HF-Messtechnik Mit Hochfrequenz-Tastköpfen und Oszilloskop zuverlässig messen

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Hochfrequenzmessungen mit dem Oszilloskop sind anspruchsvoll: Schon kleine Fehler bei der Auswahl oder Positionierung des Tastkopfes können zu massiven Messartefakten führen. Wie sich Tastkopfbelastung, EM-Einkopplung und Bandbreitenverluste vermeiden lassen.

Ob beim Entwurf neuer Systeme, bei der Fehlersuche im Labor oder bei der Vorbereitung auf Konformitätstests – ohne präzise und reproduzierbare Messungen sind valide Aussagen zur Schaltungsfunktion kaum möglich. Hochleistungsoszilloskope liefern die notwendige Signalauflösung, aber erst mit dem richtigen Tastkopf lassen sich hochfrequente Signalverläufe realitätsnah erfassen. Doch: Ein Tastkopf ist nie ein rein passives Element – er beeinflusst die Schaltung, die er messen soll. Umso wichtiger ist es, seine Eigenschaften und Grenzen zu kennen.

Warum differenzielle Tastköpfe bei HF-Anwendungen im Vorteil sind

Aktive differenzielle Tastköpfe mit hoher Eingangsimpedanz sind besonders bei Hochfrequenzsignalen unverzichtbar. Sie minimieren die Last auf den Messpunkt, verbessern die Signalqualität und sind weniger störanfällig gegenüber Gleichtaktsignalen oder Masseschleifen. Im Vergleich zu Single-Ended-Tastköpfen ermöglichen sie realitätsnähere Messungen – vor allem bei differenziellen oder empfindlichen Hochgeschwindigkeitsdesigns. Die Kopplung erfolgt über zwei symmetrische Signalpfade, wodurch sich sowohl die Signalqualität als auch die Unterdrückung unerwünschter Störungen deutlich verbessern.

Doch die Wahl des passenden Tastkopfes allein genügt nicht. Entscheidend ist, wie die Verbindung mit dem Prüfling erfolgt – sowohl elektrisch als auch mechanisch. Entwickler müssen verstehen, wie sich Tastkopfbelastung auf die Schaltung auswirkt, und lernen, diese Einflüsse gezielt zu kompensieren.

Tastkopf-Belastung: Ein unterschätzter Einflussfaktor

Wird ein Tastkopf an eine Schaltung angeschlossen, wird er zum Bestandteil des Systems. Er führt galvanische und parasitäre Impedanzen ein – ein Effekt, der als „Tastkopf-Belastung“ bezeichnet wird. Dabei handelt es sich um komplexe elektrische Wechselwirkungen, die sich nicht nur auf das gemessene Signal, sondern auch auf das Verhalten der Schaltung selbst auswirken können. Ein typischer Tastkopf bildet eine Shunt-Impedanz zur Masse am Knotenpunkt und bringt eine differenzielle Impedanz zwischen den beiden Anschlusskontakten ein. Ist diese Impedanz ausreichend hoch – insbesondere im betrachteten Frequenzbereich –, bleibt der Einfluss gering. Bei niedrigeren Impedanzen hingegen kann die Signalform verzerrt, die Bandbreite reduziert und das Einschwingverhalten verändert werden.

Für Entwickler stellt sich oft die Frage: Wie sieht das Signal ohne Tastkopf aus? Mithilfe moderner Software für Oszilloskope lassen sich Korrekturen auf Basis von Modellen oder real gemessenen Belastungsparametern vornehmen. Alternativ kann die Messung exportiert und mit Simulationstools, beispielsweise SPICE oder S-Parameter-Modellen, nachbearbeitet werden. Besonders hilfreich sind Belastungsmodelle, die von den Herstellern der Tastköpfe bereitgestellt oder vom Anwender selbst charakterisiert wurden.

S-Parameter-Modelle zur Belastungskorrektur

Viele aktuelle Oszilloskope erlauben die Integration von S-Parametern, die das frequenzabhängige Verhalten des Tastkopfes modellieren. Diese Daten – entweder werksseitig kalibriert oder vom Anwender erstellt – können in die Signalanalyse eingebunden werden. Bei Messungen an 50-Ohm-Systemen sind grundlegende Annahmen möglich, doch komplexe differenzielle oder asymmetrische Designs erfordern eine genauere Charakterisierung.

