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535d5d1c04
Author | SHA1 | Date | |
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535d5d1c04 | |||
cf98f0d790 |
5 changed files with 133 additions and 111 deletions
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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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\centering
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\centering
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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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\centering
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\centering
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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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\centering
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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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@ -711,22 +714,22 @@ Die Ergebnisse hiervon sind in Abbildungen \ref{fig:opamp_gbwp_variation_result_
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Zu erkennen ist, dass die Rückkoppelkapazitäten $C_1$ keinen Einfluss auf die Stabilität haben, und lediglich die Bandbreite
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Zu erkennen ist, dass die Rückkoppelkapazitäten $C_1$ keinen Einfluss auf die Stabilität haben, und lediglich die Bandbreite
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begrenzen, wie bereits in Kapitel \ref{chap:basics_parasitics} beschrieben wurde.
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begrenzen, wie bereits in Kapitel \ref{chap:basics_parasitics} beschrieben wurde.
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Die Eingangskapazität $C_\mathrm{in}$ jedoch schein äquivalent zu einer variation des GBWP zu sein, wobei eine größere Kapazität
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Die Eingangskapazität $C_\mathrm{in}$ jedoch schein äquivalent zu einer Variation des GBWP zu sein, wobei eine größere Kapazität
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die Bandbreite verringert und die Stabilität negativ beeinflusst.
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die Bandbreite verringert und die Stabilität negativ beeinflusst.
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Bei der Schaltungsauslegung muss somit genügend Marge bei der GBWP-Auswahl gelassen werden, um bei höher als
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Bei der Schaltungsauslegung muss somit genügend Marge bei der GBWP-Auswahl gelassen werden, um bei höher als
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erwartetem $C_\mathrm{in}$ stabil zu bleiben.
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erwartetem $C_\mathrm{in}$ stabil zu bleiben.
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Zusammengefasst ist die OpAmp-Bandbreite ein wichtiger Faktor der Schaltung.
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Zusammengefasst ist die OpAmp-Bandbreite ein wichtiger Faktor der Schaltung.
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Ein zu klein gewähltes GBWP begrenzt sowohl die Bandbreite des Schaltkreises, und kann zudem zu
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Ein zu klein gewähltes GBWP begrenzt sowohl die Bandbreite des Schaltkreises und kann zudem zu
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Instabilitäten führen. Eine zu klein gewählte offene Verstärkung kann ebenfalls zur Begrenzung
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Instabilitäten führen. Eine zu klein gewählte offene Verstärkung kann ebenfalls zur Begrenzung
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der Bandbreite führen, jedoch ohne hierbei die Stabilität zu gefährden.
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der Bandbreite führen, jedoch ohne hierbei die Stabilität zu gefährden.
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Aus den Simulationen wird geschlossen dass ein Mindest-GBWP von $\SI{1}{\giga\hertz}$
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Aus den Simulationen wird geschlossen, dass ein Mindest-GBWP von $\SI{1}{\giga\hertz}$
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notwendig ist, um stabil zu bleiben und die Bandbreite zu erhalten, wobei ein größeres GBWP vorteilhaft erscheint.
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notwendig ist, um stabil zu bleiben und die Bandbreite zu erhalten, wobei ein größeres GBWP vorteilhaft erscheint.
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Eine minimale offene Verstärkung von circa 10 000 ist notwendig, um die Bandbreite nicht zu beeinflussen.
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Eine minimale offene Verstärkung von circa 10 000 ist notwendig, um die Bandbreite nicht zu beeinflussen.
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\subsubsection{Verbesserung der OpAmp Bandbreite}
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\subsubsection{Verbesserung der OpAmp Bandbreite}
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Wie im vorherigen Kapitel beschrieben ist eine höhere Bandbreite des OpAmp notwendig,
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Wie im vorherigen Kapitel beschrieben, ist eine höhere Bandbreite des OpAmp notwendig,
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um die Schaltung stabil betreiben zu können. Die berechneten Parameter sind jedoch
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um die Schaltung stabil betreiben zu können. Die berechneten Parameter sind jedoch
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nicht mit allen OpAmps erreichbar.
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nicht mit allen OpAmps erreichbar.
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Um eine größere Auswahl von OpAmps zu ermöglichen wird nun untersucht, ob eine Erhöhung der
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Um eine größere Auswahl von OpAmps zu ermöglichen wird nun untersucht, ob eine Erhöhung der
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@ -735,17 +738,17 @@ effektiven Bandbreite möglich ist.
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Da die Bandbreite eines einzelnen OpAmp durch seinen internen Aufbau limitiert ist, kann
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Da die Bandbreite eines einzelnen OpAmp durch seinen internen Aufbau limitiert ist, kann
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an diesem nichts verändert werden. Es ist jedoch möglich, durch die Verschaltung zweier
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an diesem nichts verändert werden. Es ist jedoch möglich, durch die Verschaltung zweier
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oder mehr OpAmps einen gesamten Schaltkreis mit effektiv höherer Bandbreite zu erhalten.
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oder mehr OpAmps einen gesamten Schaltkreis mit effektiv höherer Bandbreite zu erhalten.
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Hierfür werden zwei Möglichkeiten hinzu gezogen:
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Hierfür werden zwei Möglichkeiten erprobt:
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\begin{itemize}
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\begin{itemize}
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\item[a)] \textbf{Eine Reihenschaltung einzelner Verstärker-Stufen:}
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\item[a)] \textbf{Eine Reihenschaltung einzelner Verstärker-Stufen:}
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Es werden mehrere einzelne Stufen regulärer Verstärker hintereinander geschaltet.
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Es werden mehrere einzelne Stufen regulärer Verstärker hintereinander geschaltet.
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Hierdurch muss jede einzelne Stufe eine geringere Verstärkung erbringen,
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Hierdurch muss jede einzelne Stufe eine geringere Verstärkung erbringen
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und behält somit eine höhere Bandbreite.
