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d7b6fccad9
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@ -237,7 +237,9 @@ nützlich.\todo{Rewrite this more understandably}
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\subcaption{Potential innerhalb des Flipchip}
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\subcaption{Potential innerhalb des Flipchip}
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\end{subfigure}\hspace{0.15\linewidth}
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\end{subfigure}\hspace{0.15\linewidth}
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\caption{\label{fig:cst_r_potentials}Potentialfelder der elektrostatischen Simulation
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\caption[Potentialfelder der elektrostatischen Simulation
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der Widerstände, verschiedene Ansichten]{
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\label{fig:cst_r_potentials}Potentialfelder der elektrostatischen Simulation
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der Widerstände, verschiedene Ansichten. Deutlich zu erkennen
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der Widerstände, verschiedene Ansichten. Deutlich zu erkennen
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ist die gleichmäßige Verteilung des Potentialfeldes um die Anschlüsse der
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ist die gleichmäßige Verteilung des Potentialfeldes um die Anschlüsse der
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Widerstände herum.}
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Widerstände herum.}
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@ -536,7 +538,8 @@ einer realen Schaltung nicht einfach zu simulieren sind.
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\begin{figure}[hbt!]
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\begin{figure}[hbt!]
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\includegraphics[width=0.8\textwidth]{entwicklung/r_series/series_shielded.png}
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\includegraphics[width=0.8\textwidth]{entwicklung/r_series/series_shielded.png}
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\caption{\label{fig:r_series_para_comp_sim}Aufbau der Simulation zur
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\caption[Aufbau der Simulation zur
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Analyse des Effektes der Schirmungskapazitäten auf eine Widerstands-Serienschaltung]{\label{fig:r_series_para_comp_sim}Aufbau der Simulation zur
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Analyse des Effektes der Schirmungskapazitäten auf eine Widerstands-Serienschaltung.}
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Analyse des Effektes der Schirmungskapazitäten auf eine Widerstands-Serienschaltung.}
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\end{figure}
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\end{figure}
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@ -544,7 +547,7 @@ einer realen Schaltung nicht einfach zu simulieren sind.
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\includegraphics[scale=0.8]{datavis/Parasitics/Rf_series_shielded.png}
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\includegraphics[scale=0.8]{datavis/Parasitics/Rf_series_shielded.png}
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\caption[Ergebnisse der Simulation
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\caption[Ergebnisse der Simulation
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zur Analyse der Auswirkungen der Abschirmkapazitäten.]{
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zur Analyse der Auswirkungen der Abschirmkapazitäten]{
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\label{fig:r_series_para_comp_results}Ergebnisse der Simulation
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\label{fig:r_series_para_comp_results}Ergebnisse der Simulation
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zur Analyse der Auswirkungen der Abschirmkapazitäten. Zu erkennnen
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zur Analyse der Auswirkungen der Abschirmkapazitäten. Zu erkennnen
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ist, dass eine zu kleine Abschirmung der Erdkapazität nicht entgegen wirken
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ist, dass eine zu kleine Abschirmung der Erdkapazität nicht entgegen wirken
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@ -702,7 +705,7 @@ Die Ergebnisse hiervon sind in Abbildungen \ref{fig:opamp_gbwp_variation_result_
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\includegraphics[scale=0.8]{datavis/Parasitics/SingleStage_Cfp_Sweep.png}
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\includegraphics[scale=0.8]{datavis/Parasitics/SingleStage_Cfp_Sweep.png}
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\caption[Ergebnisse der Simulation eines idealen
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\caption[Ergebnisse der Simulation eines idealen
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OpAmp mit variierter parasitärer Widerstandskapazität.]{
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OpAmp mit variierter parasitärer Widerstandskapazität]{
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\label{fig:opamp_gbwp_variation_result_2}Ergebnisse der Simulation eines idealen
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\label{fig:opamp_gbwp_variation_result_2}Ergebnisse der Simulation eines idealen
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OpAmp mit variierter parasitärer Widerstandskapazität $C_\mathrm{1}$.
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OpAmp mit variierter parasitärer Widerstandskapazität $C_\mathrm{1}$.
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Zu erkennen ist die Verringerung der Bandbreite bei steigender
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Zu erkennen ist die Verringerung der Bandbreite bei steigender
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@ -769,7 +772,7 @@ Hierfür werden zwei Möglichkeiten erprobt:
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\includegraphics[scale=0.2]{grundlagen/CascadeOpAmp.drawio.png}
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\includegraphics[scale=0.2]{grundlagen/CascadeOpAmp.drawio.png}
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\caption[Beispielhafte Schaltungen zur Erhöhung
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\caption[Beispielhafte Schaltungen zur Erhöhung
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des OpAmp GBWP.]{\label{fig:opamp_gbwp_increase_schematics}Beispielhafte Schaltungen zur Erhöhung
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des OpAmp GBWP]{\label{fig:opamp_gbwp_increase_schematics}Beispielhafte Schaltungen zur Erhöhung
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des OpAmp GBWP durch Kaskadierung mehrerer OpAmps.}
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des OpAmp GBWP durch Kaskadierung mehrerer OpAmps.}
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\end{figure}
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\end{figure}
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@ -875,7 +878,9 @@ genügend GBWP und kleinen Eingangsleckströmen, um als TIV nutzbar zu sein.
