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\cleardoublepage
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\section{Schaltungsdesign}
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In diesem Kapitel wird der Aufbau einer ersten Prototypen-Schaltung beschrieben.
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Anhand der in Kapitel \ref{chap:tia_design_goals} festgelegten Zielwerte und der in den
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vorherigen Kapitel ermittelten parasitären Effekten und Kompensationsmöglichkeiten werden
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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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Für das Schaltungsdesign wird hierbei das Programm {\em Altium Designer} genutzt,
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welches ein komerziell erhältliches Platinendesigntool ist.
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\subsection{Auslegung des TIV}
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\subsubsection{OpAmp Auswahl}
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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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TIV-Eingang eingegangen.
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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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Zusammengefasst sind folgende Parameter von Bedeutung:
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\begin{itemize}
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\item Hochimpedanter Eingang mit niedrigem Leckstrom.
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Leckströme können das Messsignal verzerren oder überdecken. Da eine
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Messung von Signalen im $\SI{1}{\nano\ampere}$-Bereich gewollt ist,
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sollte der Leckstrom höchstens wenige $\SI{}{\pico\ampere}$ betragen, um
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die Messung nicht zu beeinflussen.
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\item Hohes GBWP und Verstärkung.
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Entsprechend Kapitel \ref{chap:basics_opamp} ist eine hohe Verstärkerbandbreite notwendig, um bei
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den hohen Verstärkungen des TIV stabil zu bleiben.
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\item Niedriges Rauschen. Da das OpAmp-Spannungsrauschen mit der Eingangskapazität
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interagiert, ist ein geringes Rauschen ein wichtiger Auswahlfaktor (siehe Kapitel \ref{chap:opamp_noise}).
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\end{itemize}
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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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\centering
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\caption{\label{table:select_opamp_parameters}Parameter der ausgewählten OpAmps}
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\begin{tabular}{ |l|r|r|r| }
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\hline
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OpAmp & Leckstrom & GBWP & Spannungsauschen @ $\SI{10}{\kilo\hertz}$ \\
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\hline
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ADA4530 \cite{DatasheetADA4530} & $\SI{20}{\femto\ampere}$ & $\SI{2}{\mega\hertz}$ & $\SI{14}{\nano\volt\per\sqrt{\hertz}}$ \\
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ADA4817 \cite{DatasheetADA4817} & $\SI{2}{\pico\ampere}$ & $\SI{400}{\mega\hertz}$ & $\SI{5}{\nano\volt\per\sqrt{\hertz}}$ \\
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LTC6268-10 \cite{DatasheetLTC626810} & $\SI{4}{\femto\ampere}$ & $\SI{4}{\giga\hertz}$ & $\SI{14}{\nano\volt\per\sqrt{\hertz}}$ \\
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LMP7721 \cite{DatasheetLMP7721} & $\SI{20}{\femto\ampere}$ & $\SI{17}{\mega\hertz}$ & $\SI{6.5}{\nano\volt\per\sqrt{\hertz}}$ \\
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\hline
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\end{tabular}
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\end{table}
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Aus diesen OpAmps werden zwei Kandidaten genauer in Betracht gezogen.
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Der {\em ADA4817} besitzt das niedrigste Eingangsrauschen der Auswahl
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und könnte somit das beste Ergebnis liefern, hat jedoch ein grenzwertiges
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GBWP und braucht somit eventuell die komplexere komposite Verschaltung.
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Zudem ist der Eingangsleckstrom vergleichsweise hoch.
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Der {\em LTC6268-10} hat ein durchschnittliches Rauschniveau
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und exzellenten Leckstrom sowie das beste GBWP der Sammlung, wodurch dieser
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Verstärker in einer einzelnen Stufe die Gesamtverstärkung von $\SI{1}{\giga\ohm}$
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erreichen kann.
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Dies vereinfacht den Schaltungsaufbau und bietet weniger Fehlerquellen.
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Es wird somit für diese Schaltung der LTC6268-10 gewählt.
