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David Bailey 2024-08-22 17:07:42 +02:00
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17
TeX/Kapitel/Auslegung.tex
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@ -237,7 +237,9 @@ nützlich.\todo{Rewrite this more understandably}
\subcaption{Potential innerhalb des Flipchip}
\end{subfigure}\hspace{0.15\linewidth}
\caption{\label{fig:cst_r_potentials}Potentialfelder der elektrostatischen Simulation
\caption[Potentialfelder der elektrostatischen Simulation
der Widerstände, verschiedene Ansichten]{
\label{fig:cst_r_potentials}Potentialfelder der elektrostatischen Simulation
der Widerstände, verschiedene Ansichten. Deutlich zu erkennen
ist die gleichmäßige Verteilung des Potentialfeldes um die Anschlüsse der
Widerstände herum.}
@ -536,7 +538,8 @@ einer realen Schaltung nicht einfach zu simulieren sind.
\begin{figure}[hbt!]
\centering
\includegraphics[width=0.8\textwidth]{entwicklung/r_series/series_shielded.png}
\caption{\label{fig:r_series_para_comp_sim}Aufbau der Simulation zur
\caption[Aufbau der Simulation zur
Analyse des Effektes der Schirmungskapazitäten auf eine Widerstands-Serienschaltung]{\label{fig:r_series_para_comp_sim}Aufbau der Simulation zur
Analyse des Effektes der Schirmungskapazitäten auf eine Widerstands-Serienschaltung.}
\end{figure}
@ -544,7 +547,7 @@ einer realen Schaltung nicht einfach zu simulieren sind.
\centering
\includegraphics[scale=0.8]{datavis/Parasitics/Rf_series_shielded.png}
\caption[Ergebnisse der Simulation
zur Analyse der Auswirkungen der Abschirmkapazitäten.]{
zur Analyse der Auswirkungen der Abschirmkapazitäten]{
\label{fig:r_series_para_comp_results}Ergebnisse der Simulation
zur Analyse der Auswirkungen der Abschirmkapazitäten. Zu erkennnen
ist, dass eine zu kleine Abschirmung der Erdkapazität nicht entgegen wirken
@ -702,7 +705,7 @@ Die Ergebnisse hiervon sind in Abbildungen \ref{fig:opamp_gbwp_variation_result_
\centering
\includegraphics[scale=0.8]{datavis/Parasitics/SingleStage_Cfp_Sweep.png}
\caption[Ergebnisse der Simulation eines idealen
OpAmp mit variierter parasitärer Widerstandskapazität.]{
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
@ -769,7 +772,7 @@ Hierfür werden zwei Möglichkeiten erprobt:
\centering
\includegraphics[scale=0.2]{grundlagen/CascadeOpAmp.drawio.png}
\caption[Beispielhafte Schaltungen zur Erhöhung
des OpAmp GBWP.]{\label{fig:opamp_gbwp_increase_schematics}Beispielhafte Schaltungen zur Erhöhung
des OpAmp GBWP]{\label{fig:opamp_gbwp_increase_schematics}Beispielhafte Schaltungen zur Erhöhung
des OpAmp GBWP durch Kaskadierung mehrerer OpAmps.}
\end{figure}
@ -875,7 +878,9 @@ genügend GBWP und kleinen Eingangsleckströmen, um als TIV nutzbar zu sein.