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und behält somit eine höhere Bandbreite.
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Von Vorteil ist der simple
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Von Vorteil ist der simple
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Schaltungsaufbau sowie die gute Stabilität, da jede Stufe in sich
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Schaltungsaufbau sowie die gute Stabilität, da jede Stufe in sich
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stabil designt werden kann, und alle außer die erste Stufe als reguläre
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stabil designt werden kann und alle Stufen außer die erste Stufe als reguläre
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Verstärker, nicht als TIV, ausgelegt werden können.
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Verstärker, nicht als TIV, ausgelegt werden können.
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Nachteilhaft sind die akkumulierenden Fehler der OpAmps, welche mit jeder
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Nachteilhaft sind die akkumulierenden Fehler der OpAmps, welche mit jeder
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@ -753,14 +756,14 @@ Hierfür werden zwei Möglichkeiten hinzu gezogen:
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\item[b)] \textbf{Eine Komposit-Schaltung von OpAmps:}
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\item[b)] \textbf{Eine Komposit-Schaltung von OpAmps:}
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Anstelle einzelne Stufen hintereinander zu schalten ist es ebenso möglich,
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Anstelle einzelne Stufen hintereinander zu schalten ist es ebenso möglich,
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mehrere OpAmps zu einem gesamt-Verstärker mit insgesamt höherer Bandbreite zu verschalten.\todo{
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mehrere OpAmps zu einem Gesamtverstärker mit insgesamt höherer Bandbreite zu verschalten.\todo{
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Find a citation for this?
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Find a citation for this?
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}
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}
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Vorteilhaft ist die insgesamt höhere Präzision, da der Feedback-Pfad des gesamten
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Vorteilhaft ist die insgesamt höhere Präzision, da der Feedback-Pfad des gesamten
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Systems über alle OpAmps geschaltet ist.
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Systems über alle OpAmps geschaltet ist.
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Nachteilhaft ist hierbei die komplexere Schaltung, und dass Stabilität
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Nachteilhaft ist hierbei die komplexere Schaltung, und die Notwendigkeit der Stabilität
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durch vorsichtiges Balancieren der Stufen eingestellt werden muss.
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durch vorsichtiges Balancieren der Stufen.
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Ein beispielhafter Schaltkreis ist in Abbildung \ref{fig:opamp_gbwp_increase_schematics}
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Ein beispielhafter Schaltkreis ist in Abbildung \ref{fig:opamp_gbwp_increase_schematics}
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dargestellt.
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dargestellt.
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\end{itemize}
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\end{itemize}
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@ -769,11 +772,11 @@ Hierfür werden zwei Möglichkeiten hinzu gezogen:
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\centering
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\centering
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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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Da für den hier betrachteten Anwendungsfall die Präzision von höherer Relevanz ist,
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Da für den hier betrachteten Anwendungsfall die Präzision von höherer Relevanz ist
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und die vergleichsweise niedrigen Signalbandbreiten leichter stabilisierbar sind,
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und die vergleichsweise niedrigen Signalbandbreiten leichter stabilisierbar sind,
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wird der komposite Schaltungsaufbau gewählt.
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wird der komposite Schaltungsaufbau gewählt.
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Es wird eine Simulation aufgebaut, mit welcher verschiedene
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Es wird eine Simulation aufgebaut, mit welcher verschiedene
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@ -785,7 +788,8 @@ untersuchen zu können.
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Die Arbeitsweise dieser Verschaltung ist wie folgt:
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Die Arbeitsweise dieser Verschaltung ist wie folgt:
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\begin{enumerate}
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\begin{enumerate}
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\item Der OpAmp U1 verstärkt die am Eingang anliegende Spannungsdifferenz, welche vom
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\item Der OpAmp U1 verstärkt die am Eingang anliegende Spannungsdifferenz, welche vom
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TIV-Eingangsstrom und Masse generiert wird
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TIV-Eingangsstrom und Masse generiert wird.
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\item Die Ausgangsspannung von U1 wird durch OpAmp U2 weiter verstärkt.
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\item Die Ausgangsspannung von U1 wird durch OpAmp U2 weiter verstärkt.
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U2 besitzt hierbei eine feste Verstärkung, welche durch den Widerstandsteiler Rx/Rx
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U2 besitzt hierbei eine feste Verstärkung, welche durch den Widerstandsteiler Rx/Rx
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festgelegt wird.
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festgelegt wird.
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@ -800,13 +804,13 @@ Die Arbeitsweise dieser Verschaltung ist wie folgt:
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Durch korrekte Auswahl von U1, U2 und der Verteilung der Verstärkung zwischen den OpAmps können
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Durch korrekte Auswahl von U1, U2 und der Verteilung der Verstärkung zwischen den OpAmps können
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so die Vorteile verschiedener OpAmps kombiniert werden. Es kann z.B. ein sensitiver und präziser
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so die Vorteile verschiedener OpAmps kombiniert werden. Es kann z.B. ein sensitiver und präziser
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aber langsamer OpAmp in der ersten Stufe mit kleinerer Verstärkung betrieben werden, und ein
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aber langsamer OpAmp in der ersten Stufe mit kleinerer Verstärkung betrieben werden und ein
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wesentlich schnellerer OpAmp in der zweiten Stufe die Gesamtverstärkung des Systems liefern.
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wesentlich schnellerer OpAmp in der zweiten Stufe die Gesamtverstärkung des Systems liefern.
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\FloatBarrier
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\FloatBarrier
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Als exemplarisches Beispiel wird der ADA4817 als erste Stufe gewählt. Dieser OpAmp hat
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Als exemplarisches Beispiel wird der ADA4817 als erste Stufe gewählt. Dieser OpAmp hat
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ein exzellent niedriges Rauschen und geringe Eingangs-Leckströme, und ist optimiert
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ein exzellent niedriges Rauschen und geringe Eingangs-Leckströme und ist optimiert
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für Messungen an hochimpedanten Eingängen. Er besitzt jedoch eine zu geringe Verstärkung,
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für Messungen an hochimpedanten Eingängen. Er besitzt jedoch eine zu geringe Verstärkung,
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um direkt in einer Stufe eine Verstärkung von $\SI{1}{\giga\ohm}$ zu erreichen.