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\begin{figure}[ht]
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\begin{figure}[ht]
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\includegraphics[width=0.8\textwidth]{entwicklung/opamp/opamp_ltspice_noise.jpg}
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\includegraphics[width=0.8\textwidth]{entwicklung/opamp/opamp_ltspice_noise.jpg}
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\caption{\label{fig:opamp_vin_noise_schematic}Schaltkreis der LTSpice-Simulation zur
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\caption[Schaltkreis der LTSpice-Simulation zur
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Bestimmung OpAmp-Rauschens]{
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\label{fig:opamp_vin_noise_schematic}Schaltkreis der LTSpice-Simulation zur
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Bestimmung OpAmp-Rauschens.}
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Bestimmung OpAmp-Rauschens.}
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\end{figure}
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\end{figure}
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@ -191,7 +191,8 @@ Hierbei ist $V_{\mathrm{n,rms}}$ der RMS-Wert des Rauschens, $k_B$ die Boltzmann
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\begin{figure}[hb]
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\begin{figure}[hb]
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\includegraphics[scale=0.13]{grundlagen/Schematic_Resistor.drawio.png}
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\includegraphics[scale=0.13]{grundlagen/Schematic_Resistor.drawio.png}
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\caption{\label{fig:example_r_noise}Schematische Darstellung
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\caption[Schematische Darstellung
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eines realen Widerstandes nach \cite{WikipediaResistors2024May}]{\label{fig:example_r_noise}Schematische Darstellung
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eines realen Widerstandes nach \cite{WikipediaResistors2024May}.}
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eines realen Widerstandes nach \cite{WikipediaResistors2024May}.}
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\end{figure}
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\end{figure}
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@ -317,7 +318,9 @@ Die grundlegende Schaltung ist hierbei in \ref{fig:example_tia_circuit} aufgefü
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\begin{figure}[hb]
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\begin{figure}[hb]
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\includegraphics[scale=0.2]{grundlagen/OpAmp_TIA.drawio.png}
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\includegraphics[scale=0.2]{grundlagen/OpAmp_TIA.drawio.png}
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\caption{\label{fig:example_tia_circuit}Grundlegender Schaltkreis eines Transimpedanzverstärkers,
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\caption[Grundlegender Schaltkreis eines Transimpedanzverstärkers,
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eigene Darstellung nach \cite{Reinecke2018Oct}]{
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\label{fig:example_tia_circuit}Grundlegender Schaltkreis eines Transimpedanzverstärkers,
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eigene Darstellung nach \cite{Reinecke2018Oct}.}
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eigene Darstellung nach \cite{Reinecke2018Oct}.}
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\end{figure}
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\end{figure}
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\todo{Find a citation for this?}
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\todo{Find a citation for this?}
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@ -2,7 +2,7 @@
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\cleardoublepage
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\cleardoublepage
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\chapter{Revision des TIVs}
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\chapter{Revision des TIVs}
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In diesem Kapitel wird auf die zweite Revision der Platine eingegangen.
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In diesem Kapitel wird auf die Revision der Platine eingegangen.
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Diese Revision ist notwendig, um die Instabilität der ersten Revision
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Diese Revision ist notwendig, um die Instabilität der ersten Revision
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der Platine zu beheben, welche in Kapitel \ref{chap:v10_instability}
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der Platine zu beheben, welche in Kapitel \ref{chap:v10_instability}
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gemessen wurde, da diese Instabilität einer Verwendung der Platine
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gemessen wurde, da diese Instabilität einer Verwendung der Platine
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@ -60,7 +60,8 @@ Abbildung \ref{fig:v11_tia_schematic} zeigt den geänderten Schaltkreis auf.
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\begin{figure}[hb]
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\begin{figure}[hb]
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\includegraphics[width=0.9\textwidth]{Auslegung/v1.1/tia_stage.png}
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\includegraphics[width=0.9\textwidth]{Auslegung/v1.1/tia_stage.png}
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\caption{\label{fig:v11_tia_schematic}Schaltkreis der zweiten Revision des
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\caption[Schaltkreis der Revision des
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Verstärkerteils des TIVs]{\label{fig:v11_tia_schematic}Schaltkreis der Revision des
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Verstärkerteils des TIVs.}
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Verstärkerteils des TIVs.}
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\end{figure}
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\end{figure}
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@ -85,7 +86,7 @@ Die Rückkoppelwiderstände und Abschirmwiderstände (R19 bis 13, R15 bis 18, R2
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plus die anpassenden Spannungsteiler (R24, R14, R19) sind unverändert vom
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plus die anpassenden Spannungsteiler (R24, R14, R19) sind unverändert vom
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ersten Schaltungsdesign.
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ersten Schaltungsdesign.
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Abbildung \ref{fig:v11_tia_pcb} zeigt die Auslegung des PCBs der zweiten Revision.
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Abbildung \ref{fig:v11_tia_pcb} zeigt die Auslegung des PCBs der Revision.
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Hierbei werden die vorherigen Konstruktionen für Rückkoppelpfad und Abschirmung der
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Hierbei werden die vorherigen Konstruktionen für Rückkoppelpfad und Abschirmung der
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Widerstände bei behalten.
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Widerstände bei behalten.
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Aus diesem Grund wird hierauf nicht mehr genauer eingegangen.
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Aus diesem Grund wird hierauf nicht mehr genauer eingegangen.
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@ -93,7 +94,7 @@ Aus diesem Grund wird hierauf nicht mehr genauer eingegangen.
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\begin{figure}[hb]
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\begin{figure}[hb]
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\includegraphics[width=0.7\textwidth]{Auslegung/v1.1/tia_pcb.png}
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\includegraphics[width=0.7\textwidth]{Auslegung/v1.1/tia_pcb.png}
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\caption{\label{fig:v11_tia_pcb}Auslegung des PCBs der zweiten Revision
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\caption{\label{fig:v11_tia_pcb}Auslegung des PCBs der Revision
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des TIVs}
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des TIVs}
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\end{figure}
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\end{figure}
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@ -104,13 +105,13 @@ des Rückkoppelpfades für die zweite Stufe des Verstärkers, welches für die S
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notwendig ist sowie weniger Störquellen einkoppelt.
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notwendig ist sowie weniger Störquellen einkoppelt.