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\subsubsection{TIV-Schaltung}
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\label{chap:tia_circuit_design}
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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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\ref{chap:basics_tia} beschrieben. Da der LTC6268-10 ein ausreichendes
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GBWP von $\SI{4}{\giga\hertz}$ hat, ist entsprechend Kapitel
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\ref{chap:effects_opamp} keine komposite Schaltung notwendig.
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Bezüglich des Rückkoppelwiderstandes ist sowohl für das
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Widerstandsrauschen aus Kapitel \ref{chap:r_noise} sowie für das
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Verstärkerrauschen aus Kapitel \ref{chap:opamp_noise} ein möglichst großer
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Widerstand auszuwählen. Lediglich die parasitären Kapazitäten, beschrieben
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in Kapitel \ref{chap:r_para_calculations}, legen eine obere Grenze der
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Widerstandsgröße fest. Diesbezüglich wird die Kompensationsmöglichkeit
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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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Kapazitäten zu vermindern.
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Da die konkreten Werte der parasitären Effekte nicht bekannt sind
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und in der Realität mit hoher Wahrscheinlichkeit größer sind als in
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der Simulation (durch z.B. andere Komponenten in der Nähe, welche kapazitiv
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mit der Schaltung verkoppelt sind), erfolgt die Auswahl der konkreten Werte
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für die Widerstände dieser Schaltung experimentell.
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Die Auslegung der Schaltung ist in Abbildung \ref{fig:tia_v1_design} zu sehen.
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U2 ist hierbei der TIV, wofür der bereits erwähnte {\em LTC6268-10} genutzt
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wird. Die Rückkoppelwiderstände sind R15, R16, R17, R18, welche in einer
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Reihe geschaltet werden um den Einfluss der Parallelkapazitäten zu verringern.
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Die Feldabschirmung wird hierbei durch Widerstände R10 bis R13 und R20 bis R23
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erzeugt, welche physikalisch neben den Rückkoppelwiderständen platziert werden.
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Sie formen einen Spannungsteiler, welcher die korrekten Potentiale für die Abschirmungen
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liefert. Über den Widerstand R24 können die Spannungsniveaus angepasst werden, falls
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das Potential der Abschirmung höher oder niedriger liegen muss.
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R14 und R19 bilden einen Spannungsteiler, welcher zusätzlich die Gesamtverstärkung
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der Schaltung anheben kann. Dies ist notwendig, da trotz Kompensation der
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Parallelkapazitäten der gewünschte Wert von $\SI{1}{\giga\ohm}$
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nicht erreicht werden kann. Die Altium-Markierung ``{\em Leakage Clearance}''
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passt zudem einige Abstandsregeln des Platinendesign an.
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\begin{figure}[htb]
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\centering
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\includegraphics[width=0.9\linewidth]{Auslegung/v1.0/tia_stage.png}
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\caption{\label{fig:tia_v1_design}Schematischer Schaltkreis des TIVs}
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\end{figure}
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Bei der Auslegung der physikalischen Schaltung werden zusätzliche Einflüsse
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in Betracht gezogen, welche nicht direkt auf dem Schaltplan abbildbar sind.
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So ist z.B. eine vorsichtige Auslegung der Leitungen des Eingangskanals
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notwendig; diese müssen möglichst wenig Fläche einnehmen um Kapazitäten zu
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verringern. Aus dem gleichen Grund werden Kupferflächen reduziert und
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als Muster anstatt als ausgefüllte Flächen ausgeführt.
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Um einen Ladungsaufbau zu verhindern, muss der Isolations-Lack
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der Platine um den Rückkoppelpfad entfernt werden, während Leckströme durch
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weitere Abschirmungspfade verringert werden \cite[S.S. 42]{DatasheetADA4530}.
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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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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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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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um Oberflächenladungen und Leckströme ableiten zu können.
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\begin{figure}[hbp]
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\centering
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\includegraphics[width=0.8\textwidth]{Auslegung/v1.0/tia_pcb.png}
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\caption{\label{fig:tia_v1_pcb}Platinendesign der TIV-Schaltung}
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\end{figure}
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Die Abschirmungselektroden der Widerstände werden aus mehreren Kupferlagen
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aufgebaut. Abbildung \ref{fig:tia_v1_shielding} zeigt den Aufbau inklusive
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innerer Lagen von zwei Elektroden. Rot repräsentiert hierbei die oberste Lage
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von Kupfer, Beige die erste innere Lage, welche hinter einer dünnen
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Isolationsschicht unter der obersten Lage liegt.
