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Replace TIA with TIV to be more unified

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xaseiresh 2024-08-14 11:57:49 +02:00
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14
TeX/Kapitel/Auslegung.tex
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@ -639,7 +639,7 @@ Hierfür werden zwei Möglichkeiten hinzu gezogen:
Von Vorteil ist der simple
Schaltungsaufbau sowie die gute Stabilität, da jede Stufe in sich
stabil designt werden kann, und alle außer die erste Stufe als reguläre
Verstärker, nicht als TIA, ausgelegt werden können.
Verstärker, nicht als TIV, ausgelegt werden können.
Nachteilhaft sind die akkumulierenden Fehler der OpAmps, welche mit jeder
zusätzlichen Stufe anwachsen.
@ -668,11 +668,11 @@ untersuchen zu können.
Die Arbeitsweise dieser Verschaltung ist wie folgt:
\begin{enumerate}
\item Der OpAmp U1 verstärkt die am Eingang anliegende Spannungsdifferenz, welche vom
TIA-Eingangsstrom und Masse generiert wird
TIV-Eingangsstrom und Masse generiert wird
\item Die Ausgangsspannung von U1 wird durch OpAmp U2 weiter verstärkt.
U2 besitzt hierbei eine feste Verstärkung, welche durch den Widerstandsteiler Rx/Rx
festgelegt wird.
\item Der Ausgang von U2 wird über den Rückkoppelwiderstand an den TIA Ausgang angelegt.
\item Der Ausgang von U2 wird über den Rückkoppelwiderstand an den TIV Ausgang angelegt.
Hierdurch wird die Verstärkerschleife geschlossen.
\item U1 regelt nun seinen eigenen Ausgang so, dass der Ausgang von U2 die
Eingangsspannung ausgleicht. Da U2 eine festgelegte Verstärkung besitzt,
@ -704,14 +704,14 @@ zu einem nutzbaren Gesamt-GBWP führen kann.
\subsubsection{OpAmp-Rauschen}
\label{chap:opamp_noise}
In diesem Abschnitt wird das Rauschen der OpAmps in Bezug auf die TIA-Schaltung
In diesem Abschnitt wird das Rauschen der OpAmps in Bezug auf die TIV-Schaltung
genauer untersucht.
Die bereits in Kapitel \ref{chap:basics_opamp} dargelegten parasitären Effekte haben
unterschiedliche Auswirkungen auf den Schaltkreis und das Rauschniveau,
welche hier dargestellt werden sollen.
Das eingangsbezogene Stromrauschen des OpAmps hat einen direkten Effekt auf das gemessene
Signal. Da der Eingang des TIA Ströme misst, wird das Stromrauschen lediglich auf das
Signal. Da der Eingang des TIV Ströme misst, wird das Stromrauschen lediglich auf das
Eingangssignal hinzu addiert und mit Verstärkt. Eine Reduzierung des Effektes des Stromrauschens
ist somit nicht möglich, lediglich die Auswahl eines OpAmps mit wenig Rauschen ist hierfür relevant.
Mit hochperformanten OpAmps liegen typische Stromrausch-Werte im Bereich von
@ -719,14 +719,14 @@ circa $\SI{10}{\femto\ampere\per\sqrt{\hertz}}$, welches mit der geforderten
Bandbreite von $\SI{30}{\kilo\hertz}$ ungefähr ein eingangsbezogenes Rauschen von $\SI{1.73}{\pico\ampere}$ erzeugt.
Das Spannungsrauschen des OpAmp ist etwas komplexer.
Am Eingang des TIAs interagiert dieses Rauschen mit der parasitären Eingangskapazität, und wirkt
Am Eingang des TIVs interagiert dieses Rauschen mit der parasitären Eingangskapazität, und wirkt
somit als zusätzliches Stromrauschen, entsprechend der Formel $I = U \cdot 2\pi f \cdot C$.