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Der Vollständigkeit halber zeigt Abbildung \ref{fig:v11_pcb_3d_image} ein 3D-Modell
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Der Vollständigkeit halber zeigt Abbildung \ref{fig:v11_pcb_3d_image} ein 3D-Modell
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der zweiten Revision der Platine. Die restlichen Schaltungsteile wurden nicht modifiziert,
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der Revision der Platine. Die restlichen Schaltungsteile wurden nicht modifiziert,
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weshalb auf diese hier nicht mehr eingegangen wird.
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weshalb auf diese hier nicht mehr eingegangen wird.
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\begin{figure}[hb]
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\begin{figure}[hb]
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\includegraphics[width=0.9\textwidth]{Auslegung/v1.1/pcb_3d.png}
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\includegraphics[width=0.9\textwidth]{Auslegung/v1.1/pcb_3d.png}
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\caption{\label{fig:v11_pcb_3d_image}3D-Modell der zweiten Revision des PCBs}
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\caption{\label{fig:v11_pcb_3d_image}3D-Modell der Revision des PCBs}
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\end{figure}
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\end{figure}
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\FloatBarrier
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\FloatBarrier
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@ -118,7 +119,7 @@ weshalb auf diese hier nicht mehr eingegangen wird.
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\section{Vermessung der Revision}
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\section{Vermessung der Revision}
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In diesem Kapitel wird die zweite Revision der Platine
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In diesem Kapitel wird die Revision der Platine
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vermessen und auf weitere Fehler überprüft.
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vermessen und auf weitere Fehler überprüft.
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Es werden, wenn nicht anders beschrieben, dieselben Methoden wie aus Kapitel \ref{chap:measurements}
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Es werden, wenn nicht anders beschrieben, dieselben Methoden wie aus Kapitel \ref{chap:measurements}
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genutzt. Wo angemessen, sollen Vergleiche mit der vorherigen Version gezogen werden.
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genutzt. Wo angemessen, sollen Vergleiche mit der vorherigen Version gezogen werden.
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@ -216,9 +217,9 @@ aufgebaut wurden.
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\includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/V1.1-a1/bandwidths.png}
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\includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/V1.1-a1/bandwidths.png}
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\caption[Messungen der Übertragungsfunktionen
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\caption[Messungen der Übertragungsfunktionen
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der Platinen der zweiten Revision]{\label{fig:v11_measurement_bandwidth}
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der Platinen der Revision]{\label{fig:v11_measurement_bandwidth}
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Messungen der Übertragungsfunktionen
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Messungen der Übertragungsfunktionen
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der Platinen der zweiten Revision. Zu erkennen
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der Platinen der Revision. Zu erkennen
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ist die Abhängigkeit der Bandbreite vom Rückkoppelwiderstand.}
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ist die Abhängigkeit der Bandbreite vom Rückkoppelwiderstand.}
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\end{figure}
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\end{figure}
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@ -245,7 +246,7 @@ entnommen werden. Diese sind in Tabelle \ref{table:v11_bandwidths} dargestellt.
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\begin{table}[hb]
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\begin{table}[hb]
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\caption{\label{table:v11_bandwidths}-3dB-Frequenzen des ungefilterten
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\caption{\label{table:v11_bandwidths}-3dB-Frequenzen des ungefilterten
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TIV-Ausgangs der zweiten Revision}
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TIV-Ausgangs der Revision}
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\begin{tabular}{ |r|r|r| }
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\begin{tabular}{ |r|r|r| }
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\hline
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Widerstand & -3dB Punk \\
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Widerstand & -3dB Punk \\
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@ -268,13 +269,14 @@ ist erneut im Falle der $\SI{47}{\mega\ohm}$ Variante von Vorteil.
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Abbildung \ref{fig:v11_comparison_bandwidth} zeigt einen direkten Vergleich der
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Abbildung \ref{fig:v11_comparison_bandwidth} zeigt einen direkten Vergleich der
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Bandbreiten der TIV-Stufen der vorherigen und neuen Revison für
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Bandbreiten der TIV-Stufen der vorherigen und neuen Revison für
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die $\SI{47}{\mega\ohm}$ Variante. Der steilere Abfall sowie die
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die $\SI{47}{\mega\ohm}$ Variante. Der steilere Abfall sowie die
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leicht höhere -3dB-Frequenz der zweiten Revision
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leicht höhere -3dB-Frequenz der Revision
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ist hierbei deutlich zu erkennen.
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ist hierbei deutlich zu erkennen.
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\begin{figure}[ht]
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\begin{figure}[ht]
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\includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/revision_compare_bandwidth.png}
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\includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/revision_compare_bandwidth.png}
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\caption{\label{fig:v11_comparison_bandwidth}Vergleich der Bandbreiten der
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\caption[Vergleich der Bandbreiten der
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$\SI{47}{\mega\ohm}$ Varianten von der alten und neuen Revision]{\label{fig:v11_comparison_bandwidth}Vergleich der Bandbreiten der
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$\SI{47}{\mega\ohm}$ Varianten von der alten und neuen Revision.}
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$\SI{47}{\mega\ohm}$ Varianten von der alten und neuen Revision.}
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\end{figure}
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\end{figure}
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@ -301,8 +303,8 @@ Platinenrevision.
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\includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/V1.1-a1/noises.png}
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\includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/V1.1-a1/noises.png}
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\caption[Durchschnittliches Rauschspektrum der Platinen
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\caption[Durchschnittliches Rauschspektrum der Platinen
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der zweiten Revision]{\label{fig:v11_measurement_noise}Durchschnittliches Rauschspektrum der Platinen
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der Revision]{\label{fig:v11_measurement_noise}Durchschnittliches Rauschspektrum der Platinen
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der zweiten Revision.
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der Revision.
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Erkennbar ist die Abhängigkeit des Rauschlevels vom Rückkoppelwiderstand.
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Erkennbar ist die Abhängigkeit des Rauschlevels vom Rückkoppelwiderstand.
