master-thesis/TeX/Kapitel/Auslegung/Schaltungsdesign.tex
2024-09-09 13:17:06 +02:00

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18 KiB
TeX

\cleardoublepage
\section{Schaltungsdesign}
In diesem Kapitel wird der Aufbau einer ersten Prototypen-Schaltung beschrieben.
Anhand der in Kapitel \ref{chap:tia_design_goals} festgelegten Zielwerte und der in den
vorherigen Kapitel ermittelten parasitären Effekten und Kompensationsmöglichkeiten werden
konkrete Bauteile für die Konstruktion eines ersten TIV verglichen und ausgewählt. Hiernach
wird die Schaltung des TIVs ausgelegt und dessen Funktionsweise erläutert.
Für das Schaltungsdesign wird hierbei das Programm {\em Altium Designer} genutzt,
welches ein komerziell erhältliches Platinendesigntool ist.
\subsection{Auslegung des TIV}
\subsubsection{OpAmp Auswahl}
\label{chap:v10_opamp_choice}
In diesem Abschnitt wird auf die genaue Auswahl eines OpAmp für den hochimpedanten
TIV-Eingang eingegangen.
Dieser OpAmp legt viele wichtige Systemparameter fest und
bestimmt maßgeblich das Verhalten und das Rauschniveau des TIVs selbst.
Zusammengefasst sind folgende Parameter von Bedeutung:
\begin{itemize}
\item Hochimpedanter Eingang mit niedrigem Leckstrom.
Leckströme können das Messsignal verzerren oder überdecken. Da eine
Messung von Signalen im $\SI{1}{\nano\ampere}$-Bereich gewollt ist,
sollte der Leckstrom höchstens wenige $\SI{}{\pico\ampere}$ betragen, um
die Messung nicht zu beeinflussen.
\item Hohes GBWP und Verstärkung.
Entsprechend Kapitel \ref{chap:basics_opamp} ist eine hohe Verstärkerbandbreite notwendig, um bei
den hohen Verstärkungen des TIV stabil zu bleiben.
\item Niedriges Rauschen. Da das OpAmp-Spannungsrauschen mit der Eingangskapazität
interagiert, ist ein geringes Rauschen ein wichtiger Auswahlfaktor (siehe Kapitel \ref{chap:opamp_noise}).
\end{itemize}
Tabelle \ref{table:select_opamp_parameters} listed die in Betracht gezogenen OpAmps
zusammen mit einigen ihrer Parameter auf.
\begin{table}[h]
\centering
\caption{\label{table:select_opamp_parameters}Parameter der ausgewählten OpAmps}
\begin{tabular}{ |l|r|r|r| }
\hline
OpAmp & Leckstrom & GBWP & Spannungsauschen @ $\SI{10}{\kilo\hertz}$ \\
\hline
ADA4530 \cite{DatasheetADA4530} & $\SI{20}{\femto\ampere}$ & $\SI{2}{\mega\hertz}$ & $\SI{14}{\nano\volt\per\sqrt{\hertz}}$ \\
ADA4817 \cite{DatasheetADA4817} & $\SI{2}{\pico\ampere}$ & $\SI{400}{\mega\hertz}$ & $\SI{5}{\nano\volt\per\sqrt{\hertz}}$ \\
LTC6268-10 \cite{DatasheetLTC626810} & $\SI{4}{\femto\ampere}$ & $\SI{4}{\giga\hertz}$ & $\SI{14}{\nano\volt\per\sqrt{\hertz}}$ \\
LMP7721 \cite{DatasheetLMP7721} & $\SI{20}{\femto\ampere}$ & $\SI{17}{\mega\hertz}$ & $\SI{6.5}{\nano\volt\per\sqrt{\hertz}}$ \\
\hline
\end{tabular}
\end{table}
Aus diesen OpAmps werden zwei Kandidaten genauer in Betracht gezogen.
Der {\em ADA4817} besitzt das niedrigste Eingangsrauschen der Auswahl
und könnte somit das beste Ergebnis liefern, hat jedoch ein grenzwertiges
GBWP und braucht somit eventuell die komplexere komposite Verschaltung.
Zudem ist der Eingangsleckstrom vergleichsweise hoch.
Der {\em LTC6268-10} hat ein durchschnittliches Rauschniveau
und exzellenten Leckstrom sowie das beste GBWP der Sammlung, wodurch dieser
Verstärker in einer einzelnen Stufe die Gesamtverstärkung von $\SI{1}{\giga\ohm}$
erreichen kann.