Dieses Rauschen steigt somit sowohl mit größerer Eingangskapazität, als auch mit der Frequenz.
Mithilfe einer LTSpice-Simulation wird dieses Rauschverhalten genauer charakterisiert.
Hierbei wird die in Abbildung \ref{fig:opamp_vin_noise_schematic} dargestellte Schaltung verwendet.
Als OpAmp wird dabei der LTC6268-10 gewählt. Dies ist ein kommerziell erhältlicher OpAmp mit
genügend GBWP und kleinen Eingangsleckströmen, um als TIA nutzbar zu sein.
genügend GBWP und kleinen Eingangsleckströmen, um als TIV nutzbar zu sein.
\begin{figure}[h]
\centering

60
TeX/Kapitel/Auslegung/Schaltungsdesign.tex
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@ -3,18 +3,18 @@
In diesem Kapitel wird der Aufbau einer ersten Prototypen-Schaltung beschrieben.
Anhand der in Kapitel \ref{chap:tia_design_goals} festgelegten Zielwerte und der in den
vorherigen Kapitel ermittelten parasitären Effekten und Kompensationsmöglichkeiten werden
konkrete Bauteile für die Konstruktion eines ersten TIA verglichen und ausgewählt. Hiernach
wird die Schaltung des TIAs ausgelegt und dessen Funktionsweise erläutert.
konkrete Bauteile für die Konstruktion eines ersten TIV verglichen und ausgewählt. Hiernach
wird die Schaltung des TIVs ausgelegt und dessen Funktionsweise erläutert.
\subsection{TIA}
\subsection{TIV}
\subsubsection{OpAmp Auswahl}
\label{chap:v10_opamp_choice}
In diesem Abschnitt wird auf die genaue Auswahl eines OpAmp für den hochimpedanten
TIA-Eingang eingegangen.
TIV-Eingang eingegangen.
Dieser OpAmp legt viele wichtige Systemparameter fest, und
bestimmt maßgeblich das Verhalten und das Rauschniveau des TIAs selbst.
bestimmt maßgeblich das Verhalten und das Rauschniveau des TIVs selbst.
Zusammengefasst sind folgende Parameter von Bedeutung:
\begin{itemize}
@ -24,7 +24,7 @@ Zusammengefasst sind folgende Parameter von Bedeutung:
sollte der Leckstrom höchstens wenige $\SI{}{\pico\ampere}$ betragen, um
die Messung nicht zu beeinflussen.
\item Hohes GBWP. Eine hohe Verstärkerbandbreite ist notwendig, um bei
den hohen Verstärkungen des TIA stabil zu bleiben (siehe Kapitel \ref{chap:basics_opamp})
den hohen Verstärkungen des TIV stabil zu bleiben (siehe Kapitel \ref{chap:basics_opamp})
\item Niedriges Rauschen. Da das OpAmp-Spannungsrauschen mit der Eingangskapazität
interagiert, ist ein geringes Rauschen ein wichtiger Auswahlfaktor (siehe Kapitel \ref{chap:opamp_noise}).
\end{itemize}
@ -60,12 +60,12 @@ erreichen kann.
Dies vereinfacht den Schaltungsaufbau und bietet weniger Fehlerquellen.
Es wird somit für diese Schaltung der LTC6268-10 gewählt.
\subsubsection{TIA-Schaltung}
\subsubsection{TIV-Schaltung}
\label{chap:tia_circuit_design}
In diesem Unterkapitel wird nun die konkrete Schaltung des TIAs erstellt.
In diesem Unterkapitel wird nun die konkrete Schaltung des TIVs erstellt.
Der Grundlegende Aufbau eines TIA-Schaltkreises wurde bereits in Kapitel
Der Grundlegende Aufbau eines TIV-Schaltkreises wurde bereits in Kapitel
\ref{chap:basics_tia} beschrieben. Da der LTC6268-10 ein ausreichendes
GBWP von $\SI{4}{\giga\hertz}$ hat, ist entsprechend Kapitel
\ref{chap:effects_opamp} keine kaskadierte Schaltung notwendig.
