Für eine korrekte Interpretation von Messungen mit Oszilloskopen muss deren Eigenanstiegszeit bekannt sein. Deshalb hat die PTB ein optoelektronisches Verfahren zur Bestimmung der Anstiegszeit von ultraschnellen Sampling-Oszilloskopen entwickelt. Das Verfahren erlaubt die rückführbare Messung von Oszilloskop-Anstiegszeiten von nur wenigen Pikosekunden. Breitbandige Sampling-Oszilloskope sind ein unentbehrliches Werkzeug für die Entwicklung ultraschneller elektronischer Schaltungen in der Datenverarbeitungs- und Kommunikationstechnik. Diese Oszilloskope besitzen sehr kleine Eigenanstiegszeiten und erlauben daher die zeitliche Darstellung ultraschneller elektrischer Signale. Die Anstiegszeit ist jedoch nicht Null, so dass die Messkurven verzerrt sein können. Um die Verzerrung zu korrigieren, muss der Anwender die Anstiegszeit des Oszilloskops kennen. Zur deren Bestimmung bedarf es eines Messverfahrens mit noch höherer Zeitauflösung. Deshalb werden Methoden der Femtosekunden-Optik verwendet.
Zur Bestimmung der Anstiegszeit von ultraschnellen Sampling-Oszilloskopen werden ca. 1 ps kurze Spannungsimpulse auf einem koplanaren Wellenleiter erzeugt, indem ein photoleitender Halbleiterschalter mit 100 fs kurzen Laserimpulsen kurzgeschlossen wird. Die Spannungsimpulse werden über eine Mikrowellen-Abtastspitzen in das Oszilloskop eingekoppelt. Ein elektro-optisches Abtastverfahren erlaubt die Vermessung der Spannungsimpulse auf dem Wellenleiter mit 300 fs Zeitauflösung. Aus solchen Messungen lässt sich die Verformung der Impulse auf dem Weg zum Oszilloskop bestimmen und die Form der Impulse am Oszilloskopeingang berechnen. Die Entfaltung der Oszilloskopkurve mit den bekannten Eingangsimpulsen liefert die Übertragungseigenschaften des Oszilloskops und seine Anstiegszeit.
Messungen an verschiedenen 50 GHz und 70 GHz Oszilloskopen ergaben Anstiegszeiten von 5 ps bis 7 ps; die erweiterte Messunsicherheit beträgt typischerweise 1,2 ps. Derart kalibrierte Oszilloskope erlauben verlässliche Messungen in der Höchstfrequenzelektronik. Gegenwärtig kann ein Kalibrierservice für die folgenden Oszilloskopköpfe angeboten werden:
| Hersteller | Oszilloskopkopf | Bandbreite |
| Tektronix | SD-32, 80E01 80E06 | 50 GHz 70 GHz |
| Agilent | 86118A | 70 GHz |
| Le Croy | SE-50 SE-70 | 50 GHz 70 GHz |
Die rückgeführte Anstiegszeit wird aus der Sprungantwort des Oszilloskops gewonnen. Die Sprungantwort stellt eine komplette Charakterisierung des Oszilloskops dar und ist von weit größerer praktischer Bedeutung als die Anstiegszeit. Bei einer Kalibrierung kann daher auf Wunsch neben der Anstiegszeit auch der beste Schätzwert der Sprungantwort mitgeliefert werden.
Normierte Sprungantwort eines 70 GHz Sampling-Oszilloskops. Die Anstiegszeit ist definiert als der Zeitunterschied zwischen dem 10 %-Punkt und dem 90 %-Punkt der Sprungantwort.
Vor kurzem hat die Arbeitsgruppe Terahertz-Optik zusammen mit dem National Physical Laboratory (nationale metrologische Institut Großbritanniens) einen ersten bilateralen Vergleich über die Anstiegszeitkalibrierung eines 50 GHz Sampling-Oszilloskops durchgeführt. Das NPL verwendet einen ähnlichen optoelektronischen Aufbau. In insgesamt drei Messungen wurden Ansteigszeiten zwischen 6.0 ps und 6.6 ps gemessen, mit erweiterten Unsicherheiten von 1,2 ps. Der in solchen Vergleichen üblicherweise definierte "degree of equivalence" ist <0.3 ps mit einer Unsicherheit von 1.0 ps. Der Vergleich validiert damit das experimentelle Vorgehen beider Metrologieinstitute.
Weitere Informationen bei 
Mark.Bieler.
© Physikalisch-Technische Bundesanstalt, letzte Änderung: 2011-11-17, Hans Harcken
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