\begin{figure}[ht]
\centering
\includegraphics[width=0.8\textwidth]{entwicklung/opamp/opamp_ltspice_noise.jpg}
\caption{\label{fig:opamp_vin_noise_schematic}Schaltkreis der LTSpice-Simulation zur
\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}

7
TeX/Kapitel/Grundlagen.tex
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@ -191,7 +191,8 @@ Hierbei ist $V_{\mathrm{n,rms}}$ der RMS-Wert des Rauschens, $k_B$ die Boltzmann
\begin{figure}[hb]
\centering
\includegraphics[scale=0.13]{grundlagen/Schematic_Resistor.drawio.png}
\caption{\label{fig:example_r_noise}Schematische Darstellung
\caption[Schematische Darstellung
eines realen Widerstandes nach \cite{WikipediaResistors2024May}]{\label{fig:example_r_noise}Schematische Darstellung
eines realen Widerstandes nach \cite{WikipediaResistors2024May}.}
\end{figure}
@ -317,7 +318,9 @@ Die grundlegende Schaltung ist hierbei in \ref{fig:example_tia_circuit} aufgefü
\begin{figure}[hb]
\centering
\includegraphics[scale=0.2]{grundlagen/OpAmp_TIA.drawio.png}
\caption{\label{fig:example_tia_circuit}Grundlegender Schaltkreis eines Transimpedanzverstärkers,
\caption[Grundlegender Schaltkreis eines Transimpedanzverstärkers,
eigene Darstellung nach \cite{Reinecke2018Oct}]{
\label{fig:example_tia_circuit}Grundlegender Schaltkreis eines Transimpedanzverstärkers,
eigene Darstellung nach \cite{Reinecke2018Oct}.}
\end{figure}
\todo{Find a citation for this?}

55
TeX/Kapitel/RevisionV11.tex
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@ -2,7 +2,7 @@
\cleardoublepage
\chapter{Revision des TIVs}
In diesem Kapitel wird auf die zweite Revision der Platine eingegangen.
In diesem Kapitel wird auf die Revision der Platine eingegangen.
Diese Revision ist notwendig, um die Instabilität der ersten Revision
der Platine zu beheben, welche in Kapitel \ref{chap:v10_instability}
gemessen wurde, da diese Instabilität einer Verwendung der Platine
@ -60,7 +60,8 @@ Abbildung \ref{fig:v11_tia_schematic} zeigt den geänderten Schaltkreis auf.
\begin{figure}[hb]
\centering
\includegraphics[width=0.9\textwidth]{Auslegung/v1.1/tia_stage.png}
\caption{\label{fig:v11_tia_schematic}Schaltkreis der zweiten Revision des
\caption[Schaltkreis der Revision des
Verstärkerteils des TIVs]{\label{fig:v11_tia_schematic}Schaltkreis der Revision des
Verstärkerteils des TIVs.}
\end{figure}
@ -85,7 +86,7 @@ Die Rückkoppelwiderstände und Abschirmwiderstände (R19 bis 13, R15 bis 18, R2
plus die anpassenden Spannungsteiler (R24, R14, R19) sind unverändert vom
ersten Schaltungsdesign.
Abbildung \ref{fig:v11_tia_pcb} zeigt die Auslegung des PCBs der zweiten Revision.
Abbildung \ref{fig:v11_tia_pcb} zeigt die Auslegung des PCBs der Revision.
Hierbei werden die vorherigen Konstruktionen für Rückkoppelpfad und Abschirmung der
Widerstände bei behalten.
Aus diesem Grund wird hierauf nicht mehr genauer eingegangen.
@ -93,7 +94,7 @@ Aus diesem Grund wird hierauf nicht mehr genauer eingegangen.
\begin{figure}[hb]
\centering
\includegraphics[width=0.7\textwidth]{Auslegung/v1.1/tia_pcb.png}
\caption{\label{fig:v11_tia_pcb}Auslegung des PCBs der zweiten Revision
\caption{\label{fig:v11_tia_pcb}Auslegung des PCBs der Revision
des TIVs}
\end{figure}
@ -104,13 +105,13 @@ des Rückkoppelpfades für die zweite Stufe des Verstärkers, welches für die S
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,
der Revision der Platine. Die restlichen Schaltungsteile wurden nicht modifiziert,
weshalb auf diese hier nicht mehr eingegangen wird.
\begin{figure}[hb]
\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}
\caption{\label{fig:v11_pcb_3d_image}3D-Modell der Revision des PCBs}
\end{figure}
\FloatBarrier
@ -118,7 +119,7 @@ weshalb auf diese hier nicht mehr eingegangen wird.
\section{Vermessung der Revision}
In diesem Kapitel wird die zweite Revision der Platine
In diesem Kapitel wird die 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.
@ -216,9 +217,9 @@ aufgebaut wurden.