@ -89,11 +89,11 @@ werden experimentell erprobt, um eine gute Balance der Eigenschaften zu bieten.
\begin{figure}[h]
\centering
\includegraphics[width=0.9\linewidth]{Auslegung/v1.0/tia_stage.png}
\caption{\label{fig:tia_v1_design}Schematischer Schaltkreis des TIAs}
\caption{\label{fig:tia_v1_design}Schematischer Schaltkreis des TIVs}
\end{figure}
Die Auslegung der Schaltung ist in Abbildung \ref{fig:tia_v1_design} zu sehen.
U2 ist hierbei der TIA-Verstärker, wofür der bereits erwähnte LTC6268-10 genutzt
U2 ist hierbei der TIVs, wofür der bereits erwähnte LTC6268-10 genutzt
wird. Die Rückkoppelwiderstände sind R15, R16, R17, R18, welche in einer
Reihe geschaltet werden um den Einfluss der Parallelkapazitäten zu verringern.
Die Feldabschirmung wird hierbei durch Widerstände R10 bis R13 und R20 bis R23
@ -121,15 +121,15 @@ weitere Abschirmungspfade verringert werden.
\begin{figure}[h]
\centering
\includegraphics[width=0.7\textwidth]{Auslegung/v1.0/tia_pcb.png}
\caption{\label{fig:tia_v1_pcb}Platinendesign der TIA-Schaltung}
\caption{\label{fig:tia_v1_pcb}Platinendesign der TIV-Schaltung}
\end{figure}
Abbildung \ref{fig:tia_v1_pcb} zeigt das Design der Platine für den Teil
des TIAs selbst. Der Messeingang ist hierbei der runde Kreis des inneren
des TIVs selbst. Der Messeingang ist hierbei der runde Kreis des inneren
Anschlusses der SMA-Buchse. Dieser ist möglichst eng an den Verstärker U2
sowie der Kaskade der Rückkoppelwiderstände angeschlossen.
Um den gesamten hochimpedanten Bereich wird der Lötstopplack entfernt,
und der Bereich des TIA-Eingangs wird mit einem geerdeten Pfad umgeben,
und der Bereich des TIV-Eingangs wird mit einem geerdeten Pfad umgeben,
um Oberflächenladungen und Leckströme ableiten zu können.
Die Abschirmungselektroden der Widerstände werden aus mehreren Kupferlagen
@ -160,8 +160,8 @@ ersetzt, um keine zusätzliche Erdkapazität in den hochimpedanten Pfad ein zu k
\subsection{Unterstützende Schaltungen}
In den folgenden Paragraphen werden weitere unterstützende Schaltungen
beschrieben, welche für die korrekte Funktionsweise des TIA nötig sind,
jedoch selbst nicht kritisch für die Charakteristik des TIAs sind, da
beschrieben, welche für die korrekte Funktionsweise des TIV nötig sind,
jedoch selbst nicht kritisch für die Charakteristik des TIVs sind, da
sie ohne große Anforderungen an Präzision o.ä. erstellt werden können.
Dieser Schaltungselemente werden somit kurz und der vollständigkeit
halber beschrieben.
@ -176,11 +176,11 @@ wobei der parasitäre RC-Filter einen Abfall von -20dB/Dekate besitzt.
Da bekannt ist dass das zu messende Signal mit einer Bandbreite von $\SI{30}{\kilo\hertz}$
vor liegt, können alle Frequenzen hierüber möglichst stark gedämpft werden.
Dies verringert das Rauschniveau, da die TIA-Schaltung selbst ein recht breites
Dies verringert das Rauschniveau, da die TIV-Schaltung selbst ein recht breites
Rauschspektrum bis in die obigen $\SI{100}{\kilo\hertz}$ besitzt. Hierfür können
aktive Filter verwendet werden, welche mithilfe von OpAmps, Widerständen und Kapazitäten
wesentlich schneller abfallende Frequenzgänge erreichen können als herkömmliche RC-Filter.