Mit diesen Tools lassen sich Messdaten so rekonstruieren, als sei der Tastkopf nicht vorhanden. Das hilft, die ursprüngliche Signalform besser zu verstehen und zu bewerten, wie stark die Messung das Verhalten des Prüflings tatsächlich beeinflusst hat. Die Korrektur erfolgt entweder direkt in der Software des Oszilloskops oder in der nachgelagerten Analyse – etwa mit Simulationsumgebungen, die die parasitären Effekte gezielt herausrechnen.

Impedanzverlauf und Frequenzverhalten

Ein kritischer Aspekt bei der Auswahl eines Tastkopfes ist dessen Eingangsimpedanz im relevanten Frequenzbereich. Bild 1 zeigt exemplarisch den Verlauf für unterschiedliche Tastkopftypen – beispielsweise für RC- und RCRC-konfigurierte Tastköpfe. Die Impedanz nimmt mit steigender Frequenz ab, wodurch der Tastkopf zunehmend Strom aus der Schaltung ableitet. Dies kann die Signalform massiv verändern, insbesondere bei schnellen Flanken und hochfrequenten Komponenten. Entscheidend ist also, die Impedanzkurve des Tastkopfes zu kennen und den Einsatzbereich entsprechend abzustimmen. Hochfrequenzanwendungen erfordern Tastköpfe mit hoher Impedanz auch im GHz-Bereich, da bereits geringfügige Abweichungen das Messergebnis verfälschen können.

Eine unerwünschte EM-Kopplung und ihre Folgen

Neben der elektrischen Belastung spielen auch elektromagnetische Einflüsse eine Rolle. Die meisten Tastköpfe verfügen über eine abgeschirmte Signalführung – jedoch nicht über ihre gesamte Länge. Insbesondere der vordere Bereich, direkt an der Spitze, ist oft aus fertigungstechnischen Gründen ungeschirmt. Über diese offenen Abschnitte kann hochfrequente Energie aus der Umgebung einkoppeln und das Messergebnis verfälschen. Typische Effekte sind:

• Vorzeitige Signalflanken (Überschwingen),

• Verzerrung der Sprungantwort,

• Reduktion der Anstiegszeit zwischen 10 und 90 % und

• Verringerung der Augenöffnung bei digitalen Signalen.

Diese Effekte entstehen nicht im Prüfling selbst, sondern sind rein messtechnischer Natur – was die Fehlersuche erschwert. Entwicklern bleibt oft nur die Möglichkeit, den Messaufbau zu optimieren und mögliche Einstrahlquellen zu minimieren. Ein oft unterschätzter Faktor ist die mechanische Positionierung des Tastkopfes. Idealerweise sollte die Tastkopfspitze senkrecht auf dem Prüfling aufsetzen. Bei schräger oder gar flacher Ankopplung können sich Einstrahlpfade ausbilden, die die Signalqualität drastisch verschlechtern.

Die Bilder 2 bis 4 zeigen exemplarisch die Auswirkungen der Tastkopfposition auf ein 52-GHz-Signal. Bereits eine Abweichung von 45 Grad zur optimalen Ausrichtung kann die -3dB-Bandbreite um mehrere GHz verringern. Auch die Stufenantwort zeigt starke Verzerrungen. Besonders kritisch sind Geometrien, bei denen die Tastkopfleiterbahn parallel zur Signalleitung des DUT verläuft – hier kommt es zu maximaler kapazitiver Einkopplung und ungewolltem Energieabgriff. Einige moderne Tastköpfe bieten spezielle Halterungen oder Mikromechaniken zur optimalen Ausrichtung. Auch belastungsangepasste Spitzengeometrien können helfen, parasitäre Effekte zu reduzieren.

Richtig Messen heißt verstehen – auch die Messung selbst

Tastköpfe sind kein neutrales Fenster zur Wirklichkeit. Sie verändern das beobachtete Objekt. Dies ist bei Hochfrequenzanwendungen entscheidend. Wer zuverlässige Messergebnisse will, muss sich mit den Eigenschaften, Grenzen und Interaktionen seiner Messmittel auseinandersetzen. Die Wahl des richtigen Tastkopfes, das Verständnis seiner Belastung, die korrekte Positionierung und der Einsatz geeigneter Korrekturverfahren sind keine Randthemen, sondern zentraler Bestandteil jeder sauberen Messstrategie. Moderne Software, Simulationsmodelle und Herstellerdaten unterstützen Entwickler dabei, die tatsächlichen Signalverläufe zu rekonstruieren und fundierte Aussagen zu treffen. (heh)

* Hal Paver ist Entwickler bei Keysight Technoloiges.

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