplaces: 1
xlabel: Zeit (s)
ylabel: TIV-Spannung (V)
ofile: example_peak.png
- loadtype: simplecsv
load: example_spectrum.csv
type: single
load_values: ["time", "example_voltage"]
x_key: time
y_key: example_voltage
xscale: linear
yscale: linear
xmin: 0.004
xmax: 0.0145
xlabel: Zeit (s)
ylabel: TIV-Spannung (V)
ofile: example_spectrum.png
- loadtype: multicsv
load:
GemiTIV: IMS Measurements/Spectrum_7.csv
@ -150,6 +190,50 @@ plots:
yplaces: 2
ofile: V1_Measurements/V1.1-a1/CascadeSeries/noises.png
- loadtype: multicsv
load:
Ungefiltert: V1_Measurements/V1.1-a1/2M4/noise.csv
Gefiltert: V1_Measurements/V1.1-a1/2M4/noise_filt.csv
ylabel: Rauschlevel ($V/\sqrt{Hz}$)
legend_title: Ausgang
load_values: ["Frequency (Hz)","Trace 1 (VHz)"]
type: lt_sweep
x_key: Frequency (Hz)
y_key: "Trace 1 (VHz)"
yformatter: engineering
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- loadtype: multicsv
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Ungefiltert: V1_Measurements/V1.1-a1/2M4/bandwith.csv
Gefiltert: V1_Measurements/V1.1-a1/2M4/bandwith_filt.csv
data_processing_steps:
- normalize_bandwidth
ylabel: Normalisierte Verstärkung (dB)
legend_title: Ausgang
load_values: ["Frequency (Hz)","Channel 1 Magnitude (dB)"]
type: lt_sweep
x_key: Frequency (Hz)
y_key: "Channel 1 Magnitude (dB)"
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ofile: V1_Measurements/V1.1-a1/2M4/bandwidths.png
- loadtype: multicsv
load:
x2: V1_Measurements/V1.1-a1/CascadeSeries/bandwidth_47M_x2.csv

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@ -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 \\

View file

@ -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

View file

@ -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

View file

@ -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

View file

@ -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}

View file

@ -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

View file

@ -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},

Binary file not shown.

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