\centering
\includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/V1.1-a1/bandwidths.png}
\caption[Messungen der Übertragungsfunktionen
der Platinen der zweiten Revision]{\label{fig:v11_measurement_bandwidth}
der Platinen der Revision]{\label{fig:v11_measurement_bandwidth}
Messungen der Übertragungsfunktionen
der Platinen der zweiten Revision. Zu erkennen
der Platinen der Revision. Zu erkennen
ist die Abhängigkeit der Bandbreite vom Rückkoppelwiderstand.}
\end{figure}
@ -245,7 +246,7 @@ entnommen werden. Diese sind in Tabelle \ref{table:v11_bandwidths} dargestellt.
\begin{table}[hb]
\centering
\caption{\label{table:v11_bandwidths}-3dB-Frequenzen des ungefilterten
TIV-Ausgangs der zweiten Revision}
TIV-Ausgangs der Revision}
\begin{tabular}{ |r|r|r| }
\hline
Widerstand & -3dB Punk \\
@ -268,13 +269,14 @@ ist erneut im Falle der $\SI{47}{\mega\ohm}$ Variante von Vorteil.
Abbildung \ref{fig:v11_comparison_bandwidth} zeigt einen direkten Vergleich der
Bandbreiten der TIV-Stufen der vorherigen und neuen Revison für
die $\SI{47}{\mega\ohm}$ Variante. Der steilere Abfall sowie die
leicht höhere -3dB-Frequenz der zweiten Revision
leicht höhere -3dB-Frequenz der Revision
ist hierbei deutlich zu erkennen.
\begin{figure}[ht]
\centering
\includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/revision_compare_bandwidth.png}
\caption{\label{fig:v11_comparison_bandwidth}Vergleich der Bandbreiten der
\caption[Vergleich der Bandbreiten der
$\SI{47}{\mega\ohm}$ Varianten von der alten und neuen Revision]{\label{fig:v11_comparison_bandwidth}Vergleich der Bandbreiten der
$\SI{47}{\mega\ohm}$ Varianten von der alten und neuen Revision.}
\end{figure}
@ -301,8 +303,8 @@ Platinenrevision.
\centering
\includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/V1.1-a1/noises.png}
\caption[Durchschnittliches Rauschspektrum der Platinen
der zweiten Revision]{\label{fig:v11_measurement_noise}Durchschnittliches Rauschspektrum der Platinen
der zweiten Revision.
der Revision]{\label{fig:v11_measurement_noise}Durchschnittliches Rauschspektrum der Platinen
der Revision.
Erkennbar ist die Abhängigkeit des Rauschlevels vom Rückkoppelwiderstand.
Ebenefalls sind einige Frequenzen mit erhöhtem Rauschen erkennbar.}
\end{figure}
@ -323,20 +325,21 @@ gleichen Frequenzen wie die Resonanzen in der Bandbreite. Somit ist zu vermuten,
dass die gleiche Ursache für beide Effekte zuständig ist.
Abbildund \ref{fig:v11_v10_comparison_noise} zeigt den direkten
Vergleich der ungefilterten Rauschspektren der ersten und zweiten Revision
Vergleich der ungefilterten Rauschspektren der ersten und Revision
der $\SI{47}{\mega\ohm}$ Version des Schaltkreise.
Trotz des kleineren Eingangsspannungsrauschens des ADA4817 liegt ein
insgesamt leicht größeres Rauschniveau vor. Dies stimmt jedoch nur bei offenem
Eingang. Das Rauschen der ersten Revision mit dem LTC6268-10 vergrößert sich bei
steigender Eingangskapazität, während das Rauschen der zweiten Revision
steigender Eingangskapazität, während das Rauschen der Revision
kaum von der Eingangskapazität abhängt (siehe Kapitel \ref{chap:v11_measurement_ims_stability}).
Unter realen Bedingungen ist somit das
Rauschen der zweiten Revision besser.
Rauschen der Revision besser.
\begin{figure}[ht]
\centering
\includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/revision_compare_noise.png}
\caption{\label{fig:v11_v10_comparison_noise}Vergleich des Rauschspektrums
\caption[Vergleich des Rauschspektrums
der Revisionen der $\SI{47}{\mega\ohm}$ Variante]{\label{fig:v11_v10_comparison_noise}Vergleich des Rauschspektrums
der Revisionen der $\SI{47}{\mega\ohm}$ Variante.}
\end{figure}
@ -381,7 +384,7 @@ genutzte LTC6268-10.
\end{tabular}
\end{table}
Insgesamt ist somit das Rauschen der zweiten Revision des TIVs nutzbar.