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Oben und unten sind die Widerstände der Abschirmung zu finden, während der
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eigentliche Rückkoppelwiderstand in der Mitte platziert wird. Die Kontakte
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des Rückkoppelwiderstandes sind hierbei auf der obersten Lage von einem
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dünnen Pfad zur Abschirmung umgeben.
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Auf der zweiten Lage wird eine Kupferfüllung untergebracht, welche auf dem
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gleichen Potential der Abschirmung liegt. Diese Füllung dient zur
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Verringerung der Feldstärke im Platinenmaterial selbst.
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\begin{figure}[htp]
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\centering
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\includegraphics[width=0.7\textwidth]{Auslegung/v1.0/shielding.png}
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\caption{\label{fig:tia_v1_shielding}Aufbau der Schirmelektroden des
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Rückkoppelpfades}
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\end{figure}
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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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sowie die Kupferflächen der Elektroden entfernt. Sie werden nicht durch Erdflächen
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ersetzt, um keine zusätzliche Erdkapazität in den hochimpedanten Pfad einzukoppeln.
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\FloatBarrier
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\subsection{Unterstützende Schaltungen}
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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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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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Dieser Schaltungselemente werden somit kurz und der Vollständigkeit
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halber beschrieben.
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\subsubsection{Filter-Stufe}
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Entsprechend der in Kapitel \ref{chap:tia_design_goals} festgelegten
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Zielwerte solle der Schaltkreis eine Bandbreite von $\SI{30}{\kilo\hertz}$
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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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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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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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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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wesentlich schneller abfallende Frequenzgänge erreichen können als herkömmliche RC-Filter.
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Diese Filter werden an den Ausgang des TIV angeschlossen.
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Für diese Anwendung wird ein sog. Butterworth-Filter mit zwei Stufen gewählt. Dieser
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Filter bietet einen flachen Frequenzgang mit steilem Abfall von -80dB/Dekade ab der
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Grenzfrequenz.
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Er besteht aus zwei in Reihe geschalteten OpAmps in aktiver Filter-Konfiguration, und
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kann somit mit leicht erhältlichen Dual-Package OpAmps erstellt werden.
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Für diesen Filter wird der generische {\em TL072} gewählt.
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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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welches für die angegebenen Filter-Parameter eine Schaltung berechnet, da die
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händische Berechnung der Komponenten, vor allem bei Einhaltung
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standardisierter
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Komponentenreihen (E24), nicht trivial ist.
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Die erstellte Filter-Stufe ist in
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Abbildung \ref{fig:filter_stage_design} dargestellt. Die berechnete Übertragungsfunktion
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dieses Filters ist in Abbildung \ref{fig:filter_stage_bandwidth} aufgezeichnet.
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Zu sehen ist eine glatte Übertragungsfunktion bis hin zum -3~dB-Punkt bei $\SI{30}{\kilo\hertz}$,
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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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von 20dB gedämpft.
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\FloatBarrier
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\begin{figure}[ht]
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\centering
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\includegraphics[width=0.8\linewidth]{Auslegung/filter_stage.png}
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\caption{\label{fig:filter_stage_design}Schaltkreis der berechneten Filter-Stufe nach \cite{ADFilterDesign}}
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\end{figure}
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\begin{figure}[hp]
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\centering
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\includegraphics[width=0.8\linewidth]{Auslegung/filter_stage_bandwidth.png}
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\caption{\label{fig:filter_stage_bandwidth}Bandbreite der berechneten Filter-Stufe nach \cite{ADFilterDesign}}
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\end{figure}
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\FloatBarrier
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\newpage
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\subsubsection{Ausgangstreiber}
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\label{chap:design_output_driver}
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Der Ausgang des Verstärkers wird an einen Analog-Digital-Wandler (im Folgenden ``ADC'') angeschlossen.