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um direkt in einer Stufe eine Verstärkung von $\SI{1}{\giga\ohm}$ zu erreichen.
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Mithilfe
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Mithilfe
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@ -855,14 +859,14 @@ welche hier dargestellt werden sollen.
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Das eingangsbezogene Stromrauschen des OpAmps hat einen direkten Effekt auf das gemessene
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Das eingangsbezogene Stromrauschen des OpAmps hat einen direkten Effekt auf das gemessene
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Signal. Da der Eingang des TIV Ströme misst, wird das Stromrauschen lediglich auf das
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Signal. Da der Eingang des TIV Ströme misst, wird das Stromrauschen lediglich auf das
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Eingangssignal hinzu addiert und mit Verstärkt. Eine Reduzierung des Effektes des Stromrauschens
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Eingangssignal hinzu addiert und mit verstärkt. Eine Reduzierung des Effektes des Stromrauschens
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ist somit nicht möglich, lediglich die Auswahl eines OpAmps mit wenig Rauschen ist hierfür relevant.
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ist somit nicht möglich, lediglich die Auswahl eines OpAmps mit wenig Rauschen ist hierfür relevant.
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Mit hochperformanten OpAmps liegen typische Stromrausch-Werte im Bereich von
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Mit hochperformanten OpAmps liegen typische Stromrausch-Werte im Bereich von
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circa $\SI{10}{\femto\ampere\per\sqrt{\hertz}}$, welches mit der geforderten
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circa $\SI{10}{\femto\ampere\per\sqrt{\hertz}}$, welches mit der geforderten
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Bandbreite von $\SI{30}{\kilo\hertz}$ ungefähr ein eingangsbezogenes Rauschen von $\SI{1.73}{\pico\ampere}$ erzeugt.
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Bandbreite von $\SI{30}{\kilo\hertz}$ ungefähr ein eingangsbezogenes Rauschen von $\SI{1.73}{\pico\ampere}$ erzeugt.
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Das Spannungsrauschen des OpAmp ist etwas komplexer.
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Das Spannungsrauschen des OpAmp ist etwas komplexer.
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Am Eingang des TIVs interagiert dieses Rauschen mit der parasitären Eingangskapazität, und wirkt
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Am Eingang des TIVs interagiert dieses Rauschen mit der parasitären Eingangskapazität und wirkt
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somit als zusätzliches Stromrauschen, entsprechend der Formel $I = U \cdot 2\pi f \cdot C$.
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somit als zusätzliches Stromrauschen, entsprechend der Formel $I = U \cdot 2\pi f \cdot C$.
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Dieses Rauschen steigt somit sowohl mit größerer Eingangskapazität, als auch mit der Frequenz.
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Dieses Rauschen steigt somit sowohl mit größerer Eingangskapazität, als auch mit der Frequenz.
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@ -874,12 +878,14 @@ 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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\centering
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\centering
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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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Variiert werden $C_\mathrm{in}$ sowie $R_\mathrm{f}$, um die Auswirkungen dieser Parameter
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Variiert werden $C_\mathrm{in}$ sowie $R_\mathrm{f}$, um die Auswirkungen dieser Parameter
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betrachten zu können. Hierbei wird das Rauschen Eingangsbezogen gemessen, d.h. die Ausgangsspannung
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betrachten zu können. Hierbei wird das Rauschen eingangsbezogen gemessen, d.h. die Ausgangsspannung
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wird durch $R_\mathrm{f}$ dividiert, um den Eingangsstrom zu erhalten. Hierdurch lassen sich die
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wird durch $R_\mathrm{f}$ dividiert, um den Eingangsstrom zu erhalten. Hierdurch lassen sich die
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Simulationswerte besser vergleichen. Die Ergebnisse sind in Abbildungen \ref{fig:opamp_vin_noise_rf}
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Simulationswerte besser vergleichen. Die Ergebnisse sind in Abbildungen \ref{fig:opamp_vin_noise_rf}
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und \ref{fig:opamp_vin_noise_cin} dargestellt.
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und \ref{fig:opamp_vin_noise_cin} dargestellt.
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@ -7,14 +7,14 @@ vorherigen Kapitel ermittelten parasitären Effekten und Kompensationsmöglichke
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konkrete Bauteile für die Konstruktion eines ersten TIV verglichen und ausgewählt. Hiernach
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konkrete Bauteile für die Konstruktion eines ersten TIV verglichen und ausgewählt. Hiernach
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wird die Schaltung des TIVs ausgelegt und dessen Funktionsweise erläutert.
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wird die Schaltung des TIVs ausgelegt und dessen Funktionsweise erläutert.
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\subsection{TIV}
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\subsection{Auslegung des TIV}
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\subsubsection{OpAmp Auswahl}
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\subsubsection{OpAmp Auswahl}
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\label{chap:v10_opamp_choice}
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\label{chap:v10_opamp_choice}
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In diesem Abschnitt wird auf die genaue Auswahl eines OpAmp für den hochimpedanten
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In diesem Abschnitt wird auf die genaue Auswahl eines OpAmp für den hochimpedanten
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TIV-Eingang eingegangen.
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TIV-Eingang eingegangen.
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Dieser OpAmp legt viele wichtige Systemparameter fest, und
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Dieser OpAmp legt viele wichtige Systemparameter fest und
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bestimmt maßgeblich das Verhalten und das Rauschniveau des TIVs selbst.
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bestimmt maßgeblich das Verhalten und das Rauschniveau des TIVs selbst.