Dies vereinfacht den Schaltungsaufbau und bietet weniger Fehlerquellen.
Es wird somit für diese Schaltung der LTC6268-10 gewählt.
\subsubsection{TIV-Schaltung}
\label{chap:tia_circuit_design}
In diesem Unterkapitel wird die konkrete Schaltung des TIVs erstellt.
Der Grundlegende Aufbau eines TIV-Schaltkreises wurde bereits in Kapitel
\ref{chap:basics_tia} beschrieben. Da der LTC6268-10 ein ausreichendes
GBWP von $\SI{4}{\giga\hertz}$ hat, ist entsprechend Kapitel
\ref{chap:effects_opamp} keine komposite Schaltung notwendig.
Bezüglich des Rückkoppelwiderstandes ist sowohl für das
Widerstandsrauschen aus Kapitel \ref{chap:r_noise} sowie für das
Verstärkerrauschen aus Kapitel \ref{chap:opamp_noise} ein möglichst großer
Widerstand auszuwählen. Lediglich die parasitären Kapazitäten, beschrieben
in Kapitel \ref{chap:r_para_calculations}, legen eine obere Grenze der
Widerstandsgröße fest. Diesbezüglich wird die Kompensationsmöglichkeit
der Serienschaltung sowie der Feldabschirmung aus
Kapitel \ref{chap:r_para_mitigations} genutzt, um den Einfluss der
Kapazitäten zu vermindern.
Da die konkreten Werte der parasitären Effekte nicht bekannt sind
und in der Realität mit hoher Wahrscheinlichkeit größer sind als in
der Simulation (durch z.B. andere Komponenten in der Nähe, welche kapazitiv
mit der Schaltung verkoppelt sind), erfolgt die Auswahl der konkreten Werte
für die Widerstände dieser Schaltung experimentell.
Die Auslegung der Schaltung ist in Abbildung \ref{fig:tia_v1_design} zu sehen.
U2 ist hierbei der TIV, wofür der bereits erwähnte {\em LTC6268-10} genutzt
wird. Die Rückkoppelwiderstände sind R15, R16, R17, R18, welche in einer
Reihe geschaltet werden um den Einfluss der Parallelkapazitäten zu verringern.
Die Feldabschirmung wird hierbei durch Widerstände R10 bis R13 und R20 bis R23
erzeugt, welche physikalisch neben den Rückkoppelwiderständen platziert werden.
Sie formen einen Spannungsteiler, welcher die korrekten Potentiale für die Abschirmungen
liefert. Über den Widerstand R24 können die Spannungsniveaus angepasst werden, falls
das Potential der Abschirmung höher oder niedriger liegen muss.
R14 und R19 bilden einen Spannungsteiler, welcher zusätzlich die Gesamtverstärkung
der Schaltung anheben kann. Dies ist notwendig, da trotz Kompensation der
Parallelkapazitäten der gewünschte Wert von $\SI{1}{\giga\ohm}$
nicht erreicht werden kann. Die Altium-Markierung ``{\em Leakage Clearance}''
passt zudem einige Abstandsregeln des Platinendesign an.
\begin{figure}[htb]
\centering
\includegraphics[width=0.9\linewidth]{Auslegung/v1.0/tia_stage.png}
\caption{\label{fig:tia_v1_design}Schematischer Schaltkreis des TIVs}
\end{figure}
Bei der Auslegung der physikalischen Schaltung werden zusätzliche Einflüsse
in Betracht gezogen, welche nicht direkt auf dem Schaltplan abbildbar sind.
So ist z.B. eine vorsichtige Auslegung der Leitungen des Eingangskanals
notwendig; diese müssen möglichst wenig Fläche einnehmen um Kapazitäten zu
verringern. Aus dem gleichen Grund werden Kupferflächen reduziert und
als Muster anstatt als ausgefüllte Flächen ausgeführt.
Um einen Ladungsaufbau zu verhindern, muss der Isolations-Lack
der Platine um den Rückkoppelpfad entfernt werden, während Leckströme durch
weitere Abschirmungspfade verringert werden \cite[S.S. 42]{DatasheetADA4530}.
Abbildung \ref{fig:tia_v1_pcb} zeigt das Design der Platine für den Teil
des TIVs selbst. Der Messeingang ist hierbei der runde Kreis des inneren
Anschlusses der SMA-Buchse. Dieser ist möglichst eng an den Verstärker U2
sowie der Kaskade der Rückkoppelwiderstände angeschlossen.
