
\chapter{Revision des TIVs}

In diesem Kapitel wird auf die zweite Revision der Platine eingegangen.
Diese Revision ist notwendig, um die Instabilität der ersten Revision 
der Platine zu beheben, welche in Kapitel \ref{chap:v10_instability}
gemessen wurde, da diese Instabilität einer Verwendung der Platine
in einem echten IMS im Wege steht.

\section{Diskussion der Fehlerquelle}

In Kapitel \ref{chap:v10_instability} wurde eine Instabilität der
Schaltung bei angeschlossenem IMS festgestellt.
Zusätzlich hierzu wurden andere Effekte wie z.B. die Steigerung
des Rauschniveaus bei angelegten externen Schaltungen festgestellt.

Eine Vermutung ist, dass die Sensitivität des Schaltkreises auf externe 
Kapazitäten höher als erwartet ist. Das hierfür maßgebliche Bauteil 
ist der gewählte Operationsverstärker selbst, der {\em LTC6268-10}.
Dieser Verstärker wurde wegen seiner hohen Geschwindigkeit gewählt 
(siehe Kapitel \ref{chap:v10_opamp_choice}), 
besitzt jedoch ein vergleichsweise hohes Eingangsspannungsrauschen, welches
in Kombination mit einer erhöhten Eingangskapazität zu den beobachteten
Effekten führen kann.

Eine Simulation der Instabilität war nicht erfolgreich, da der simulierte
Schaltkreis in LTSpice mit einem reelen Verstärkermodell keine Instabilitäten
aufwies. Es ist somit zu vermuten dass es sich um nicht akkurat modellierte Effekte 
des Verstärkers handelt.

Eine händisch modifizierte Schaltung wird genutzt, um andere Verstärkungen sowie 
OpAmps als Prototypen zu testen. Aus diesem Experimenten wird geschlossen,
dass das erhöhte Rauschlevel des LTC auch bei kleineren Verstärkungen auftritt.
Zusätzlich wird bei anderen OpAmps keine Instabilität festgestellt.

\section{Korrektur der Schaltung}

Im folgenden Abschnitt werden die Änderung der Schaltung beschrieben, welche für
die nächste Revision vorgenommen werden. 
Da der erkannte Fehler vermutlich durch den Verstärker selbst verursacht wird,
soll nun ein anderer OpAmp genutzt werden. Kapitel \ref{chap:v10_opamp_choice}
listet andere Möglichkeiten auf. Da das Eingangsspannungsrauschen vermutlich 
an den Problemen teil nimmt, wird nun ein OpAmp mit möglichst geringem Rauschen 
gewählt, der {\em ADA4817}.

Der {\em ADA4817} bietet mit einem Rauschlevel von nur $\SI{5}{\nano\volt\per\sqrt{\hertz}}$
das geringste Spannungsrauschen der Auswahl. Dieser Verstärker hat jedoch
ein zu geringes GBWP, um in einer einzelnen Stufe die volle Verstärkung
von $\SI{1}{\giga\ohm}$ zu erreichen, wie in Kapitel \ref{chap:opamp_parasitics_gbwp} beschrieben.
Somit soll eine kaskadierte Schaltung entsprechend Kapitel \ref{chap:opamp_cascade_explained}
genutzt werden, um die notwendige Bandbreite erreichen zu können.

Da die Abschirmung sowie die Reihenschaltung der Rückkoppelwiderstände der 
vorherigen Version beide als Funktionsfähig befunden wurden, wird an diesem Teilen
der Schaltung keine Änderung vorgenommen. Lediglich der OpAmp wird durch eine 
kaskadierte Schaltung des {\em ADA4817 } ersetzt.

\begin{figure}[h]
    \centering
    \includegraphics[width=0.9\textwidth]{Auslegung/v1.1/tia_stage.png}
    \caption{\label{fig:v11_tia_schematic}Schaltkreis der zweiten Revision des
        Verstärkerteils des TIVs.}
\end{figure}

Abbildung \ref{fig:v11_tia_schematic} zeigt den geänderten Schaltkreis auf.
Hierbei sind U2B und U2A die zwei ADA4817-OpAmps der kaskadierten Verschaltung.
Widerstände R33 und R34 setzten hierbei die Verstärkung von U2A fest.
U2B übernimmt den Rest der Verstärkung, wobei die Gesamtverstärkung nur durch
die Rückkoppelwiderstände R15 bis R18 sowie den Rückkoppelteiler R14+R19
festgelegt wird.
Es ist bei einer kaskadierten Verschaltung gewünscht, so viel Verstärkung in die
erste
Stufe zu legen wie möglich, um das Rauschen zu minimieren und die Stabilität zu 
erhöhen. Zu viel Verstärkung in der ersten Stufe reduziert jedoch die Bandbreite.
Die exakte Verteilung der Verstärkung hängt vom Systemverhalten ab,
und muss experimentell bestimmt werden.

