|
|
|
|
@ -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}
|