Diese Filter werden an den Ausgang des TIA angeschlossen.
Diese Filter werden an den Ausgang des TIV angeschlossen.
Für diese Anwendung wird ein sog. Butterworth-Filter mit zwei Stufen gewählt. Dieser
Filter bietet einen flachen Frequenzgang mit steilem Abfall von -80dB/Dekade ab der
@ -234,7 +234,7 @@ Diese Stufe ist in Abbildung \ref{fig:design_output_driver} dar gestellt.
\subsubsection{Spannungsversorgung}
\label{chap:power_supply_design}
Für die korrekte Operation des TIA müssen die für die Verstärker benötigten Spannungen
Für die korrekte Operation des TIV müssen die für die Verstärker benötigten Spannungen
bereit gestellt werden. Hierbei ist eine hohe Qualität, d.h. ein stabiles Spannungsniveau auch
unter Last sowie ein möglichst geringes Rauschen der Versorgung, notwendig. Zudem ist
eine differentielle Spannungsversorgung notwendig.
@ -250,13 +250,13 @@ Um all dies zu erreichen, wird die Spannungsversorgung aus zwei Stufen aufgebaut
effektiv. Der duale Spannungsausgang des Wandlers vereinfacht zudem die Versorgung
der Verstärker. Von Nachteil ist ein recht hoher Rauschanteil am Ausgang des Wandlers.
Der Schaltkreis des DC/DC-Wandlers ist in Abbildung \ref{fig:design_power_dcdc} dargestellt.
\item Um das Rauschniveau zu reduzieren, und um den TIA-OpAmp mit der korrekten
\item Um das Rauschniveau zu reduzieren, und um den TIV-OpAmp mit der korrekten
Spannung versorgen zu können, wird ein Linearregler genutzt. Dieser Typ von Regler
bietet einen sehr stabilen und rauscharmen Ausgang, und eignet sich somit gut für die
Versorgung von sensitiven Bauteilen.
Ein dedizierter Zweikanal-Linearregler, der {\em LT3032}, wird über einen
RC-Filter mit der DC/DC-Spannung versorgt, und liefert die
notwendigen Spannungen für den TIA selbst. Dieser Regler ist speziell für
notwendigen Spannungen für den TIV selbst. Dieser Regler ist speziell für
niedrige Rauschlevel konzipiert, und ist somit bestens für die Bereitstellung
einer stabilen Spannung geeignet.
Der Schaltkreis des Linearreglers ist in Abbildung \ref{fig:design_power_ldo} dargestellt.
@ -271,7 +271,7 @@ Um all dies zu erreichen, wird die Spannungsversorgung aus zwei Stufen aufgebaut
\begin{figure}[H]
\centering
\includegraphics[width=0.8\linewidth]{Auslegung/power_ldo.png}
\caption{\label{fig:design_power_ldo}Schaltkreis des Linearreglers der TIA-Versorgung}
\caption{\label{fig:design_power_ldo}Schaltkreis des Linearreglers der TIV-Versorgung}
\end{figure}
\subsection{Auslegung des PCB}
@ -283,11 +283,11 @@ zu minimieren, da gewisse Schaltungsteile eigene Rauschquellen sind.
\begin{figure}[h]
\centering
\includegraphics[width=0.95\linewidth]{Auslegung/v1.0/pcb_3d.png}
\caption{\label{fig:v1_pcb_design}3D-Modell des gesamten TIA-Schaltkreises.}
\caption{\label{fig:v1_pcb_design}3D-Modell des gesamten TIV-Schaltkreises.}
\end{figure}
Abbildung \ref{fig:v1_pcb_design} zeigt den Aufbau der Platine mit allen Komponenten.