Insgesamt ist somit das Rauschen der Revision des TIVs nutzbar.
Zwar ist das Rauschen im Vergleich zur ersten Revision geringfügig erhöht, jedoch
bieten alle Versionen der Schaltung mit Ausnahme des $\SI{20}{\mega\ohm}$ TIVs
ein akzeptabel geringes Rauschen.
@ -389,7 +392,7 @@ ein akzeptabel geringes Rauschen.
\subsection{Konsistenz des Schaltkreises}
In diesem Abschnitt wird darauf eingegangen, wie wiederholbar
der Aufbau der zweiten Revision der Platine ist.
der Aufbau der Revision der Platine ist.
Ein wichtiger Aspekt des in dieser Arbeit entwickelten TIVs ist
der reproduzierbare Aufbau ohne größere manuelle Abstimmungen der
Abschirmung oder anderer Komponenten.
@ -403,7 +406,8 @@ diese Kopie dasselbe Verhalten aufweist wie die original vermessene Platine.
\begin{figure}[h]
\centering
\includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/V1.1-a1/bandwidth_consistency.png}
\caption{\label{fig:v11_bandwidth_consistency_check}Vergleich der Bandbreiten
\caption[Vergleich der Bandbreiten
zweier identischer TIV-Platinen]{\label{fig:v11_bandwidth_consistency_check}Vergleich der Bandbreiten
zweier identischer TIV-Platinen.}
\end{figure}
@ -493,12 +497,13 @@ den gleichen Messsystemen wie in den vorherigen Messungen (siehe Kapitel
\includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/V1.1-a1/CascadeSeries/bandwidths.png}
\caption[Übertragungsfunktionen eines
$\SI{47}{\mega\ohm}$ TIVs mit varriierter Verstärkung der zweiten
Stufe der Kaskade.]{
Stufe der Kaskade]{
\label{fig:v11_cascade_bandwidths}Übertragungsfunktionen eines
$\SI{47}{\mega\ohm}$ TIVs mit varriierter Verstärkung der zweiten
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.
@ -520,7 +525,9 @@ wichtig. Höhere Bandbreiten werden durch die Filterstufe entfernt.
\begin{figure}[h]
\centering
\includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/V1.1-a1/CascadeSeries/noises.png}
\caption{\label{fig:v11_cascade_noises}Rauschspektren eines
\caption[Rauschspektren eines
$\SI{47}{\mega\ohm}$ TIVs mit varriierter Verstärkung der zweiten
Stufe der Kaskade]{\label{fig:v11_cascade_noises}Rauschspektren eines
$\SI{47}{\mega\ohm}$ TIVs mit varriierter Verstärkung der zweiten
Stufe der Kaskade.}
\end{figure}
@ -542,7 +549,7 @@ werden, d.h. die zweite Stufe so klein wie möglich, um das Rauschen zu verminde
\section{Fazit}
Die zweite Revision korrigiert erfolgreich die Instabilität, welche in der ersten Revision
Die Revision korrigiert erfolgreich die Instabilität, welche in der ersten Revision
festgestellt wurde.
In den restlichen Parametern schneidet sie vergleichbar gut wie die erste Revision ab.
Zudem lässt sich durch die korrekte Einstellung der Verstärkungsverteilung der kaskadierten

69
TeX/Kapitel/Vermessung.tex
View file

@ -64,7 +64,7 @@ der Messung vom Sollwert.
\begin{figure}[H]
\centering
\includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/1G_47M_Linearity.png}
\caption[Messergebnisse der Linearitätsmessung.]{\label{fig:measurement_v1_linearity}
\caption[Messergebnisse der Linearitätsmessung]{\label{fig:measurement_v1_linearity}
Messergebnisse der Linearitätsmessung des $\SI{47}{\mega\ohm}$ TIVs.
Es sind wie gewünscht keine merklichen Nichtlinearitäten zu erkennen.}
\end{figure}
@ -94,30 +94,30 @@ Einknicken der Ausgangsspannung zu erkennen. Dies lässt sich durch die Versorgu
des Verstärkers erklären, welche bei ca. $\SI{\pm2.5}{\volt}$ liegt, wodurch die
Ausgangsspannung begrenzt ist.