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Ebenefalls sind einige Frequenzen mit erhöhtem Rauschen erkennbar.}
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Ebenefalls sind einige Frequenzen mit erhöhtem Rauschen erkennbar.}
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\end{figure}
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\end{figure}
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@ -323,20 +325,21 @@ gleichen Frequenzen wie die Resonanzen in der Bandbreite. Somit ist zu vermuten,
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dass die gleiche Ursache für beide Effekte zuständig ist.
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dass die gleiche Ursache für beide Effekte zuständig ist.
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Abbildund \ref{fig:v11_v10_comparison_noise} zeigt den direkten
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Abbildund \ref{fig:v11_v10_comparison_noise} zeigt den direkten
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Vergleich der ungefilterten Rauschspektren der ersten und zweiten Revision
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Vergleich der ungefilterten Rauschspektren der ersten und Revision
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der $\SI{47}{\mega\ohm}$ Version des Schaltkreise.
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der $\SI{47}{\mega\ohm}$ Version des Schaltkreise.
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Trotz des kleineren Eingangsspannungsrauschens des ADA4817 liegt ein
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Trotz des kleineren Eingangsspannungsrauschens des ADA4817 liegt ein
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insgesamt leicht größeres Rauschniveau vor. Dies stimmt jedoch nur bei offenem
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insgesamt leicht größeres Rauschniveau vor. Dies stimmt jedoch nur bei offenem
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Eingang. Das Rauschen der ersten Revision mit dem LTC6268-10 vergrößert sich bei
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Eingang. Das Rauschen der ersten Revision mit dem LTC6268-10 vergrößert sich bei
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steigender Eingangskapazität, während das Rauschen der zweiten Revision
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steigender Eingangskapazität, während das Rauschen der Revision
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kaum von der Eingangskapazität abhängt (siehe Kapitel \ref{chap:v11_measurement_ims_stability}).
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kaum von der Eingangskapazität abhängt (siehe Kapitel \ref{chap:v11_measurement_ims_stability}).
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Unter realen Bedingungen ist somit das
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Unter realen Bedingungen ist somit das
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Rauschen der zweiten Revision besser.
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Rauschen der Revision besser.
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\begin{figure}[ht]
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\begin{figure}[ht]
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\centering
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\includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/revision_compare_noise.png}
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\includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/revision_compare_noise.png}
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\caption{\label{fig:v11_v10_comparison_noise}Vergleich des Rauschspektrums
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\caption[Vergleich des Rauschspektrums
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der Revisionen der $\SI{47}{\mega\ohm}$ Variante]{\label{fig:v11_v10_comparison_noise}Vergleich des Rauschspektrums
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der Revisionen der $\SI{47}{\mega\ohm}$ Variante.}
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der Revisionen der $\SI{47}{\mega\ohm}$ Variante.}
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\end{figure}
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\end{figure}
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@ -381,7 +384,7 @@ genutzte LTC6268-10.
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\end{tabular}
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\end{tabular}
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\end{table}
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\end{table}
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Insgesamt ist somit das Rauschen der zweiten Revision des TIVs nutzbar.
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Insgesamt ist somit das Rauschen der Revision des TIVs nutzbar.
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Zwar ist das Rauschen im Vergleich zur ersten Revision geringfügig erhöht, jedoch
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Zwar ist das Rauschen im Vergleich zur ersten Revision geringfügig erhöht, jedoch
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bieten alle Versionen der Schaltung mit Ausnahme des $\SI{20}{\mega\ohm}$ TIVs
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bieten alle Versionen der Schaltung mit Ausnahme des $\SI{20}{\mega\ohm}$ TIVs
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ein akzeptabel geringes Rauschen.
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ein akzeptabel geringes Rauschen.
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@ -389,7 +392,7 @@ ein akzeptabel geringes Rauschen.
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\subsection{Konsistenz des Schaltkreises}
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\subsection{Konsistenz des Schaltkreises}
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In diesem Abschnitt wird darauf eingegangen, wie wiederholbar
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In diesem Abschnitt wird darauf eingegangen, wie wiederholbar
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der Aufbau der zweiten Revision der Platine ist.
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der Aufbau der Revision der Platine ist.
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Ein wichtiger Aspekt des in dieser Arbeit entwickelten TIVs ist
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Ein wichtiger Aspekt des in dieser Arbeit entwickelten TIVs ist
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der reproduzierbare Aufbau ohne größere manuelle Abstimmungen der
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der reproduzierbare Aufbau ohne größere manuelle Abstimmungen der
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Abschirmung oder anderer Komponenten.
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Abschirmung oder anderer Komponenten.
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@ -403,7 +406,8 @@ diese Kopie dasselbe Verhalten aufweist wie die original vermessene Platine.
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\begin{figure}[h]
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\begin{figure}[h]
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\includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/V1.1-a1/bandwidth_consistency.png}
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\includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/V1.1-a1/bandwidth_consistency.png}
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\caption{\label{fig:v11_bandwidth_consistency_check}Vergleich der Bandbreiten
|
\caption[Vergleich der Bandbreiten
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zweier identischer TIV-Platinen]{\label{fig:v11_bandwidth_consistency_check}Vergleich der Bandbreiten
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zweier identischer TIV-Platinen.}
|
zweier identischer TIV-Platinen.}
|
||||||
\end{figure}
|
\end{figure}
|
||||||
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|
||||||
|
@ -493,12 +497,13 @@ den gleichen Messsystemen wie in den vorherigen Messungen (siehe Kapitel
|
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\includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/V1.1-a1/CascadeSeries/bandwidths.png}
|
\includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/V1.1-a1/CascadeSeries/bandwidths.png}
|
||||||
\caption[Übertragungsfunktionen eines
|
\caption[Übertragungsfunktionen eines
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$\SI{47}{\mega\ohm}$ TIVs mit varriierter Verstärkung der zweiten
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$\SI{47}{\mega\ohm}$ TIVs mit varriierter Verstärkung der zweiten
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Stufe der Kaskade.]{
|
Stufe der Kaskade]{
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||||||
\label{fig:v11_cascade_bandwidths}Übertragungsfunktionen eines
|
\label{fig:v11_cascade_bandwidths}Übertragungsfunktionen eines
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$\SI{47}{\mega\ohm}$ TIVs mit varriierter Verstärkung der zweiten
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$\SI{47}{\mega\ohm}$ TIVs mit varriierter Verstärkung der zweiten
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Stufe der Kaskade. Erkennbar ist ein starker Einfluss auf die
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Stufe der Kaskade. Erkennbar ist ein starker Einfluss auf die
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Bandbreite.}
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Bandbreite.}
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\end{figure}
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\end{figure}
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\todo{Use ratio of amp}
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Abbildung \ref{fig:v11_cascade_bandwidths} zeigt die Übertragungsfunktionen
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Abbildung \ref{fig:v11_cascade_bandwidths} zeigt die Übertragungsfunktionen
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der getesteten Varianten.
