Differenztastkopf: Aktiver massefreier Tastkopf.
Der Differenztastkopf ist eine Sonderform des aktiven Tastkopfes. Der Differenz- oder Differentialtastkopf misst die Differenz zweier Spannungspotentiale, ohne dabei die Oszilloskopmasse mit der zu untersuchenden Schaltung zu verbinden. Dadurch wird die Masseproblematik bei Oszilloskopen effektiv umgangen.
Aufbau Differenztastkopf
Die obige Abbildung zeigt das Prinzipschaltbild eines aktiven Differenztastkopfes. Das Schaltbild ist symbolisch zu verstehen, im Detail kann sich die Schaltung erheblich unterscheiden. Zentrales Element ist ein Operationsverstärker, der eine differentielle Spannung an den BNC-Pin des Oszilloskops weiterführt (rechts im Bild). Die Oszilloskop-Masse ist an der gekennzeichneten Stelle mit dem differentiellen Tastkopf verbunden. Ein einzelner Operationsverstärker führt bei einer hohen Verstärkung zu einer hohen Eingangsimpedanz, die Schaltung würde dadurch unnötig belastet. Dies vermeidet man, indem man dem Operationsverstärker zwei weitere vorschaltet. Die Eingangsimpedanz des Tastkopfes bleibt dadurch niedrig trotz guter Verstärkungsleistung. Der negative Anschluss an jedem Operationsverstärker stellt den Eingang zum differentiellen Abgreifen dar.
BNC-Anschluss am Oszilloskop mit Zusatzkontakten.
Die Operationsverstärker müssen mit einer Betriebsspannung versorgt werden, sie sind also aktiv gespeist. Dies kann durch Batterien im Differenztastkopf geschehen oder durch Zusatzanschlüsse neben dem BNC-Stecker. Jeder Operationsverstärker hat nur einen bestimmten validen Spannungsbereich, in dem er arbeiten kann. Im Zweifelsfall kann die Eingangsspannung nicht die Batteriespannung übersteigen. Daher erklärt sich, dass aktive Tastkopfe einen geringeren Messbereich als die passiven Vertreter haben.
In der Praxis sind Differenztastköpfe noch komplexer aufgebaut, um Stabilitätsproblemen aus dem Weg zu gehen. Daniel Kramnik empfiehlt in seinem Blog (englischsprachig), statt zwei Operationsverstärkern je zwei Source-Follower (Drainschaltungen) mit Transistoren einzusetzen. Dadurch erreicht man eine niedrige Eingangsimpedanz und vermeidet Rückkopplungen der Operationsverstärker. Auf seiner Seite gibt er Tipps für den Selbstbau von aktiven Tastköpfen, einen Beispielschaltplan und Eagle-Files zum Nachbauen.
Im Signal-Path-Blog auf Youtube gibt es ein interessantes Video, in dem ein 25GHz Hochfrequenz-Tastkopf auseinander gebaut wird. Spezielle Halbleitertechnologien kommen zum Einsatz um solche Probes zu fertigen. Außerdem verfügt ein solcher Tastkopf über einen Prozessor und Digitalelektronik zur Speicherung von Kalibrierkurven.