In Zusammenfassung ist die Linearität des Schaltkreises mehr als Ausreichend, und
In Zusammenfassung ist die Linearität des Schaltkreises mehr als ausreichend und
für den gewünschten Eingangsstrom von $\SI{\pm1}{\nano\ampere}$ liegt ein komplett
lineares Verhalten vor.
\subsection{Bandbreite}
\label{chap:v10_measurement_bandwidth}
In diesem Abschnitt wird die Bandbreite des Systems untersucht.
Hierbei wird sowohl die Bandbreite der TIV-Stufe ohne Filterung,
als auch die gesamte Bandbreite mit Filterung, vermessen.
Nun wird die Übertratungsfunktion der TIVs betrachtet.
Hierbei werden sowohl die Bandbreite der TIV-Stufe ohne Filterung,
als auch die gesamte Bandbreite mit Filterung vermessen.
Für einen Verstärker wie den TIV ist eine Übertragungsfunktion
gewünscht, welche möglichst flach verläuft und erst ab einer
gewissen Grenzfrequenz dann möglichst steil abfällt.
Der glatte Verlauf unterhalb der Grenzfrequenz erlaubt für eine
verzerrungsfreie Übertragung eines Signals, während der steile
Abfall nach der Grenzfrequenz ungewünschte Signale heraus filtert.
Abfall nach der Grenzfrequenz ungewünschte Signale herausfiltert.
Die Übertragungsfunktionen werden mithilfe eines {\em Analog Discovery Pro 3}
Oszilloskop + Funktionsgenerator aufgenommen.
Der Ausgang des Funktionsgenerators an eine Photodiodenbox angeschlossen,
Der Ausgang des Funktionsgenerators wird an eine Photodiodenbox angeschlossen,
welche die Ausgangsspannung des Generators auf einen Strom im Bereich von
0 bis $\SI{0.7}{\nano\ampere}$ umwandelt. Der Frequenzgang dieser Box ist hierbei
bis in die oberen $\SI{100}{\kilo\hertz}$ flach und konstant, und muss somit
bis in die oberen $\SI{100}{\kilo\hertz}$ flach und konstant und muss somit
nicht weiter beachtet werden. Der Ausgang der Photodioden-Box wird an den Eingang
des TIVs angeschlossen. Der gefilterte und ungefilterte Ausgang des TIVs werden
jeweils mit dem {\em Analog Discovery Pro 3} vermessen.
@ -166,7 +166,7 @@ Die gemessenen
Die Übertragungsfunktionen aller drei Platinen weisen akzeptables Verhalten
auf, d.h. einen glatten Verlauf vor der Grenzfrequenz und einen
Abfall von ca. -20dB/Dekade. Lediglich die Grenzfrequenz des
$\SI{120}{\mega\ohm}$ Schaltkreises ist relativ gering, und bietet somit
$\SI{120}{\mega\ohm}$ Schaltkreises ist relativ gering und bietet somit
wenig Spielraum für die nachfolgende Filterung.
Ebenfalls von Interesse ist die Übertragungsfunktion des gefilterten Ausgangs.
@ -178,7 +178,7 @@ dargestellt.
\centering
\includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/bandwidth_ch2.png}
\caption[Übertragungsfunktionen des gefilterten Ausgangs
der Platinen bei variiertem Rückkoppelwiderstand.]{
der Platinen bei variiertem Rückkoppelwiderstand]{
\label{fig:v10_bandwidths_ch2}Übertragungsfunktionen des gefilterten Ausgangs
der Platinen bei variiertem Rückkoppelwiderstand. Zu erkennen ist die Eckfrequenz
des Filters bei $\SI{30}{\kilo\hertz}$}
@ -187,9 +187,9 @@ dargestellt.
Die Auslegung der Filterstufe soll erst ab der Grenzfrequenz
von $\SI{30}{\kilo\hertz}$ einen Abfall von -40dB/Dekate einbringen,
wobei Frequenzen unterhalb der Grenzfrequenz nicht beeinflusst werden sollten.
Diese Verhalten ist auch deutlich in der Messung zu erkennen. Die -3dB-Frequenzen
Dieses Verhalten ist auch deutlich in der Messung zu erkennen. Die -3dB-Frequenzen
der gefilterten Ausgänge sind in Tabelle \ref{table:v10_bandwidth_filters} aufgelistet.