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der getesteten Varianten.
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@ -520,7 +525,9 @@ wichtig. Höhere Bandbreiten werden durch die Filterstufe entfernt.
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\begin{figure}[h]
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\begin{figure}[h]
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\centering
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\centering
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\includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/V1.1-a1/CascadeSeries/noises.png}
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\includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/V1.1-a1/CascadeSeries/noises.png}
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\caption{\label{fig:v11_cascade_noises}Rauschspektren eines
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\caption[Rauschspektren eines
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$\SI{47}{\mega\ohm}$ TIVs mit varriierter Verstärkung der zweiten
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Stufe der Kaskade]{\label{fig:v11_cascade_noises}Rauschspektren eines
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$\SI{47}{\mega\ohm}$ TIVs mit varriierter Verstärkung der zweiten
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$\SI{47}{\mega\ohm}$ TIVs mit varriierter Verstärkung der zweiten
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Stufe der Kaskade.}
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Stufe der Kaskade.}
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\end{figure}
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\end{figure}
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@ -542,7 +549,7 @@ werden, d.h. die zweite Stufe so klein wie möglich, um das Rauschen zu verminde
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\section{Fazit}
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\section{Fazit}
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Die zweite Revision korrigiert erfolgreich die Instabilität, welche in der ersten Revision
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Die Revision korrigiert erfolgreich die Instabilität, welche in der ersten Revision
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festgestellt wurde.
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festgestellt wurde.
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In den restlichen Parametern schneidet sie vergleichbar gut wie die erste Revision ab.
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In den restlichen Parametern schneidet sie vergleichbar gut wie die erste Revision ab.
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Zudem lässt sich durch die korrekte Einstellung der Verstärkungsverteilung der kaskadierten
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Zudem lässt sich durch die korrekte Einstellung der Verstärkungsverteilung der kaskadierten
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@ -64,7 +64,7 @@ der Messung vom Sollwert.
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\begin{figure}[H]
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\begin{figure}[H]
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\centering
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\centering
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\includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/1G_47M_Linearity.png}
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\includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/1G_47M_Linearity.png}
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\caption[Messergebnisse der Linearitätsmessung.]{\label{fig:measurement_v1_linearity}
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\caption[Messergebnisse der Linearitätsmessung]{\label{fig:measurement_v1_linearity}
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Messergebnisse der Linearitätsmessung des $\SI{47}{\mega\ohm}$ TIVs.
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Messergebnisse der Linearitätsmessung des $\SI{47}{\mega\ohm}$ TIVs.
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Es sind wie gewünscht keine merklichen Nichtlinearitäten zu erkennen.}
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Es sind wie gewünscht keine merklichen Nichtlinearitäten zu erkennen.}
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\end{figure}
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\end{figure}
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@ -94,30 +94,30 @@ Einknicken der Ausgangsspannung zu erkennen. Dies lässt sich durch die Versorgu
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des Verstärkers erklären, welche bei ca. $\SI{\pm2.5}{\volt}$ liegt, wodurch die
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des Verstärkers erklären, welche bei ca. $\SI{\pm2.5}{\volt}$ liegt, wodurch die
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Ausgangsspannung begrenzt ist.
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Ausgangsspannung begrenzt ist.
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In Zusammenfassung ist die Linearität des Schaltkreises mehr als Ausreichend, und
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In Zusammenfassung ist die Linearität des Schaltkreises mehr als ausreichend und
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für den gewünschten Eingangsstrom von $\SI{\pm1}{\nano\ampere}$ liegt ein komplett
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für den gewünschten Eingangsstrom von $\SI{\pm1}{\nano\ampere}$ liegt ein komplett
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lineares Verhalten vor.
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lineares Verhalten vor.
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\subsection{Bandbreite}
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\subsection{Bandbreite}
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\label{chap:v10_measurement_bandwidth}
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\label{chap:v10_measurement_bandwidth}
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In diesem Abschnitt wird die Bandbreite des Systems untersucht.
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Nun wird die Übertratungsfunktion der TIVs betrachtet.
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Hierbei wird sowohl die Bandbreite der TIV-Stufe ohne Filterung,
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Hierbei werden sowohl die Bandbreite der TIV-Stufe ohne Filterung,
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als auch die gesamte Bandbreite mit Filterung, vermessen.
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als auch die gesamte Bandbreite mit Filterung vermessen.
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Für einen Verstärker wie den TIV ist eine Übertragungsfunktion
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Für einen Verstärker wie den TIV ist eine Übertragungsfunktion
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gewünscht, welche möglichst flach verläuft und erst ab einer
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gewünscht, welche möglichst flach verläuft und erst ab einer
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gewissen Grenzfrequenz dann möglichst steil abfällt.
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gewissen Grenzfrequenz dann möglichst steil abfällt.