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Zusammengefasst sind folgende Parameter von Bedeutung:
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Zusammengefasst sind folgende Parameter von Bedeutung:
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@ -31,7 +31,8 @@ Zusammengefasst sind folgende Parameter von Bedeutung:
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\end{itemize}
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\end{itemize}
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Folgende OpAmps werden für die nähere Auswahl in Betracht gezogen:
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Tabelle \ref{table:select_opamp_parameters} listed die in Betracht gezogenen OpAmps
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zusammen mit einigen ihrer Parameter auf.
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\begin{table}[h]
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\begin{table}[h]
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\centering
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\centering
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@ -64,7 +65,7 @@ Es wird somit für diese Schaltung der LTC6268-10 gewählt.
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\subsubsection{TIV-Schaltung}
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\subsubsection{TIV-Schaltung}
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\label{chap:tia_circuit_design}
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\label{chap:tia_circuit_design}
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In diesem Unterkapitel wird nun die konkrete Schaltung des TIVs erstellt.
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In diesem Unterkapitel wird die konkrete Schaltung des TIVs erstellt.
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Der Grundlegende Aufbau eines TIV-Schaltkreises wurde bereits in Kapitel
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Der Grundlegende Aufbau eines TIV-Schaltkreises wurde bereits in Kapitel
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\ref{chap:basics_tia} beschrieben. Da der LTC6268-10 ein ausreichendes
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\ref{chap:basics_tia} beschrieben. Da der LTC6268-10 ein ausreichendes
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@ -81,10 +82,10 @@ der Serienschaltung sowie der Feldabschirmung aus
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Kapitel \ref{chap:r_para_mitigations} genutzt, um den Einfluss der
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Kapitel \ref{chap:r_para_mitigations} genutzt, um den Einfluss der
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Kapazitäten zu vermindern.
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Kapazitäten zu vermindern.
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Da die konkreten Werte der parasitären Effekte nicht bekannt sind, und
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Da die konkreten Werte der parasitären Effekte nicht bekannt sind und
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in der Realität mit hoher Wahrscheinlichkeit größer sind als in der Simulation
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in der Realität mit hoher Wahrscheinlichkeit größer sind als in der Simulation
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(durch z.B. andere Komponenten in der Nähe, welche kapazitiv koppeln), werden
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(durch z.B. andere Komponenten in der Nähe, welche kapazitiv koppeln), werden
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keine konkreten Werte für die Widerstände dieser Schaltung fest gelegt. Diese
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keine konkreten Werte für die Widerstände dieser Schaltung festgelegt. Diese
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werden experimentell erprobt, um eine gute Balance der Eigenschaften zu bieten.
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werden experimentell erprobt, um eine gute Balance der Eigenschaften zu bieten.
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Die Auslegung der Schaltung ist in Abbildung \ref{fig:tia_v1_design} zu sehen.
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Die Auslegung der Schaltung ist in Abbildung \ref{fig:tia_v1_design} zu sehen.
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@ -122,7 +123,7 @@ Abbildung \ref{fig:tia_v1_pcb} zeigt das Design der Platine für den Teil
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des TIVs selbst. Der Messeingang ist hierbei der runde Kreis des inneren
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des TIVs selbst. Der Messeingang ist hierbei der runde Kreis des inneren
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Anschlusses der SMA-Buchse. Dieser ist möglichst eng an den Verstärker U2
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Anschlusses der SMA-Buchse. Dieser ist möglichst eng an den Verstärker U2
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sowie der Kaskade der Rückkoppelwiderstände angeschlossen.
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sowie der Kaskade der Rückkoppelwiderstände angeschlossen.
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||||||
Um den gesamten hochimpedanten Bereich wird der Lötstopplack entfernt,
|
Um den gesamten hochimpedanten Bereich wird der Lötstopplack entfernt
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und der Bereich des TIV-Eingangs wird mit einem geerdeten Pfad umgeben,
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und der Bereich des TIV-Eingangs wird mit einem geerdeten Pfad umgeben,
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um Oberflächenladungen und Leckströme ableiten zu können.
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um Oberflächenladungen und Leckströme ableiten zu können.
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@ -155,7 +156,7 @@ Verringerung der Feldstärke im Platinenmaterial selbst.
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Um den Einfluss der Abschirmung abschätzen zu können, wird eine zweite Version der
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Um den Einfluss der Abschirmung abschätzen zu können, wird eine zweite Version der
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Schaltung ohne diese Schirmungselektroden ausgelegt. Hierfür werden die Widerstände
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Schaltung ohne diese Schirmungselektroden ausgelegt. Hierfür werden die Widerstände
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sowie die Kupferflächen der Elektroden entfernt. Sie werden nicht durch Erdflächen
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sowie die Kupferflächen der Elektroden entfernt. Sie werden nicht durch Erdflächen
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ersetzt, um keine zusätzliche Erdkapazität in den hochimpedanten Pfad ein zu koppeln.
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ersetzt, um keine zusätzliche Erdkapazität in den hochimpedanten Pfad einzukoppeln.
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\FloatBarrier
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\FloatBarrier
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@ -164,7 +165,7 @@ In den folgenden Paragraphen werden weitere unterstützende Schaltungen
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beschrieben, welche für die korrekte Funktionsweise des TIV nötig sind,
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beschrieben, welche für die korrekte Funktionsweise des TIV nötig sind,
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jedoch selbst nicht kritisch für die Charakteristik des TIVs sind, da
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jedoch selbst nicht kritisch für die Charakteristik des TIVs sind, da
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sie ohne große Anforderungen an Präzision o.ä. erstellt werden können.
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sie ohne große Anforderungen an Präzision o.ä. erstellt werden können.
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Dieser Schaltungselemente werden somit kurz und der vollständigkeit
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Dieser Schaltungselemente werden somit kurz und der Vollständigkeit
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halber beschrieben.
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halber beschrieben.