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Dieser wandelt die analoge Spannung in ein digitales Messsignal für die weitere Auswertung
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um. Verschiedene ADCs benötigen verschiedene Spannungsniveaus des Messsignals, sowie
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teilweise ein differentielles Signal. Aus diesem Grund wird eine Verstärkerstufe rein
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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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gewählt werden, somit werden vorerst Platzhalter genutzt.
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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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\centering
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\includegraphics[width=0.75\linewidth]{Auslegung/output_driver.png}
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\caption{\label{fig:design_output_driver}Schaltkreis des Ausgangstreibers}
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\end{figure}
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\subsubsection{Spannungsversorgung}
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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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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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eine differentielle Spannungsversorgung notwendig.
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Um all dies zu erreichen, wird die Spannungsversorgung aus zwei Stufen aufgebaut:
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\begin{enumerate}
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\item Ein isolierender DC/DC Wandler mit dualem Ausgang, der {\em TDN 3-2423}, liefert
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$\SI{\pm 15}{\volt}$ Spannung mit einem weiten Eingangsspannungsbereich.
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Durch die Isolation können sog. Ground-Loops,
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d.h. Schleifen aus Erdverbindungen, vermieden werden. Diese können als Antennen
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fungieren und somit zusätzliches Rauschen einfangen. Eine Isolation verhindert dies
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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 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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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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Versorgung von sensitiven Bauteilen.
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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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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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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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\end{enumerate}
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\begin{figure}[H]
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\centering
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\includegraphics[width=0.8\linewidth]{Auslegung/power_dcdc.png}
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\caption{\label{fig:design_power_dcdc}Schaltkreis des DCDC-Wandlers der Stromversorgung}
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\end{figure}
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\begin{figure}[H]
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\centering
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\includegraphics[width=0.8\linewidth]{Auslegung/power_ldo.png}
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\caption{\label{fig:design_power_ldo}Schaltkreis des Linearreglers der TIV-Versorgung}
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\end{figure}
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\subsection{Auslegung des PCB}
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Nach Beschreibung der verwendeten Schaltkreise wird nun auf die
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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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Abbildung \ref{fig:v1_pcb_design} zeigt den Aufbau der Platine mit allen Komponenten.
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Die einzelnen Elemente des TIV sind von links nach rechts wie folgt angeordnet:
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\begin{enumerate}
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\item Der DC/DC-Wandler der Spannungsversorgung muss möglichst weit vom Verstärker
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selbst angebracht werden, da die Schaltvorgänge des Wandlers Störsignale ausbilden
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können.
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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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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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platziert werden.
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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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fließen können. Das gesamte TIV-System wird zur Minimierung externer Einflüsse
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zudem in ein Schirmgehäuse untergebracht.
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\end{enumerate}
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\FloatBarrier
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\begin{figure}[ht]
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\centering
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\includegraphics[width=0.95\linewidth]{Auslegung/v1.0/pcb_3d.png}
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\caption[3D-Modell des gesamten TIV-Schaltkreises]{
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\label{fig:v1_pcb_design}
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3D-Modell des gesamten TIV-Schaltkreises.
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Überlagert ist die grundlegende Verteilung der
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Schaltungselemente eingezeichnet.}
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\end{figure}
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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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\begin{itemize}
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\item Vier M3-Schraublöcher werden an den Enden der Platine zur mechanischen
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Befestigung bereit gestellt.
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\item Ein 2-Pin PSK-Stecker dient zur Stromversorgung
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\item Mehrere diverse PSK-Stecker sowie Testpads werden entlang der Schaltung
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platziert, um Spannungen sowie Signale überprüfen zu können. Dies
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beinhaltet mitunder die Ausgänge des DC/DC-Wandlers,
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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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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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und sind somit gut geeignet für das Eingangs- und Ausgangssignal des Verstärkers.
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|
\end{itemize}
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Die Platine wird mithilfe von komerziellen Fertigungsverfahren hergestellt,
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wobei die Bestückung der Komponenten durch die kleine Anzahl von Platinen
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mit variierten Bauteilen von Hand durchgeführt wird.
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Abbildung \ref{fig:v1_pcb_picture} zeigt ein Foto eines der erstellten Schaltkreise.
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\begin{figure}[h]
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|
\centering
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|
\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} |