Einfacher Tastkopf für Gigahertz Signale

Jeder Tastkopf und jedes Koaxialkabel bringt eine gewisse Kapazität mit sich. Diese Kapazität belastet und Dämpft das zu messende Signal um so mehr, um so höher die Signalfrequenz ist. Ein PP016 300 MHz-Tastkopf von Teledyne LeCroy hat beispielsweise eine Eingangskapazität von 12 pF in der 1:10 Position. Tastköpfe mit noch geringerer Bandbreite haben meist eine noch höhere Eingangskapazität.

12 pF klingt nicht nach viel. Bei einer Frequenz von 1 GHz entspricht dies einer Reaktanz (Wechselstromwiderstand) von 13,26 Ohm. Diese 13,26 Ohm liegen nun Parallel zum zu messenden Signal. Diese Reaktanz stellt selbst bei einer niedrigen Systemimpedanz von 50 Ohm eine enorme Belastung da. Unser Ziel ist es jedoch die Belastung der zu messenden Schalung durch den Tastkopf möglich gering zu halten. Das heißt die Eingangsimpedanz (Reaktanz + Widerstand) des Tastkopfes sollte so hoch wie möglich sein.

Selbstverständlich gibt es speziell für diesen Zweck passive Tastköpfe mit besonders kleiner Eingangskapazität zu kaufen. Beispielsweise der PP066 Tastkopf von Teledyne LeCroy mit einer Eingangskapazität von < 0,25 pF [1]:

Teledyne LeCroy PP066 Tastkopf mit kleiner Eingangskapazität von 0,25 pF für bis zu 7.5 GHz

Der Aufbau des Tastkopfes sieht sehr einfach gehalten aus. Auf meiner Ideensuche ist mir meine Kiste mir Semi-Rigid SMA-Brücken in den Sinn gekommen. Semi-Rigid Kabel haben eine sehr geringe Kapazität in der Größenordnung von 0,1 pF / mm. Ein kleines Stück Semi-Rigid mit einer Länge von 2,5 cm hätte also eine Kapazität von 2,5 pF. Bei 1 GHz entspräche das einer Reaktanz von von 63,66 Ohm. Das ist auf jeden Fall deutlich besser als die oben angegebenen 13,26 Ohm.

Semi-Rigid Brücke mit SMA-Steckern aus der Bastelkiste

Als erstes wurde das Stück SMA Kabel in der Mitte durchtrennt. Danach wurde der starre Mantel des Semi-Rigid etwas verkürzt. Dann wurde der Innenleiter freigelegt.

Cut-off semi-rigid coax cable

Als nächstes wurde ein Stück Draht an den Mantel des Koaxialkabel gelötet. Fertig ist der improvisierte Tastkopf mit geringer Eingangsimpedanz für den GHz-Bereich:

Improvisierter Tastkopf mit geringer Eingangsimpedanz für den GHz-Bereich

Diesen improvisierten Tastkopf für den GHz-Bereich könnte man jetzt mit einem 450 Ohm Widerstand (4 x 1,8 kOhm parallel) in Serie zum Innenleiter zum 1:10 Tastkopf mit noch höherer Eingangsimpedanz verwandeln. Diese Optimierung habe ich allerdings nicht ausprobiert. Für meine Versuche habe ich lediglich eine Oszillatorstufe mit einem Frequenzzähler verbinden wollen. Mit einem einfachen Koaxialkabel verweigerte dieser die Mitarbeit. Mit der hier gezeigten Lösung funktionierte alles wunderbar.

Man sollte noch beachten, dass die aufgezeigten Lösungen für eine Ausgangsimpedanz von 50 Ohm ausgelegt sind. Das heißt die nachfolgende Stufe (Oszilloskop, Spektrumanalysator, etc) sollte eine Eingangsimpedanz von 50 Ohm haben.

Links und Quellen:

[1] PP066 High Bandwidth
Passive Probe, Teledyne LeCroy: http://teledynelecroy.com/