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\subsubsection{Filter-Stufe}
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\subsubsection{Filter-Stufe}
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@ -175,8 +176,8 @@ erreichen. Der im Kapitel \ref{chap:tia_circuit_design} erstellte Schaltkreis
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wird auf eine Bandbreite knapp über $\SI{30}{\kilo\hertz}$ abgestimmt,
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wird auf eine Bandbreite knapp über $\SI{30}{\kilo\hertz}$ abgestimmt,
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wobei der parasitäre RC-Filter einen Abfall von -20dB/Dekate besitzt.
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wobei der parasitäre RC-Filter einen Abfall von -20dB/Dekate besitzt.
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Da bekannt ist dass das zu messende Signal mit einer Bandbreite von $\SI{30}{\kilo\hertz}$
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Da bekannt ist, dass das zu messende Signal mit einer Bandbreite von $\SI{30}{\kilo\hertz}$
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vor liegt, können alle Frequenzen hierüber möglichst stark gedämpft werden.
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vorliegt, können alle Frequenzen hierüber möglichst stark gedämpft werden.
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Dies verringert das Rauschniveau, da die TIV-Schaltung selbst ein recht breites
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Dies verringert das Rauschniveau, da die TIV-Schaltung selbst ein recht breites
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Rauschspektrum bis in die obigen $\SI{100}{\kilo\hertz}$ besitzt. Hierfür können
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Rauschspektrum bis in die obigen $\SI{100}{\kilo\hertz}$ besitzt. Hierfür können
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aktive Filter verwendet werden, welche mithilfe von OpAmps, Widerständen und Kapazitäten
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aktive Filter verwendet werden, welche mithilfe von OpAmps, Widerständen und Kapazitäten
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@ -190,14 +191,15 @@ Er besteht aus zwei in Reihe geschalteten OpAmps in aktiver Filter-Konfiguration
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kann somit mit leicht erhältlichen Dual-Package OpAmps erstellt werden. Für die genaue
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kann somit mit leicht erhältlichen Dual-Package OpAmps erstellt werden. Für die genaue
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Auslegung des Filters wurde das ``Filter-Design-Tool'' von Analog Devices (siehe \cite{ADFilterDesign}) genutzt,
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Auslegung des Filters wurde das ``Filter-Design-Tool'' von Analog Devices (siehe \cite{ADFilterDesign}) genutzt,
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welches für die angegebenen Filter-Parameter eine Schaltung berechnet, da die
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welches für die angegebenen Filter-Parameter eine Schaltung berechnet, da die
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händische Berechnung der Komponenten vor allem bei Einhaltung der
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händische Berechnung der Komponenten, vor allem bei Einhaltung
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Komponentenreihen (E24) nicht trivial ist.
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standartisierter
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Komponentenreihen (E24), nicht trivial ist.
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Die erstellte Filter-Stufe ist in
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Die erstellte Filter-Stufe ist in
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Abbildung \ref{fig:filter_stage_design} dargestellt. Die berechnete Transferfunktion
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Abbildung \ref{fig:filter_stage_design} dargestellt. Die berechnete Transferfunktion
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dieses Filters ist in Abbildung \ref{fig:filter_stage_bandwidth} aufgezeichnet.
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dieses Filters ist in Abbildung \ref{fig:filter_stage_bandwidth} aufgezeichnet.
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Zu sehen ist eine glatte Transferfunktion bis hin zum -3dB-Punkt bei $\SI{30}{\kilo\hertz}$,
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Zu sehen ist eine glatte Transferfunktion bis hin zum -3dB-Punkt bei $\SI{30}{\kilo\hertz}$,
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nach welchem wie erhofft ein steiler Abfall von -80dB/Dekade vor liegt.
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nach welchem wie erhofft ein steiler Abfall von -80dB/Dekade vorliegt.
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Somit werden Rauschanteile sowie andere Störsignale bereits ab $\SI{50}{\kilo\hertz}$ um einen Faktor
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Somit werden Rauschanteile sowie andere Störsignale bereits ab $\SI{50}{\kilo\hertz}$ um einen Faktor
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von 20dB gedämpft.
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von 20dB gedämpft.
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@ -228,7 +230,7 @@ teilweise ein differentielles Signal. Aus diesem Grund wird eine Verstärkerstuf
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für die Umsetzung der Spannungslevel erstellt, welche durch Anpassung der Widerstände
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für die Umsetzung der Spannungslevel erstellt, welche durch Anpassung der Widerstände
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diverse Verstärkungen und Offsets ermöglicht. Die genauen Widerstände müssen je nach ADC
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diverse Verstärkungen und Offsets ermöglicht. Die genauen Widerstände müssen je nach ADC
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||||||
gewählt werden, somit werden vorerst Platzhalter genutzt.
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gewählt werden, somit werden vorerst Platzhalter genutzt.
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Diese Stufe ist in Abbildung \ref{fig:design_output_driver} dar gestellt.
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Diese Stufe ist in Abbildung \ref{fig:design_output_driver} dargestellt.
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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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@ -241,8 +243,8 @@ Diese Stufe ist in Abbildung \ref{fig:design_output_driver} dar gestellt.
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\label{chap:power_supply_design}
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\label{chap:power_supply_design}
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Für die korrekte Operation des TIV müssen die für die Verstärker benötigten Spannungen
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Für die korrekte Operation des TIV müssen die für die Verstärker benötigten Spannungen
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bereit gestellt werden. Hierbei ist eine hohe Qualität, d.h. ein stabiles Spannungsniveau auch
|
bereitgestellt werden. Hierbei ist eine hohe Qualität, d.h. ein stabiles Spannungsniveau auch
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||||||
unter Last sowie ein möglichst geringes Rauschen der Versorgung, notwendig. Zudem ist
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unter Last sowie ein möglichst geringes Rauschen der Versorgung notwendig. Zudem ist
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eine differentielle Spannungsversorgung notwendig.
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eine differentielle Spannungsversorgung notwendig.