R9 und R32 erlauben das Umschalten der Schaltung von einer kaskadierten Schaltung
mit beiden OpAmps im Rückkoppelpfad, hin zu einer normalen Reihenschaltung der 
Verstärkerstufen. Hierfür kann R9 bestückt und R32 ausgelassen werden. Dies dient
zum experimentellen Vergleich der Kaskadenschaltung mit einer regulären Reihenschaltung.

Die Rückkoppelwiderstände und Abschirmwiderstände (R19 bis 13, R15 bis 18, R20 bis 23),
plus die anpassenden Spannungsteiler (R24, R14, R19) sind unverändert vom
ersten Schaltungsdesign.

\begin{figure}[h]
    \centering
    \includegraphics[width=0.7\textwidth]{Auslegung/v1.1/tia_pcb.png}
    \caption{\label{fig:v11_tia_pcb}Auslegung des PCBs der zweiten Revision
        des TIVs}
\end{figure}

Abbildung \ref{fig:v11_tia_pcb} zeigt die Auslegung des PCBs der zweiten Revision.
Hierbei werden die vorherigen Konstruktionen für Rückkoppelpfad und Abschirmung der
Widerstände bei behalten.
Aus diesem Grund wird hierauf nicht mehr genauer eingegangen.

Die Kaskadenschaltung der zwei Verstärker ist um U2 herum gelegt. U2 ist 
ein sog. {\em Dual Package OpAmp}, d.h. es liegen zwei unabhängige 
ADA4817 im selben Packet vor. Dies ermöglicht eine möglichst kleine Auslegung
des Rückkoppelpfades für die zweite Stufe des Verstärkers, welches für die Stabilität
notwendig ist sowie weniger Störquellen einkoppelt.

Der Vollständigkeit halber zeigt Abbildung \ref{fig:v11_pcb_3d_image} ein 3D-Modell
der zweiten Revision der Platine. Die restlichen Schaltungsteile wurden nicht modifiziert,
weshalb auf diese hier nicht mehr eingegangen wird.

\begin{figure}[h]
    \centering
    \includegraphics[width=0.9\textwidth]{Auslegung/v1.1/pcb_3d.png}
    \caption{\label{fig:v11_pcb_3d_image}3D-Modell der zweiten Revision des PCBs}
\end{figure}

\section{Vermessung der Revision}

In diesem Kapitel wird die zweite Revision der Platine
vermessen und auf weitere Fehler überprüft.
Es werden, wenn nicht anders beschrieben, dieselben Methoden wie aus Kapitel \ref{chap:measurements}
genutzt. Wo angemessen, sollen Vergleiche mit der vorherigen Version gezogen werden.

\subsection{Stabilität am IMS}

Es wird nun als aller erstes die Stabilität an einer IMS-Röhre vermessen. Hierfür wird dieselbe 
Röhre wie in der Vermessung der ersten Revision genutzt, an den Eingang des TIVs 
angeschlossen, und vermessen. Hierbei wird die $\SI{47}{\mega\ohm}$ Variante genutzt.

Im Falle der neuen Schaltung liegt nun die erwartete stabile, statische Ausgangsspannung
bei $\SI{0}{\volt}$ mit einem akzeptablem Rauschen. Abbildung \ref{fig:v11_ims_noise} zeigt
das Spektrum des Rauschens dieser Variante.

\begin{figure}[h]
    \centering
    \missingfigure{Add figure of with-IMS noise}
    \caption{\label{fig:v11_ims_noise}Rauschlevel der $\SI{47}{\mega\ohm}$ Variante mit angeschlossenem IMS.}
\end{figure}

Diese Messung bestätigt dass 