Die einzelnen Elemente des TIA sind von links nach rechts wie folgt angeordnet:
Die einzelnen Elemente des TIV sind von links nach rechts wie folgt angeordnet:
\begin{enumerate}
\item Der DC/DC-Wandler der Spannungsversorgung muss möglichst weit vom Verstärker
@ -295,12 +295,12 @@ Die einzelnen Elemente des TIA sind von links nach rechts wie folgt angeordnet:
können.
\item Mittig auf der Platine ist der Linearregler sowie die Filter-Stufe und
der Ausgangstreiber angebracht. Der Linearregler ist hierbei möglichst nah
an den Spannungseingang des TIA-Verstärkers gelegt, um die Distanz hierzu zu
an den Spannungseingang des TIV gelegt, um die Distanz hierzu zu
vermindern. Die Ausgangs-Stufe ist nicht rauschanfällig, und kann somit beliebig
platziert werden.
\item Auf der rechten Seite der Platine wird der TIA-Teil selbst platziert. Somit
\item Auf der rechten Seite der Platine wird der TIV-Teil selbst platziert. Somit
ist garantiert, dass keine unnötigen Stromflüsse durch diesen Verstärkerteil
fließen können. Das gesamte TIA-System wird zur Minimierung externer Einflüsse
fließen können. Das gesamte TIV-System wird zur Minimierung externer Einflüsse
zudem in ein Schirmgehäuse untergebracht.
\end{enumerate}
@ -314,8 +314,8 @@ mechanische Verbindungen zur Operation des Schaltkreises untergebracht:
\item Mehrere diverse PSK-Stecker sowie Testpads werden entlang der Schaltung
platziert, um Spannungen sowie Signale überprüfen zu können. Dies
beinhaltet mitunder die Ausgänge des DC/DC-Wandlers,
des Linearreglers, sowie den ungefilterten Ausgang des TIAs selbst.
\item Zur Verbindung des TIA Eingangs sowie Bereitstellung des Ausgangssignals
des Linearreglers, sowie den ungefilterten Ausgang des TIVs selbst.
\item Zur Verbindung des TIV Eingangs sowie Bereitstellung des Ausgangssignals
werden SMA-Steckverbindungen benutzt. Diese sind besonders gut geeignet
für Signale die einer Schirmung und präzisen Übertragung benötigen,
und sind somit gut geeignet für das Eingangs- und Ausgangssignal des Verstärkers.
@ -327,5 +327,5 @@ Die Plazine wird mithilfe von Standard-Anfertigungsverfahren hergestellt.
\begin{figure}[h]
\centering
\missingfigure{Add *good* picture of the PCB here :>}
\caption{\label{fig:v1_pcb_picture}Bild des fertig gestellten TIA-PCBs}
\caption{\label{fig:v1_pcb_picture}Bild des fertig gestellten TIV-PCBs}
\end{figure}

2
TeX/Kapitel/Grundlagen.tex
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@ -161,8 +161,6 @@ Ein realer OpAmp kann für viele Anwendungen als nahezu ideal angesehen werden.
\section{Aufbau eines Transimpedanzverstärkers}
\label{chap:basics_tia}
\todo[inline]{Should we add integrating TIA as well?}
Im Folgenden wird auf den grundlegenden Aufbau und die Funktionalität eines TIVs eingegangen.
Ein TIV ist eine variante einer OpAmp-Verschaltung, dessen Aufgabe es ist, einen Strom in eine Spannung um zu wandeln. Somit wird die Verstärkung der Schaltung in $\Omega$ angegeben. Die grundlegende Schaltung ist hierbei in \ref{fig:example_tia_circuit} aufgeführt.

2
TeX/Kapitel/Vermessung.tex
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@ -82,7 +82,7 @@ lineares Verhalten vor.
\label{chap:v10_measurement_bandwidth}
In diesem Abschnitt wird die Bandbreite des Systems untersucht.
Hierbei wird sowohl die Bandbreite der TIA-Stufe ohne Filterung,
Hierbei wird 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