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Um all dies zu erreichen, wird die Spannungsversorgung aus zwei Stufen aufgebaut:
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Um all dies zu erreichen, wird die Spannungsversorgung aus zwei Stufen aufgebaut:
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@ -256,14 +258,14 @@ Um all dies zu erreichen, wird die Spannungsversorgung aus zwei Stufen aufgebaut
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effektiv. Der duale Spannungsausgang des Wandlers vereinfacht zudem die Versorgung
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effektiv. Der duale Spannungsausgang des Wandlers vereinfacht zudem die Versorgung
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der Verstärker. Von Nachteil ist ein recht hoher Rauschanteil am Ausgang des Wandlers.
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der Verstärker. Von Nachteil ist ein recht hoher Rauschanteil am Ausgang des Wandlers.
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||||||
Der Schaltkreis des DC/DC-Wandlers ist in Abbildung \ref{fig:design_power_dcdc} dargestellt.
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Der Schaltkreis des DC/DC-Wandlers ist in Abbildung \ref{fig:design_power_dcdc} dargestellt.
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||||||
\item Um das Rauschniveau zu reduzieren, und um den TIV-OpAmp mit der korrekten
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\item Um das Rauschniveau zu reduzieren und um den TIV-OpAmp mit der korrekten
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||||||
Spannung versorgen zu können, wird ein Linearregler genutzt. Dieser Typ von Regler
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Spannung versorgen zu können, wird ein Linearregler genutzt. Dieser Typ von Regler
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bietet einen sehr stabilen und rauscharmen Ausgang, und eignet sich somit gut für die
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bietet einen sehr stabilen und rauscharmen Ausgang und eignet sich somit gut für die
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||||||
Versorgung von sensitiven Bauteilen.
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Versorgung von sensitiven Bauteilen.
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||||||
Ein dedizierter Zweikanal-Linearregler, der {\em LT3032}, wird über einen
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Ein dedizierter Zweikanal-Linearregler, der {\em LT3032}, wird über einen
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||||||
RC-Filter mit der DC/DC-Spannung versorgt, und liefert die
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RC-Filter mit der DC/DC-Spannung versorgt und liefert die
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||||||
notwendigen Spannungen für den TIV selbst. Dieser Regler ist speziell für
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notwendigen Spannungen für den TIV selbst. Dieser Regler ist speziell für
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||||||
niedrige Rauschlevel konzipiert, und ist somit bestens für die Bereitstellung
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niedrige Rauschlevel konzipiert und ist somit bestens für die Bereitstellung
|
||||||
einer stabilen Spannung geeignet.
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einer stabilen Spannung geeignet.
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Der Schaltkreis des Linearreglers ist in Abbildung \ref{fig:design_power_ldo} dargestellt.
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Der Schaltkreis des Linearreglers ist in Abbildung \ref{fig:design_power_ldo} dargestellt.
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\end{enumerate}
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\end{enumerate}
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@ -282,8 +284,9 @@ Um all dies zu erreichen, wird die Spannungsversorgung aus zwei Stufen aufgebaut
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\subsection{Auslegung des PCB}
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\subsection{Auslegung des PCB}
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In diesem Abschnitt soll auf die konkrete Platzierung der im vorherigen Teil beschriebenen
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Nach Beschreibung der verwendeten Schaltkreise wird nun auf die
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Komponenten eingegangen werden. Eine korrekte Positionierung ist notwendig, um Störsignale
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konkrete Platzierung der Komponenten eingegangen.
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Eine korrekte Positionierung ist notwendig, um Störsignale
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zu minimieren, da gewisse Schaltungsteile eigene Rauschquellen sind.
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zu minimieren, da gewisse Schaltungsteile eigene Rauschquellen sind.
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Abbildung \ref{fig:v1_pcb_design} zeigt den Aufbau der Platine mit allen Komponenten.
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Abbildung \ref{fig:v1_pcb_design} zeigt den Aufbau der Platine mit allen Komponenten.
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@ -296,9 +299,9 @@ Die einzelnen Elemente des TIV sind von links nach rechts wie folgt angeordnet:
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\item Mittig auf der Platine ist der Linearregler sowie die Filter-Stufe und
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\item Mittig auf der Platine ist der Linearregler sowie die Filter-Stufe und
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der Ausgangstreiber angebracht. Der Linearregler ist hierbei möglichst nah
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der Ausgangstreiber angebracht. Der Linearregler ist hierbei möglichst nah
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an den Spannungseingang des TIV gelegt, um die Distanz hierzu zu
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an den Spannungseingang des TIV gelegt, um die Distanz hierzu zu
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vermindern. Die Ausgangs-Stufe ist nicht rauschanfällig, und kann somit beliebig
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vermindern. Die Ausgangs-Stufe ist nicht rauschanfällig und kann somit beliebig
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platziert werden.
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platziert werden.
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\item Auf der rechten Seite der Platine wird der TIV-Teil selbst platziert. Somit
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\item Auf der rechten Seite der Platine wird der TIV selbst platziert. Somit
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ist garantiert, dass keine unnötigen Stromflüsse durch diesen Verstärkerteil
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ist garantiert, dass keine unnötigen Stromflüsse durch diesen Verstärkerteil
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fließen können. Das gesamte TIV-System wird zur Minimierung externer Einflüsse
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fließen können. Das gesamte TIV-System wird zur Minimierung externer Einflüsse
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zudem in ein Schirmgehäuse untergebracht.
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zudem in ein Schirmgehäuse untergebracht.
