Zeitbereichs-Charakterisierung von Oszilloskopen mit 100 MHz Bandbreite Kalibrierung von Höchstfrequenz-Oszilloskopen

Mittels optoelektronischer, auf Femtosekunden-Lasertechnik basierender Messverfahren lässt sich Höchstfrequenzelektronik verlässlich kalibrieren. In der PTB wurde die nicht-invasive Messtechnik nun erweitert, um auch die Zeitantwort ultraschneller Sampling-Oszilloskope mit einer Bandbreite von 100 GHz zu bestimmen.

Die Bandbreite kommerzieller Höchstfrequenzschaltungen steigt stetig an. Zur Charakterisierung solcher Bauteile kommen u.a. ultraschnelle Sampling-Oszilloskope mit Bandbreiten bis zu 100 GHz zum Einsatz. Weil 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 konnte die PTB Oszilloskope mit einer Bandbreite von 70 GHz kalibrieren, der erweiterte Aufbau erlaubt nun jedoch 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 photoleitenden Schalter ultrakurze Spannungsimpulse mit einer Halbwertsbreite von weniger als 2 ps erzeugt. Der photoleitende Schalter ist in eine metallische koplanare Wellenleiterstruktur auf einem Halbleitermaterial integriert. Die Spannungsimpulse breiten sich entlang des Wellenleiters aus und so lässt sich ihr Zeitverlauf mittels optoelektronischer Messtechnik genau messen. 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. Die PTB verwendet dazu kommerzielle Mikrowellen-Tastspitzen, so genannte Prober. Nachdem - ebenfalls mit optoelektronischen Methoden - die Übertragungsfunktion des Mikrowellenprobers ermittelt und 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 lässt sich die Impulsantwort des Oszilloskops ermitteln. Bei der Auswertung der Messergebnisse wird die Unsicherheit durch eine Monte-Carlo-Analyse bestimmt. Das erlaubt eine vollständige Charakterisierung des Oszilloskops, weil nicht nur für jeden Zeitpunkt der Impulsantwort eine Unsicherheit angegeben werden kann, sondern auch Korrelationen zwischen verschiedenen Zeitpunkten berücksichtigt werden.