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Der glatte Verlauf unterhalb der Grenzfrequenz erlaubt für eine
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Der glatte Verlauf unterhalb der Grenzfrequenz erlaubt für eine
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||||||
verzerrungsfreie Übertragung eines Signals, während der steile
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verzerrungsfreie Übertragung eines Signals, während der steile
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Abfall nach der Grenzfrequenz ungewünschte Signale heraus filtert.
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Abfall nach der Grenzfrequenz ungewünschte Signale herausfiltert.
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Die Übertragungsfunktionen werden mithilfe eines {\em Analog Discovery Pro 3}
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Die Übertragungsfunktionen werden mithilfe eines {\em Analog Discovery Pro 3}
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Oszilloskop + Funktionsgenerator aufgenommen.
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Oszilloskop + Funktionsgenerator aufgenommen.
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||||||
Der Ausgang des Funktionsgenerators an eine Photodiodenbox angeschlossen,
|
Der Ausgang des Funktionsgenerators wird an eine Photodiodenbox angeschlossen,
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welche die Ausgangsspannung des Generators auf einen Strom im Bereich von
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welche die Ausgangsspannung des Generators auf einen Strom im Bereich von
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0 bis $\SI{0.7}{\nano\ampere}$ umwandelt. Der Frequenzgang dieser Box ist hierbei
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0 bis $\SI{0.7}{\nano\ampere}$ umwandelt. Der Frequenzgang dieser Box ist hierbei
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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
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nicht weiter beachtet werden. Der Ausgang der Photodioden-Box wird an den Eingang
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nicht weiter beachtet werden. Der Ausgang der Photodioden-Box wird an den Eingang
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||||||
des TIVs angeschlossen. Der gefilterte und ungefilterte Ausgang des TIVs werden
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des TIVs angeschlossen. Der gefilterte und ungefilterte Ausgang des TIVs werden
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jeweils mit dem {\em Analog Discovery Pro 3} vermessen.
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jeweils mit dem {\em Analog Discovery Pro 3} vermessen.
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||||||
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@ -166,7 +166,7 @@ Die gemessenen
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Die Übertragungsfunktionen aller drei Platinen weisen akzeptables Verhalten
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Die Übertragungsfunktionen aller drei Platinen weisen akzeptables Verhalten
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auf, d.h. einen glatten Verlauf vor der Grenzfrequenz und einen
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auf, d.h. einen glatten Verlauf vor der Grenzfrequenz und einen
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Abfall von ca. -20dB/Dekade. Lediglich die Grenzfrequenz des
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Abfall von ca. -20dB/Dekade. Lediglich die Grenzfrequenz des
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||||||
$\SI{120}{\mega\ohm}$ Schaltkreises ist relativ gering, und bietet somit
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$\SI{120}{\mega\ohm}$ Schaltkreises ist relativ gering und bietet somit
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wenig Spielraum für die nachfolgende Filterung.
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wenig Spielraum für die nachfolgende Filterung.
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Ebenfalls von Interesse ist die Übertragungsfunktion des gefilterten Ausgangs.
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Ebenfalls von Interesse ist die Übertragungsfunktion des gefilterten Ausgangs.
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@ -178,7 +178,7 @@ dargestellt.
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\centering
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\centering
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\includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/bandwidth_ch2.png}
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\includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/bandwidth_ch2.png}
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\caption[Übertragungsfunktionen des gefilterten Ausgangs
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\caption[Übertragungsfunktionen des gefilterten Ausgangs
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der Platinen bei variiertem Rückkoppelwiderstand.]{
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der Platinen bei variiertem Rückkoppelwiderstand]{
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\label{fig:v10_bandwidths_ch2}Übertragungsfunktionen des gefilterten Ausgangs
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\label{fig:v10_bandwidths_ch2}Übertragungsfunktionen des gefilterten Ausgangs
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der Platinen bei variiertem Rückkoppelwiderstand. Zu erkennen ist die Eckfrequenz
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der Platinen bei variiertem Rückkoppelwiderstand. Zu erkennen ist die Eckfrequenz
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des Filters bei $\SI{30}{\kilo\hertz}$}
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des Filters bei $\SI{30}{\kilo\hertz}$}
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@ -187,9 +187,9 @@ dargestellt.
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||||||
Die Auslegung der Filterstufe soll erst ab der Grenzfrequenz
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Die Auslegung der Filterstufe soll erst ab der Grenzfrequenz
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von $\SI{30}{\kilo\hertz}$ einen Abfall von -40dB/Dekate einbringen,
|
von $\SI{30}{\kilo\hertz}$ einen Abfall von -40dB/Dekate einbringen,
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||||||
wobei Frequenzen unterhalb der Grenzfrequenz nicht beeinflusst werden sollten.
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wobei Frequenzen unterhalb der Grenzfrequenz nicht beeinflusst werden sollten.
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||||||
Diese Verhalten ist auch deutlich in der Messung zu erkennen. Die -3dB-Frequenzen
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Dieses Verhalten ist auch deutlich in der Messung zu erkennen. Die -3dB-Frequenzen
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der gefilterten Ausgänge sind in Tabelle \ref{table:v10_bandwidth_filters} aufgelistet.
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der gefilterten Ausgänge sind in Tabelle \ref{table:v10_bandwidth_filters} aufgelistet.
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||||||
Wie bereits theorisiert ist die Bandbreite der $\SI{120}{\mega\ohm}$-Variante zu gering
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Wie bereits theorisiert, ist die Bandbreite der $\SI{120}{\mega\ohm}$-Variante zu gering
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für die vollen $\SI{30}{\kilo\hertz}$. Die anderen beiden Varianten besitzen
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für die vollen $\SI{30}{\kilo\hertz}$. Die anderen beiden Varianten besitzen
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genug Bandbreite.
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genug Bandbreite.
