Wofür benötigt man einen aktiven Tastkopf? Um diese Frage zu beantworten, muss man sich zunächst die Eigenschaften eines passiven Tastkopfes vor Augen führen. Der passive Tastkopf besteht aus einem Widerstand und einem (Trimm)-Kondensator zum Abgleichen. Das Oszilloskop wird aus einem Eingangswiderstand von einem Megaohm und eine Kapazität von 20pF modelliert.
Passiver Tastkopf mit Teilerverhältnis 10:1.
Der nutzbare Frequenzbereich des passiven 10:1 Tastkopfes geht bis ca. 10 MHz. Zwar kann man noch bei einer Frequenz von 100MHz messen, das Signal ist jedoch um den Faktor 10 eingebrochen. Die limitierte Frequenzbandbreite kann durch einen aktiven Tastkopf umgangen werden:
Aktiver Tastkopf
Ein aktiver Tastkopf basiert auf einer mit Strom versorgten Verstärkungselektronik. In der Regel ist dies ein Hochgeschwindigkeits-Operationsverstärker mit entsprechender Verschaltung. Folgende Abbildung zeigt ein einfaches Modell eines solchen Tastkopfes (Simulation mit LTSpice). Download des Schematics hier.
Einfaches Modell aktiver Tastkopf: Simulation des Frequenzganges.
Zentrales Element ist der Operationsverstärker, der über einen Spannungsteiler an den negativen Eingang rückgekoppelt ist. Am Ausgang des OP-Amps ist eine Leitung mit 50 Ohm Impedanz und 50ns Phasenlaufzeit modelliert. Das Oszilloskop wird erneut durch einen Megaohm-Widerstand und eine 20pF-Kapazität dargestellt. Hier ist das Oszilloskop jedoch mit 50 Ohm terminiert, um hohe Frequenzen besser messen zu können. Der Megaohm-Widerstand spielt durch die parallel geschaltete 50 Ohm-Kapazität keine Rolle mehr. Eine solche Terminierung kann entweder durch das Oszilloskop intern oder durch einen Adapter extern geschehen. Terminiert man das Oszilloskop nicht entsprechend, kann es zu starken Reflexionen kommen, die zu einem gestörten Frequenzgang führen. Die Impedanz aller Komponenten muss angepasst sein, sonst werden die Wellen an dem Impedanzsprung reflektiert und laufen auf der Leitung zurück. Auf der Eingangsseite ist eine Spannungsquelle mit 1 V Amplitude und 50 Ohm Reihenwiderstand auf den Plus-Pol des Operationsverstärkers eingekoppelt.
Der Frequenzgang des Schaltung fängt bei ca. 40 MHz leicht an abzufallen. Allerdings liegt der Pegel durch die Operationsverstärker bei über 20V, wird also deutlich verstärkt. Bei 100 MHz ist das Signal auf knapp 1 V abgefallen. Man kann mit dieser einfachen Schaltung bereits bis zu einigen hundert MHz messen. Der aktive Tastkopf ermöglicht also eine höhere Frequenzbandbreite und hohe Ausgangspegel. Durch entsprechendes Schaltungsdesign lässt sich die Kennlininie noch signifikant verbessern. Kommerzielle Tastköpfe sind bis in den hohen GHz-Bereich verfügbar.