Um den gesamten hochimpedanten Bereich wird der Lötstopplack entfernt
und der Bereich des TIV-Eingangs wird mit einem geerdeten Pfad umgeben,
um Oberflächenladungen und Leckströme ableiten zu können.
\begin{figure}[hbp]
\centering
\includegraphics[width=0.8\textwidth]{Auslegung/v1.0/tia_pcb.png}
\caption{\label{fig:tia_v1_pcb}Platinendesign der TIV-Schaltung}
\end{figure}
Die Abschirmungselektroden der Widerstände werden aus mehreren Kupferlagen
aufgebaut. Abbildung \ref{fig:tia_v1_shielding} zeigt den Aufbau inklusive
innerer Lagen von zwei Elektroden. Rot repräsentiert hierbei die oberste Lage
von Kupfer, Beige die erste innere Lage, welche hinter einer dünnen
Isolationsschicht unter der obersten Lage liegt.
Oben und unten sind die Widerstände der Abschirmung zu finden, während der
eigentliche Rückkoppelwiderstand in der Mitte platziert wird. Die Kontakte
des Rückkoppelwiderstandes sind hierbei auf der obersten Lage von einem
dünnen Pfad zur Abschirmung umgeben.
Auf der zweiten Lage wird eine Kupferfüllung untergebracht, welche auf dem
gleichen Potential der Abschirmung liegt. Diese Füllung dient zur
Verringerung der Feldstärke im Platinenmaterial selbst.
\begin{figure}[htp]
\centering
\includegraphics[width=0.7\textwidth]{Auslegung/v1.0/shielding.png}
\caption{\label{fig:tia_v1_shielding}Aufbau der Schirmelektroden des
Rückkoppelpfades}
\end{figure}
Um den Einfluss der Abschirmung abschätzen zu können, wird eine zweite Version der
Schaltung ohne diese Schirmungselektroden ausgelegt. Hierfür werden die Widerstände
sowie die Kupferflächen der Elektroden entfernt. Sie werden nicht durch Erdflächen
ersetzt, um keine zusätzliche Erdkapazität in den hochimpedanten Pfad einzukoppeln.
\FloatBarrier
\subsection{Unterstützende Schaltungen}
In den folgenden Paragraphen werden weitere unterstützende Schaltungen
beschrieben, welche für die korrekte Funktionsweise des TIV nötig sind,
jedoch selbst nicht kritisch für die Charakteristik des TIVs sind, da
sie ohne große Anforderungen an Präzision o.ä. erstellt werden können.
Dieser Schaltungselemente werden somit kurz und der Vollständigkeit
halber beschrieben.
\subsubsection{Filter-Stufe}
Entsprechend der in Kapitel \ref{chap:tia_design_goals} festgelegten
Zielwerte solle der Schaltkreis eine Bandbreite von $\SI{30}{\kilo\hertz}$
erreichen. Der im Kapitel \ref{chap:tia_circuit_design} erstellte Schaltkreis
wird auf eine Bandbreite knapp über $\SI{30}{\kilo\hertz}$ abgestimmt,
wobei der parasitäre RC-Filter einen Abfall von -20dB/Dekate besitzt.
Da bekannt ist, dass das zu messende Signal mit einer Bandbreite von $\SI{30}{\kilo\hertz}$
vorliegt, können alle Frequenzen hierüber möglichst stark gedämpft werden.
Dies verringert das Rauschniveau, da die TIV-Schaltung selbst ein recht breites
Rauschspektrum bis in die obigen $\SI{100}{\kilo\hertz}$ besitzt. Hierfür können
aktive Filter verwendet werden, welche mithilfe von OpAmps, Widerständen und Kapazitäten
wesentlich schneller abfallende Frequenzgänge erreichen können als herkömmliche RC-Filter.
Diese Filter werden an den Ausgang des TIV angeschlossen.
Für diese Anwendung wird ein sog. Butterworth-Filter mit zwei Stufen gewählt. Dieser
Filter bietet einen flachen Frequenzgang mit steilem Abfall von -80dB/Dekade ab der
Grenzfrequenz.
Er besteht aus zwei in Reihe geschalteten OpAmps in aktiver Filter-Konfiguration, und
kann somit mit leicht erhältlichen Dual-Package OpAmps erstellt werden.
Für diesen Filter wird der generische {\em TL072} gewählt.