Wie bereits theorisiert ist die Bandbreite der $\SI{120}{\mega\ohm}$-Variante zu gering
Wie bereits theorisiert, ist die Bandbreite der $\SI{120}{\mega\ohm}$-Variante zu gering
für die vollen $\SI{30}{\kilo\hertz}$. Die anderen beiden Varianten besitzen
genug Bandbreite.
@ -215,7 +215,7 @@ Die Eckfrequenz des Filters sowie der -40dB/Dekade-Abfall ist deutlich zu erkenn
\centering
\includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/bandwidth_filter_compare.png}
\caption[Vergleich der Übertragungsfunktion
des gefilterten und ungefilterten Ausangs des $\SI{47}{\mega\ohm}$ TIVs.]{
des gefilterten und ungefilterten Ausangs des $\SI{47}{\mega\ohm}$ TIVs]{
\label{fig:v10_bandwidth_filter_compare}Vergleich der Übertragungsfunktion
des gefilterten und ungefilterten Ausangs des $\SI{47}{\mega\ohm}$ TIVs.
Die Filterung ist deutlich ab $\SI{30}{\kilo\hertz}$ zu erkennen, mit
@ -228,7 +228,9 @@ Die Eckfrequenz des Filters sowie der -40dB/Dekade-Abfall ist deutlich zu erkenn
\subsubsection{Einfluss der Abschirmung}
\label{chap:measurements_v10_shielding}
In diesem Abschnitt wird der Einfluss der Abschirmung genauer untersucht.
Ein relevantes Element des Schaltungsdesigns ist die Abschirmung, welche
zum Ausgleich der parasitären Kapazitäten ausgelegt wurde.
Der konkrete Effekt dieser Abschirmung wird nun betrachtet.
Um diesen zu messen, werden die Abschirmungselektroden durch Änderung
des Widerstandsteilers auf zu hohe/zu niedrige Spannungen
im Vergleich zum Sollwert gelegt.
@ -258,7 +260,7 @@ gewünscht.
Die flachste, und somit am besten geeignetste, Übertragungsfunktion ergibt
sich mit einer leicht zu hohen Filterspannung, zwischen x1 und x1.1.
Dies lässt sich leicht mit der E24-Serie von Widerständen erreichen, und benötigt
Dies lässt sich leicht mit der E24-Serie von Widerständen erreichen und benötigt
somit keine teureren Widerstände zur Einstellung der Abschirmung.
Hieraus kann geschlossen werden, dass die Abschirmungen einen merklichen und wichtigen Einfluss auf
@ -269,8 +271,9 @@ notwendig für die Funktionalität des TIVs.
\subsubsection{Messung ohne Abschirmung}
In diesem Kapitel soll die Übertragungsfunktion der Variante
ohne Abschirmung vermessen werden.
Um zu bestätigen dass die Abschirmung notwendig ist, wird
eine PCB-Variante ohne jegliche Abschirmungen angefertigt,
und dessen Übertragungsfunktion sollte vermessen werden.
Dies war jedoch nicht möglich, da die Platine keinen stabilen Ausgang
besaß. Der Ausgangspegel des TIVs ohne Abschirmung der Rückkoppelwiderstände
bildet eine Rechteckwelle aus,
@ -283,41 +286,41 @@ dargestellt.
\begin{figure}[hb]
\centering
\includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/unshielded_47M.png}
\caption[Ausgangsspannung des TIV-Schaltkreises ohne Abschirmung.]{\label{fig:v10_unshielded_waveform}
\caption[Ausgangsspannung des TIV-Schaltkreises ohne Abschirmung]{\label{fig:v10_unshielded_waveform}
Ausgangsspannung des TIV-Schaltkreises ohne Abschirmung.
Deutlich zu erkennen ist die starke Oszillation der Ausgangsspannung,
welche bis an die Spannungsgrenzen des Ausgangs geht.}
\end{figure}
Deutlich zu erkennen ist die oszilliernde Natur
der Spannung. Die Wellenform ist zu erklären durch den Einfluss parasitärer
Erdungskapazitäten auf die hochohmigen Potentiale der Rückkoppelwiderstände.