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@ -215,7 +215,7 @@ Die Eckfrequenz des Filters sowie der -40dB/Dekade-Abfall ist deutlich zu erkenn
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\centering
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\centering
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\includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/bandwidth_filter_compare.png}
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\includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/bandwidth_filter_compare.png}
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||||||
\caption[Vergleich der Übertragungsfunktion
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\caption[Vergleich der Übertragungsfunktion
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des gefilterten und ungefilterten Ausangs des $\SI{47}{\mega\ohm}$ TIVs.]{
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des gefilterten und ungefilterten Ausangs des $\SI{47}{\mega\ohm}$ TIVs]{
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\label{fig:v10_bandwidth_filter_compare}Vergleich der Übertragungsfunktion
|
\label{fig:v10_bandwidth_filter_compare}Vergleich der Übertragungsfunktion
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des gefilterten und ungefilterten Ausangs des $\SI{47}{\mega\ohm}$ TIVs.
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des gefilterten und ungefilterten Ausangs des $\SI{47}{\mega\ohm}$ TIVs.
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||||||
Die Filterung ist deutlich ab $\SI{30}{\kilo\hertz}$ zu erkennen, mit
|
Die Filterung ist deutlich ab $\SI{30}{\kilo\hertz}$ zu erkennen, mit
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@ -228,7 +228,9 @@ Die Eckfrequenz des Filters sowie der -40dB/Dekade-Abfall ist deutlich zu erkenn
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\subsubsection{Einfluss der Abschirmung}
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\subsubsection{Einfluss der Abschirmung}
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\label{chap:measurements_v10_shielding}
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\label{chap:measurements_v10_shielding}
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In diesem Abschnitt wird der Einfluss der Abschirmung genauer untersucht.
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Ein relevantes Element des Schaltungsdesigns ist die Abschirmung, welche
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zum Ausgleich der parasitären Kapazitäten ausgelegt wurde.
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Der konkrete Effekt dieser Abschirmung wird nun betrachtet.
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Um diesen zu messen, werden die Abschirmungselektroden durch Änderung
|
Um diesen zu messen, werden die Abschirmungselektroden durch Änderung
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des Widerstandsteilers auf zu hohe/zu niedrige Spannungen
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des Widerstandsteilers auf zu hohe/zu niedrige Spannungen
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im Vergleich zum Sollwert gelegt.
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im Vergleich zum Sollwert gelegt.
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@ -258,7 +260,7 @@ gewünscht.
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Die flachste, und somit am besten geeignetste, Übertragungsfunktion ergibt
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Die flachste, und somit am besten geeignetste, Übertragungsfunktion ergibt
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sich mit einer leicht zu hohen Filterspannung, zwischen x1 und x1.1.
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sich mit einer leicht zu hohen Filterspannung, zwischen x1 und x1.1.
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Dies lässt sich leicht mit der E24-Serie von Widerständen erreichen, und benötigt
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Dies lässt sich leicht mit der E24-Serie von Widerständen erreichen und benötigt
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||||||
somit keine teureren Widerstände zur Einstellung der Abschirmung.
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somit keine teureren Widerstände zur Einstellung der Abschirmung.
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||||||
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Hieraus kann geschlossen werden, dass die Abschirmungen einen merklichen und wichtigen Einfluss auf
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Hieraus kann geschlossen werden, dass die Abschirmungen einen merklichen und wichtigen Einfluss auf
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@ -269,8 +271,9 @@ notwendig für die Funktionalität des TIVs.
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\subsubsection{Messung ohne Abschirmung}
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\subsubsection{Messung ohne Abschirmung}
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In diesem Kapitel soll die Übertragungsfunktion der Variante
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Um zu bestätigen dass die Abschirmung notwendig ist, wird
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ohne Abschirmung vermessen werden.
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eine PCB-Variante ohne jegliche Abschirmungen angefertigt,
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und dessen Übertragungsfunktion sollte vermessen werden.
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Dies war jedoch nicht möglich, da die Platine keinen stabilen Ausgang
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Dies war jedoch nicht möglich, da die Platine keinen stabilen Ausgang
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besaß. Der Ausgangspegel des TIVs ohne Abschirmung der Rückkoppelwiderstände
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besaß. Der Ausgangspegel des TIVs ohne Abschirmung der Rückkoppelwiderstände
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bildet eine Rechteckwelle aus,
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bildet eine Rechteckwelle aus,
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@ -283,41 +286,41 @@ dargestellt.
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\begin{figure}[hb]
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\begin{figure}[hb]
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\centering
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\centering
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\includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/unshielded_47M.png}
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\includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/unshielded_47M.png}
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||||||
\caption[Ausgangsspannung des TIV-Schaltkreises ohne Abschirmung.]{\label{fig:v10_unshielded_waveform}
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\caption[Ausgangsspannung des TIV-Schaltkreises ohne Abschirmung]{\label{fig:v10_unshielded_waveform}
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Ausgangsspannung des TIV-Schaltkreises ohne Abschirmung.
|
Ausgangsspannung des TIV-Schaltkreises ohne Abschirmung.
|
||||||
Deutlich zu erkennen ist die starke Oszillation der Ausgangsspannung,
|
Deutlich zu erkennen ist die starke Oszillation der Ausgangsspannung,
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||||||
welche bis an die Spannungsgrenzen des Ausgangs geht.}
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welche bis an die Spannungsgrenzen des Ausgangs geht.}
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\end{figure}
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\end{figure}
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||||||
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||||||
Deutlich zu erkennen ist die oszilliernde Natur
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Die oszilliernde Natur
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der Spannung. Die Wellenform ist zu erklären durch den Einfluss parasitärer
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der Spannung ist deutlich zu erkennen. Die Wellenform ist durch den Einfluss parasitärer
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||||||
Erdungskapazitäten auf die hochohmigen Potentiale der Rückkoppelwiderstände.
|
Erdungskapazitäten auf die hochohmigen Potentiale der Rückkoppelwiderstände zu erklären.
|
||||||
Dies wurde bereits in Kapitel \ref{chap:r_para_mitigations} theorisiert, und
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Dies wurde bereits in Kapitel \ref{chap:r_para_mitigations} theorisiert und
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||||||
die Messungen in \ref{chap:measurements_v10_shielding} wiesen auch auf eine Instabilität
|
die Messungen in \ref{chap:measurements_v10_shielding} wiesen auch auf eine Instabilität
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||||||
bei zu kleiner Abschirmung hin.