Für die genaue
Auslegung des Filters wurde das ``Filter-Design-Tool'' von Analog Devices (siehe \cite{ADFilterDesign}) genutzt,
welches für die angegebenen Filter-Parameter eine Schaltung berechnet, da die
händische Berechnung der Komponenten, vor allem bei Einhaltung
standardisierter
Komponentenreihen (E24), nicht trivial ist.
Die erstellte Filter-Stufe ist in
Abbildung \ref{fig:filter_stage_design} dargestellt. Die berechnete Übertragungsfunktion
dieses Filters ist in Abbildung \ref{fig:filter_stage_bandwidth} aufgezeichnet.
Zu sehen ist eine glatte Übertragungsfunktion bis hin zum -3~dB-Punkt bei $\SI{30}{\kilo\hertz}$,
nach welchem wie erhofft ein steiler Abfall von -80dB/Dekade vorliegt.
Somit werden Rauschanteile sowie andere Störsignale bereits ab $\SI{50}{\kilo\hertz}$ um einen Faktor
von 20dB gedämpft.
\FloatBarrier
\begin{figure}[ht]
\centering
\includegraphics[width=0.8\linewidth]{Auslegung/filter_stage.png}
\caption{\label{fig:filter_stage_design}Schaltkreis der berechneten Filter-Stufe nach \cite{ADFilterDesign}}
\end{figure}
\begin{figure}[hp]
\centering
\includegraphics[width=0.8\linewidth]{Auslegung/filter_stage_bandwidth.png}
\caption{\label{fig:filter_stage_bandwidth}Bandbreite der berechneten Filter-Stufe nach \cite{ADFilterDesign}}
\end{figure}
\FloatBarrier
\newpage
\subsubsection{Ausgangstreiber}
\label{chap:design_output_driver}
Der Ausgang des Verstärkers wird an einen Analog-Digital-Wandler (im Folgenden ``ADC'') angeschlossen.
Dieser wandelt die analoge Spannung in ein digitales Messsignal für die weitere Auswertung
um. Verschiedene ADCs benötigen verschiedene Spannungsniveaus des Messsignals, sowie
teilweise ein differentielles Signal. Aus diesem Grund wird eine Verstärkerstufe rein
für die Umsetzung der Spannungslevel erstellt, welche durch Anpassung der Widerstände
diverse Verstärkungen und Offsets ermöglicht. Die genauen Widerstände müssen je nach ADC
gewählt werden, somit werden vorerst Platzhalter genutzt.
Diese Stufe ist in Abbildung \ref{fig:design_output_driver} dargestellt.
\begin{figure}[H]
\centering
\includegraphics[width=0.75\linewidth]{Auslegung/output_driver.png}
\caption{\label{fig:design_output_driver}Schaltkreis des Ausgangstreibers}
\end{figure}
\subsubsection{Spannungsversorgung}
\label{chap:power_supply_design}
Für die korrekte Operation des TIV müssen die für die Verstärker benötigten Spannungen
bereitgestellt werden. Hierbei ist eine hohe Qualität, d.h. ein stabiles Spannungsniveau auch
unter Last sowie ein möglichst geringes Rauschen der Versorgung notwendig. Zudem ist
eine differentielle Spannungsversorgung notwendig.
Um all dies zu erreichen, wird die Spannungsversorgung aus zwei Stufen aufgebaut:
\begin{enumerate}
\item Ein isolierender DC/DC Wandler mit dualem Ausgang, der {\em TDN 3-2423}, liefert
$\SI{\pm 15}{\volt}$ Spannung mit einem weiten Eingangsspannungsbereich.
Durch die Isolation können sog. Ground-Loops,
d.h. Schleifen aus Erdverbindungen, vermieden werden. Diese können als Antennen
fungieren und somit zusätzliches Rauschen einfangen. Eine Isolation verhindert dies
effektiv. Der duale Spannungsausgang des Wandlers vereinfacht zudem die Versorgung
der Verstärker. Von Nachteil ist ein recht hoher Rauschanteil am Ausgang des Wandlers.
Der Schaltkreis des DC/DC-Wandlers ist in Abbildung \ref{fig:design_power_dcdc} dargestellt.
\item Um das Rauschniveau zu reduzieren und um den TIV-OpAmp mit der korrekten
Spannung versorgen zu können, wird ein Linearregler genutzt. Dieser Typ von Regler
bietet einen sehr stabilen und rauscharmen Ausgang und eignet sich somit gut für die
Versorgung von sensitiven Bauteilen.
