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Kalibrierung von Höchstfrequenz-Oszilloskopen

Besonders interessant für:
  • Kalibrierlaboratorien
  • Metrologieinstitute
  • Hersteller von Höchstfrequenzmesstechnik

Mittels optoelektronischer Messverfahren, die auf Femtosekunden-Lasertechnik basieren, kann Höchstfrequenzelektronik verlässlich kalibriert werden. In der PTB wurde eine solche nicht-invasive Messtechnik erweitert, um die Zeitantwort von ultraschnellen Abtast-Oszilloskopen mit einer Bandbreite von 100 GHz zu bestimmen.

Mikroskopaufnahme der koplanaren Wellenleiterstruktur. Die Lücke im Mittelleiter bildet den sogenannten photoleitenden Schalter, der nach Anregung mit einem ultrakurzen Laserpuls einen Pikosekunden-Spannungsimpuls (rote Wellenform) produziert, der sich entlang der Wellenleiterstruktur ausbreitet.

Die Bandbreite von kommerziellen Höchstfrequenzschaltungen steigt stetig an. Zur Charakterisierung entsprechender Bauteile werden unter anderem ultraschnelle Abtast-Oszilloskope verwendet, die heutzutage eine Bandbreite bis zu 100 GHz aufweisen. Da die Zeitantwort der Oszilloskope das gemessene Signal verfälscht und dieser Einfluss mit der Frequenz stärker wird, muss für genaue hochfrequente Messungen die Zeitantwort der Oszilloskope rückgeführt kalibriert werden. Dabei benötigt die verwendete Messtechnik eine zwei- bis dreimal so große Bandbreite wie die der Oszilloskope. Bislang konnten in der PTB Oszilloskope mit einer Bandbreite von 70 GHz kalibriert werden. Der nun erweiterte Aufbau erlaubt auch die Kalibrierung der Zeitantwort von Abtast-Oszilloskopen mit einer Bandbreite von 100 GHz.

Das hierbei verwendete Verfahren basiert auf optoelektronischen Messungen im Zeitbereich. Dabei werden zunächst mittels eines Femtosekunden-Lasers in einem sogenannten photoleitenden Schalter ultrakurze Spannungsimpulse mit einer Halbwertsbreite von weniger als 2 Pikosekunden erzeugt. Der photoleitende Schalter ist in eine metallische koplanare Wellenleiterstruktur auf einem Halbleitermaterial integriert. Die Spannungsimpulse breiten sich entlang des Wellenleiters aus und ihr Zeitverlauf kann mittels optoelektronischer Messtechnik genau gemessen werden. Die Zeitachse der gemessenen Wellenform ist dabei auf die SI-Einheit Sekunde zurückgeführt.

Um mit diesen kurzen Spannungsimpulsen Geräte mit koaxialem Eingangsstecker kalibrieren zu können, müssen die Impulse vom koplanaren auf den koaxialen Wellenleiter transferiert werden. In der PTB werden dazu kommerzielle Mikrowellen-Tastspitzen, sogenannte Prober, verwendet. Nachdem – ebenfalls mit optoelektronischen Methoden – die Übertragungsfunktion des Mikrowellenprobers ermittelt sowie weitere experimentelle Einflüsse berücksichtigt wurden, kann man die Form eines ins Oszilloskop einlaufenden Spannungsimpulses sehr genau berechnen.

Über einen Vergleich des einlaufenden Impulses mit dem vom Oszilloskop gemessenen Signal kann die Impulsantwort des Oszilloskops ermittelt werden. Bei der Auswertung der Messergebnisse wird die Unsicherheit durch eine Monte-Carlo Analyse bestimmt. Dies erlaubt eine vollständige Charakterisierung des Oszilloskops, da nicht nur für jeden Zeitpunkt der Impulsantwort eine Unsicherheit angegeben werden kann, sondern auch Korrelationen zwischen verschiedenen Zeitpunkten berücksichtigt werden.

Ansprechpartner:

Heiko Füser,
Fachbereich 2.5 Halbleiterphysik und Magnetismus,
Tel.: (0531) 592-2522,
E-Mail: heiko.fueser(at)ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung:

Bieler, M:, Spitzer, M.; Pierz, K.; Siegner, U.: Improved Optoelectronic Technique for the Time-Domain Characterization of Sampling Oscilloscopes. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement 58 (2009), 1065–1071