Dies wurde bereits in Kapitel \ref{chap:r_para_mitigations} theorisiert, und
Die oszilliernde Natur
der Spannung ist deutlich zu erkennen. Die Wellenform ist durch den Einfluss parasitärer
Erdungskapazitäten auf die hochohmigen Potentiale der Rückkoppelwiderstände zu erklären.
Dies wurde bereits in Kapitel \ref{chap:r_para_mitigations} theorisiert und
die Messungen in \ref{chap:measurements_v10_shielding} wiesen auch auf eine Instabilität
bei zu kleiner Abschirmung hin.
Die Instabilität bei keiner Abschirmung ist somit erwartet, und weißt zusätzlich darauf hin
Die Instabilität bei keiner Abschirmung ist somit erwartet und weißt zusätzlich darauf hin,
dass die bestehende Abschirmungsgeometrie ausreichend ist um diese Instabilität zu vermeiden.
Eine Operation gänzlich ohne Abschirmungselektroden ist nicht möglich.
\FloatBarrier
\newpage
\clearpage
\subsection{Rauschen}
\label{chap:v10_measurement_noise}
In diesem Abschnitt wird das Rauschen des Schaltkreises genauer untersucht.
Das Rauschverhalten ist relevant für die Signalqualität, und somit für die
Detektionsgrenzen, welche erreicht werden können. Generell sind niedrigere
Das Rauschverhalten ist relevant für die Signalqualität und somit für die
Detektionsgrenzen, welche erreicht werden können. Aus diesem Grund wird dieses
nun genauer vermessen.
Generell sind niedrigere
Rauschwerte besser, wobei auch die Verteilung der Rauschenergie relevant ist,
d.h. ob es gewisse Frequenzen mit Spitzen oder Frequenbereiche mit erhöhtem
oder niedrigerem Rauschen gibt.
Um das Rauschen der Platinen auf zu nehmen, wird der Eingang des TIVs
Um das Rauschen der Platinen aufzunehmen, wird der Eingang des TIVs
mit einer Abschirmkappe abgedeckt. Zusätzlich wird der Aufbau in ein Metallgehäuse
eingebaut, um äußere Störsignale zu verringern.
Es wird für jede Platine das FFT-Spektrum von
$\SI{500}{\hertz}$ bis $\SI{1}{\mega\hertz}$ aufgenommen, wobei jeweils 1000 Spektren
summiert und der Durchschnitt berechnet wird, um die durchschnittliche Verteilung
genutzt werden, um die durchschnittliche Verteilung
des Rauschens zu berechnen. Die aufgenommenen Spektren sind in
Abbildung \ref{fig:v10_noises_ch1} dargestellt.
@ -326,7 +329,7 @@ Abbildung \ref{fig:v10_noises_ch1} dargestellt.
\includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/noises.png}
\caption[Durchschnittliches Rauschspektrum
des ungefilterten Ausgangs
der drei Platinen.]{\label{fig:v10_noises_ch1}Durchschnittliches Rauschspektrum
der drei Platinen]{\label{fig:v10_noises_ch1}Durchschnittliches Rauschspektrum
des ungefilterten Ausgangs
der drei Platinen bei abgeschirmtem, offenem Eingang.
Die gleichmäßige Verteilung des Rauschens ist sichtbar.}
@ -336,10 +339,10 @@ Deutlich zu erkennen ist die Abhängigkeit des Rauschens von der Widerstands-Gr
welches der Vorhersage aus Kapitel \ref{chap:r_noise} entspricht.
Das Rauschen ist bei allen drei Platinen relativ gleichmäßig
verteilt, mit einer flachen Spitze bei ca. $\SI{30}{\kilo\hertz}$.
Es sind keine Frequenz-Spitzen zu erkennen, und keine Resonanzen.
Es sind keine Frequenz-Spitzen und keine Resonanzen zu erkennen.
Zusätzlich wird das Verhalten der Filter-Stufe auf das Rauschen
betrachtet. Es wird mithilfe des selben Messaufbaus das Rauschen
betrachtet. Mithilfe des selben Messaufbaus wird das Rauschen
des gefilterten Ausgangs aufgenommen und aufgezeichnet. Abbildung
\ref{fig:v10_noises_ch2} zeigt die aufgenommenen Spektren.