Ein dedizierter Zweikanal-Linearregler, der {\em LT3032}, wird über einen
RC-Filter mit der DC/DC-Spannung versorgt und liefert die
notwendigen Spannungen für den TIV selbst. Dieser Regler ist speziell für
niedrige Rauschlevel konzipiert und ist somit bestens für die Bereitstellung
einer stabilen Spannung geeignet.
Der Schaltkreis des Linearreglers ist in Abbildung \ref{fig:design_power_ldo} dargestellt.
\end{enumerate}
\begin{figure}[H]
\centering
\includegraphics[width=0.8\linewidth]{Auslegung/power_dcdc.png}
\caption{\label{fig:design_power_dcdc}Schaltkreis des DCDC-Wandlers der Stromversorgung}
\end{figure}
\begin{figure}[H]
\centering
\includegraphics[width=0.8\linewidth]{Auslegung/power_ldo.png}
\caption{\label{fig:design_power_ldo}Schaltkreis des Linearreglers der TIV-Versorgung}
\end{figure}
\subsection{Auslegung des PCB}
Nach Beschreibung der verwendeten Schaltkreise wird nun auf die
konkrete Platzierung der Komponenten eingegangen.
Eine korrekte Positionierung ist notwendig, um Störsignale
zu minimieren, da gewisse Schaltungsteile eigene Rauschquellen sind.
Abbildung \ref{fig:v1_pcb_design} zeigt den Aufbau der Platine mit allen Komponenten.
Die einzelnen Elemente des TIV sind von links nach rechts wie folgt angeordnet:
\begin{enumerate}
\item Der DC/DC-Wandler der Spannungsversorgung muss möglichst weit vom Verstärker
selbst angebracht werden, da die Schaltvorgänge des Wandlers Störsignale ausbilden
können.
\item Mittig auf der Platine ist der Linearregler sowie die Filter-Stufe und
der Ausgangstreiber angebracht. Der Linearregler ist hierbei möglichst nah
an den Spannungseingang des TIV gelegt, um die Distanz hierzu zu
vermindern. Die Ausgangs-Stufe ist nicht rauschanfällig und kann somit beliebig
platziert werden.
\item Auf der rechten Seite der Platine wird der TIV selbst platziert. Somit
ist garantiert, dass keine unnötigen Stromflüsse durch diesen Verstärkerteil
fließen können. Das gesamte TIV-System wird zur Minimierung externer Einflüsse
zudem in ein Schirmgehäuse untergebracht.
\end{enumerate}
\FloatBarrier
\begin{figure}[ht]
\centering
\includegraphics[width=0.95\linewidth]{Auslegung/v1.0/pcb_3d.png}
\caption[3D-Modell des gesamten TIV-Schaltkreises]{
\label{fig:v1_pcb_design}
3D-Modell des gesamten TIV-Schaltkreises.
Überlagert ist die grundlegende Verteilung der
Schaltungselemente eingezeichnet.}
\end{figure}
Zusätzlich zu den bereits etablierten Komponenten der Schaltung werden einige
mechanische Verbindungen zur Operation des Schaltkreises untergebracht:
\begin{itemize}
\item Vier M3-Schraublöcher werden an den Enden der Platine zur mechanischen
Befestigung bereit gestellt.
\item Ein 2-Pin PSK-Stecker dient zur Stromversorgung
\item Mehrere diverse PSK-Stecker sowie Testpads werden entlang der Schaltung
platziert, um Spannungen sowie Signale überprüfen zu können. Dies
beinhaltet mitunder die Ausgänge des DC/DC-Wandlers,
des Linearreglers, sowie den ungefilterten Ausgang des TIVs selbst.
\item Zur Verbindung des TIV Eingangs sowie Bereitstellung des Ausgangssignals
werden SMA-Steckverbindungen benutzt. Diese sind besonders gut geeignet
für Signale, die einer Schirmung und präzisen Übertragung benötigen
und sind somit gut geeignet für das Eingangs- und Ausgangssignal des Verstärkers.
\end{itemize}
Die Platine wird mithilfe von komerziellen Fertigungsverfahren hergestellt,
wobei die Bestückung der Komponenten durch die kleine Anzahl von Platinen
mit variierten Bauteilen von Hand durchgeführt wird.
Abbildung \ref{fig:v1_pcb_picture} zeigt ein Foto eines der erstellten Schaltkreise.
\begin{figure}[h]
\centering
\includegraphics[width=0.8\textwidth]{Auslegung/v1.0/pcb_photo.jpg}
\caption{\label{fig:v1_pcb_picture}Bild des fertig gestellten TIV-PCBs}
\end{figure}