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bei zu kleiner Abschirmung hin.
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||||||
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,
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||||||
dass die bestehende Abschirmungsgeometrie ausreichend ist um diese Instabilität zu vermeiden.
|
dass die bestehende Abschirmungsgeometrie ausreichend ist um diese Instabilität zu vermeiden.
|
||||||
Eine Operation gänzlich ohne Abschirmungselektroden ist nicht möglich.
|
Eine Operation gänzlich ohne Abschirmungselektroden ist nicht möglich.
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\FloatBarrier
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\clearpage
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\newpage
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\subsection{Rauschen}
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\subsection{Rauschen}
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\label{chap:v10_measurement_noise}
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\label{chap:v10_measurement_noise}
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In diesem Abschnitt wird das Rauschen des Schaltkreises genauer untersucht.
|
Das Rauschverhalten ist relevant für die Signalqualität und somit für die
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Das Rauschverhalten ist relevant für die Signalqualität, und somit für die
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Detektionsgrenzen, welche erreicht werden können. Aus diesem Grund wird dieses
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Detektionsgrenzen, welche erreicht werden können. Generell sind niedrigere
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nun genauer vermessen.
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Generell sind niedrigere
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Rauschwerte besser, wobei auch die Verteilung der Rauschenergie relevant ist,
|
Rauschwerte besser, wobei auch die Verteilung der Rauschenergie relevant ist,
|
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d.h. ob es gewisse Frequenzen mit Spitzen oder Frequenbereiche mit erhöhtem
|
d.h. ob es gewisse Frequenzen mit Spitzen oder Frequenbereiche mit erhöhtem
|
||||||
oder niedrigerem Rauschen gibt.
|
oder niedrigerem Rauschen gibt.
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||||||
Um das Rauschen der Platinen auf zu nehmen, wird der Eingang des TIVs
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Um das Rauschen der Platinen aufzunehmen, wird der Eingang des TIVs
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mit einer Abschirmkappe abgedeckt. Zusätzlich wird der Aufbau in ein Metallgehäuse
|
mit einer Abschirmkappe abgedeckt. Zusätzlich wird der Aufbau in ein Metallgehäuse
|
||||||
eingebaut, um äußere Störsignale zu verringern.
|
eingebaut, um äußere Störsignale zu verringern.
|
||||||
Es wird für jede Platine das FFT-Spektrum von
|
Es wird für jede Platine das FFT-Spektrum von
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||||||
$\SI{500}{\hertz}$ bis $\SI{1}{\mega\hertz}$ aufgenommen, wobei jeweils 1000 Spektren
|
$\SI{500}{\hertz}$ 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
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||||||
des Rauschens zu berechnen. Die aufgenommenen Spektren sind in
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des Rauschens zu berechnen. Die aufgenommenen Spektren sind in
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Abbildung \ref{fig:v10_noises_ch1} dargestellt.
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Abbildung \ref{fig:v10_noises_ch1} dargestellt.
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@ -326,7 +329,7 @@ Abbildung \ref{fig:v10_noises_ch1} dargestellt.
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\includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/noises.png}
|
\includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/noises.png}
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\caption[Durchschnittliches Rauschspektrum
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\caption[Durchschnittliches Rauschspektrum
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des ungefilterten Ausgangs
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des ungefilterten Ausgangs
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der drei Platinen.]{\label{fig:v10_noises_ch1}Durchschnittliches Rauschspektrum
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der drei Platinen]{\label{fig:v10_noises_ch1}Durchschnittliches Rauschspektrum
|
||||||
des ungefilterten Ausgangs
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des ungefilterten Ausgangs
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der drei Platinen bei abgeschirmtem, offenem Eingang.
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der drei Platinen bei abgeschirmtem, offenem Eingang.
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||||||
Die gleichmäßige Verteilung des Rauschens ist sichtbar.}
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Die gleichmäßige Verteilung des Rauschens ist sichtbar.}
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@ -336,10 +339,10 @@ Deutlich zu erkennen ist die Abhängigkeit des Rauschens von der Widerstands-Gr
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welches der Vorhersage aus Kapitel \ref{chap:r_noise} entspricht.
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welches der Vorhersage aus Kapitel \ref{chap:r_noise} entspricht.
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Das Rauschen ist bei allen drei Platinen relativ gleichmäßig
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Das Rauschen ist bei allen drei Platinen relativ gleichmäßig
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||||||
verteilt, mit einer flachen Spitze bei ca. $\SI{30}{\kilo\hertz}$.
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verteilt, mit einer flachen Spitze bei ca. $\SI{30}{\kilo\hertz}$.
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Es sind keine Frequenz-Spitzen zu erkennen, und keine Resonanzen.
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Es sind keine Frequenz-Spitzen und keine Resonanzen zu erkennen.
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Zusätzlich wird das Verhalten der Filter-Stufe auf das Rauschen
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Zusätzlich wird das Verhalten der Filter-Stufe auf das Rauschen
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betrachtet. Es wird mithilfe des selben Messaufbaus das Rauschen
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betrachtet. Mithilfe des selben Messaufbaus wird das Rauschen
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des gefilterten Ausgangs aufgenommen und aufgezeichnet. Abbildung
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des gefilterten Ausgangs aufgenommen und aufgezeichnet. Abbildung
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\ref{fig:v10_noises_ch2} zeigt die aufgenommenen Spektren.
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\ref{fig:v10_noises_ch2} zeigt die aufgenommenen Spektren.
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