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@ -311,7 +314,7 @@ Die einzelnen Elemente des TIV sind von links nach rechts wie folgt angeordnet:
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\includegraphics[width=0.95\linewidth]{Auslegung/v1.0/pcb_3d.png}
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\includegraphics[width=0.95\linewidth]{Auslegung/v1.0/pcb_3d.png}
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\caption{\label{fig:v1_pcb_design}3D-Modell des gesamten TIV-Schaltkreises.}
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\caption{\label{fig:v1_pcb_design}3D-Modell des gesamten TIV-Schaltkreises.}
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\end{figure}
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\end{figure}
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\todo[inline]{Add some nice overlays for the parts.}
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Zusätzlich zu den bereits etablierten Komponenten der Schaltung werden einige
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Zusätzlich zu den bereits etablierten Komponenten der Schaltung werden einige
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mechanische Verbindungen zur Operation des Schaltkreises untergebracht:
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mechanische Verbindungen zur Operation des Schaltkreises untergebracht:
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@ -326,7 +329,7 @@ mechanische Verbindungen zur Operation des Schaltkreises untergebracht:
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des Linearreglers, sowie den ungefilterten Ausgang des TIVs selbst.
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des Linearreglers, sowie den ungefilterten Ausgang des TIVs selbst.
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\item Zur Verbindung des TIV Eingangs sowie Bereitstellung des Ausgangssignals
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\item Zur Verbindung des TIV Eingangs sowie Bereitstellung des Ausgangssignals
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werden SMA-Steckverbindungen benutzt. Diese sind besonders gut geeignet
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werden SMA-Steckverbindungen benutzt. Diese sind besonders gut geeignet
|
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für Signale die einer Schirmung und präzisen Übertragung benötigen,
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für Signale, die einer Schirmung und präzisen Übertragung benötigen
|
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und sind somit gut geeignet für das Eingangs- und Ausgangssignal des Verstärkers.
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und sind somit gut geeignet für das Eingangs- und Ausgangssignal des Verstärkers.
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\end{itemize}
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\end{itemize}
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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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\centering
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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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\centering
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\centering
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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
|
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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\centering
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\centering
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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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\centering
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\centering
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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,
|
||||||
weshalb auf diese hier nicht mehr eingegangen wird.
|
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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\centering
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\centering
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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}
|
\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}
|
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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||||||
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@ -216,9 +217,9 @@ aufgebaut wurden.
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\centering
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\centering
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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
|
\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
|
der Platinen der Revision. Zu erkennen
|
||||||
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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||||||
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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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\centering
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\centering
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\caption{\label{table:v11_bandwidths}-3dB-Frequenzen des ungefilterten
|
\caption{\label{table:v11_bandwidths}-3dB-Frequenzen des ungefilterten
|
||||||
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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\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
|
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
|
||||||
die $\SI{47}{\mega\ohm}$ Variante. Der steilere Abfall sowie die
|
die $\SI{47}{\mega\ohm}$ Variante. Der steilere Abfall sowie die
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||||||
leicht höhere -3dB-Frequenz der zweiten Revision
|
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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\centering
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\centering
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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.}
|
||||||
\end{figure}
|
\end{figure}
|
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@ -301,8 +303,8 @@ Platinenrevision.
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\centering
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\centering
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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
|
\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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\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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||||||
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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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\centering
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\centering
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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
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\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.}
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zweier identischer TIV-Platinen.}
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\end{figure}
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\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}
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\includegraphics[scale=0.8]{datavis/V1_Measurements/V1.1-a1/CascadeSeries/bandwidths.png}
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||||||
\caption[Übertragungsfunktionen eines
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\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.]{
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Stufe der Kaskade]{
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\label{fig:v11_cascade_bandwidths}Übertragungsfunktionen eines
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\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.
|
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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||||||
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|
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@ -5,7 +5,7 @@
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||||||
In diesem Kapitel wird der erstellte Schaltkreis auf seine Funktionstüchtigkeit
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In diesem Kapitel wird der erstellte Schaltkreis auf seine Funktionstüchtigkeit
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untersucht.
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untersucht.
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||||||
Es wird beurteilt, ob die Schaltung die festgelegten Zielparameter erreichen kann,
|
Es wird beurteilt, ob die Schaltung die festgelegten Zielparameter erreichen kann
|
||||||
und welche Parameter einer Verbesserung bedürfen.
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und welche Parameter einer Verbesserung bedürfen.
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||||||
Hierbei werden verschiedene Variationen des Schaltkreises vermessen, um
|
Hierbei werden verschiedene Variationen des Schaltkreises vermessen, um
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||||||
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@ -13,7 +13,7 @@ einige Systemparameter bestimmen zu können. Diese sind:
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||||||
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||||||
\begin{itemize}
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\begin{itemize}
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\item Ein Schaltkreis ohne Abschirmungen und mit $4\cdot\SI{47}{\mega\ohm}$
|
\item Ein Schaltkreis ohne Abschirmungen und mit $4\cdot\SI{47}{\mega\ohm}$
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||||||
Rückkoppelwiderständen, zur Bestätigung der Notwendigkeit der Abschirmungen
|
Rückkoppelwiderständen, zur Bestätigung der Notwendigkeit der Abschirmungen.
|
||||||
\item Drei Schaltkreise mit jeweils $4\cdot\SI{47}{\mega\ohm}$,
|
\item Drei Schaltkreise mit jeweils $4\cdot\SI{47}{\mega\ohm}$,
|
||||||
$4\cdot\SI{20}{\mega\ohm}$ sowie $4\cdot\SI{120}{\mega\ohm}$ Rückkoppelwiderständen,
|
$4\cdot\SI{20}{\mega\ohm}$ sowie $4\cdot\SI{120}{\mega\ohm}$ Rückkoppelwiderständen,
|
||||||
um den Einfluss der verschiedenen Widerstände charakterisieren zu können.
|
um den Einfluss der verschiedenen Widerstände charakterisieren zu können.
|
||||||
|
@ -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.
|
||||||
Es sind wie gewünscht keine merklichen Nichtlinearitäten zu erkennen.}
|
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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||||||
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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
|
||||||
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
|
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,
|
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
|
Für einen Verstärker wie den TIV ist eine Übertragungsfunktion
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gewünscht, welche möglichst flach verläuft und erst ab einer
|
gewünscht, welche möglichst flach verläuft und erst ab einer
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||||||
gewissen Grenzfrequenz dann möglichst steil abfällt.
|
gewissen Grenzfrequenz dann möglichst steil abfällt.
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||||||
Der glatte Verlauf unterhalb der Grenzfrequenz erlaubt für eine
|
Der glatte Verlauf unterhalb der Grenzfrequenz erlaubt für eine
|
||||||
verzerrungsfreie Übertragung eines Signals, während der steile
|
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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||||||
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||||||
Die Übertragungsfunktionen werden mithilfe eines {\em Analog Discovery Pro 3}
|
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,
|
||||||
welche die Ausgangsspannung des Generators auf einen Strom im Bereich von
|
welche die Ausgangsspannung des Generators auf einen Strom im Bereich von
|
||||||
0 bis $\SI{0.7}{\nano\ampere}$ umwandelt. Der Frequenzgang dieser Box ist hierbei
|
0 bis $\SI{0.7}{\nano\ampere}$ umwandelt. Der Frequenzgang dieser Box ist hierbei
|
||||||
bis in die oberen $\SI{100}{\kilo\hertz}$ flach und konstant, und muss somit
|
bis in die oberen $\SI{100}{\kilo\hertz}$ flach und konstant und muss somit
|
||||||
nicht weiter beachtet werden. Der Ausgang der Photodioden-Box wird an den Eingang
|
nicht weiter beachtet werden. Der Ausgang der Photodioden-Box wird an den Eingang
|
||||||
des TIVs angeschlossen. Der gefilterte und ungefilterte Ausgang des TIVs werden
|
des TIVs angeschlossen. Der gefilterte und ungefilterte Ausgang des TIVs werden
|
||||||
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
|
||||||
Die Übertragungsfunktionen aller drei Platinen weisen akzeptables Verhalten
|
Die Übertragungsfunktionen aller drei Platinen weisen akzeptables Verhalten
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||||||
auf, d.h. einen glatten Verlauf vor der Grenzfrequenz und einen
|
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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||||||
|
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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
|
\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
|
\label{fig:v10_bandwidths_ch2}Übertragungsfunktionen des gefilterten Ausgangs
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der Platinen bei variiertem Rückkoppelwiderstand. Zu erkennen ist die Eckfrequenz
|
der Platinen bei variiertem Rückkoppelwiderstand. Zu erkennen ist die Eckfrequenz
|
||||||
des Filters bei $\SI{30}{\kilo\hertz}$}
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des Filters bei $\SI{30}{\kilo\hertz}$}
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||||||
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@ -187,9 +187,9 @@ dargestellt.
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||||||
Die Auslegung der Filterstufe soll erst ab der Grenzfrequenz
|
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.
|
wobei Frequenzen unterhalb der Grenzfrequenz nicht beeinflusst werden sollten.
|
||||||
Diese Verhalten ist auch deutlich in der Messung zu erkennen. Die -3dB-Frequenzen
|
Dieses Verhalten ist auch deutlich in der Messung zu erkennen. Die -3dB-Frequenzen
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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.
|
||||||
Wie bereits theorisiert ist die Bandbreite der $\SI{120}{\mega\ohm}$-Variante zu gering
|
Wie bereits theorisiert, ist die Bandbreite der $\SI{120}{\mega\ohm}$-Variante zu gering
|
||||||
für die vollen $\SI{30}{\kilo\hertz}$. Die anderen beiden Varianten besitzen
|
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
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\label{fig:v10_bandwidth_filter_compare}Vergleich der Übertragungsfunktion
|
||||||
des gefilterten und ungefilterten Ausangs des $\SI{47}{\mega\ohm}$ TIVs.
|
des gefilterten und ungefilterten Ausangs des $\SI{47}{\mega\ohm}$ TIVs.
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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
|
||||||
\subsubsection{Einfluss der Abschirmung}
|
\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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||||||
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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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||||||
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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
|
||||||
des Widerstandsteilers auf zu hohe/zu niedrige Spannungen
|
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
|
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.
|
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
|
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.
|
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
|
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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||||||
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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
|
besaß. Der Ausgangspegel des TIVs ohne Abschirmung der Rückkoppelwiderstände
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||||||
bildet eine Rechteckwelle aus,
|
bildet eine Rechteckwelle aus,
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||||||
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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}
|
\caption[Ausgangsspannung des TIV-Schaltkreises ohne Abschirmung]{\label{fig:v10_unshielded_waveform}
|
||||||
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,
|
||||||
welche bis an die Spannungsgrenzen des Ausgangs geht.}
|
welche bis an die Spannungsgrenzen des Ausgangs geht.}
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||||||
\end{figure}
|
\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
|
der Spannung ist deutlich zu erkennen. Die Wellenform ist durch den Einfluss parasitärer
|
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Erdungskapazitäten auf die hochohmigen Potentiale der Rückkoppelwiderstände.
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Erdungskapazitäten auf die hochohmigen Potentiale der Rückkoppelwiderstände zu erklären.
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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
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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
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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.
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dass die bestehende Abschirmungsgeometrie ausreichend ist um diese Instabilität zu vermeiden.
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Eine Operation gänzlich ohne Abschirmungselektroden ist nicht möglich.
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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.
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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,
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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
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d.h. ob es gewisse Frequenzen mit Spitzen oder Frequenbereiche mit erhöhtem
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oder niedrigerem Rauschen gibt.
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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
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mit einer Abschirmkappe abgedeckt. Zusätzlich wird der Aufbau in ein Metallgehäuse
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eingebaut, um äußere Störsignale zu verringern.
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eingebaut, um äußere Störsignale zu verringern.
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Es wird für jede Platine das FFT-Spektrum von
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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
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$\SI{500}{\hertz}$ bis $\SI{1}{\mega\hertz}$ aufgenommen, wobei jeweils 1000 Spektren
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summiert und der Durchschnitt berechnet wird, um die durchschnittliche Verteilung
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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}
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\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
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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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