DE102006052745A1 - Oszilloskop-Tastkopf - Google Patents

Abstract

Bei einem Tastkopf (21) für ein Oszilloskop (24) mit einem als Impedanzwandler dienenden mehrstufigen Transistor-Verstärker (26), dessen Ausgang mit dem Oszilloskopf (24) verbunden ist, ist dem Eingang (V_in) des Verstärkers (26) eine über das Oszilloskop (24) fernsteuerbare elektronische Schaltvorrichtung (27) zugeordnet. Über diese ist anstelle der Messspannung der Messspitze (22) wahlweise Massepotential oder eine Referenzspannung an den Verstärker-Eingang (V_in) anschaltbar, so dass bei an Masse liegendem Verstärker-Eingang (V_in) der Gleichspannungs-Offset und bei Anliegen der Referenzspannung der Verstärkungsfehler im Oszilloskop (24) gemessen und bei der Auswertung der Messspannung im Oszilloskop entsprechend berücksichtigt wird.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Oszilloskop-Tastkopf laut Oberbegriff des Hauptanspruches.
• Aktive Tastköpfe für massebezogene oder differentielle Oszilloskope beinhalten einen als Impedanzwandler dienenden Verstärker, der das zu messende Signal über die Tastspitze hochohmig abgreift und es am Ausgang mit einer charakteristischen Impedanz von meist 50 Ohm über ein entsprechendes HF-Kabel dem Eingang des Oszilloskops zuführt. Vor diesem Verstärker ist im allgemeinen ein Eingangsspannungsteiler vorgeschaltet, der aus Widerständen und Kondensatoren aufgebaut ist und dazu dient, den linearen Bereich des Verstärkers zu erhöhen und dessen Eingangskapazität zu kompensieren. Dieser Eingangsteiler stellt das begrenzende Element für die weitere Miniaturisierung solcher aktiver Tastköpfe dar. Außerdem erzeugt er parasitäre Effekte, welche die Bandbreite solcher aktiver Tastköpfe begrenzen. Zuletzt kann ein solcher Verstärker zu Schwingungen neigen, wenn er am Eingang nicht niederohmig angepasst ist. Dies ist der Fall, wenn der Verstärkereingang über einen Bonddraht mit dem Eingangsteiler verbunden ist, der für hohe Frequenzen eine hohe Impedanz aufweist.
• Bei allen bisher bekannten aktiven Tastköpfen für Oszilloskope werden Spannungsteiler benutzt, die entweder aus diskreten Bauelementen aufgebaut sind oder in Dick- oder Dünnschichttechnik realisiert sind (beispielsweise nach US-Patentschriften US 5,172,051 , US 6,483,284 , US 6, 949, 919 , US 6, 982, 550 , US 5, 061, 892 , US 5, 796, 308 , US 6,720,828 , US 6,967,473 oder US 6,828,769 ). Die Elemente des Spannungsteilers sind dabei auf einem Keramik- oder Leiterplatten-Substrat zusammen mit dem als eigenes Bauteil vorgesehenen Verstärkerchip angeordnet. Der Abgleich des Spannungsteilers erfolgt über Potentiometer, Varaktordioden oder durch Laserabgleich von Widerstands- oder Kondensatorflächen auf dem Substrat. Bei allen diesen bekannten Anordnungen wird ein großer Teil der Substratfläche von dem abgleichbaren Spannungsteiler belegt. Außerdem erzeugen parasitäre Elemente des Spannungsteilers ungewollte Frequenzgänge, die die Bandbreite auf wenige GHz reduzieren. Solche parasitäre Elemente sind vor allem Induktivitäten und Kapazitäten der relativ großen Dickschichtelemente im Millimeterbereich sowie die Induktivität der Bonddrähte zwischen den Elementen. Beim Aufbau aus diskreten Bauelementen ist der Einfluss der parasitären Elemente für gewöhnlich noch dominanter.
• Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Oszilloskop-Tastkopf mit Eingangsspannungsteiler und Verstärker zu schaffen, der diese Nachteile vermeidet.
• Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Oszilloskop-Tastkopf laut Oberbegriff des Hauptanspruches durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Eine vorteilhafte Weiterbildung ergibt sich aus dem Unteranspruch.
• Gemäß der Erfindung wird mindestens ein Teil, vorzugsweise der gesamte Spannungsteiler in integrierter Schaltungstechnik zusammen mit dem Verstärker auf dem Halbleitersubstrat aufgebaut. In der modernen Halbleitertechnologie ist es ohne weiteres möglich, zusätzliche Trimmpunkte auf dem Halbleitersubstrat vorzusehen, durch die auch noch nach dem Zusammenbau des Tastkopfes der Spannungsteiler abgeglichen werden kann.
• Dies kann beispielsweise durch zusätzliche Matrizen aus parallel und/oder seriell geschalteten Widerständen oder Kondensatoren erfolgen, deren Zuleitungen selektiv beispielsweise in Lasertechnik aufgetrennt werden. Die auf dem Halbleiterchip integrierten Bauelemente sind wesentlich kleiner als solche in Dickschichttechnologie oder als Einzelbauelemente, sie liegen im Bereich von etwa 10 μm. Damit kann ein solcher Spannungsteiler in einem Frequenzbereich bis beispielsweise 10 GHz nahezu frei von störenden parasitären Elementen aufgebaut werden. Außerdem kann der Halbleiterchip direkt an die Substratkante des Messkopfes gesetzt werden, was die Abmessung des Signalpfades des Tastkopfes erheblich reduziert und eine weitere Miniaturisierung der Tastköpfe erlauben. Durch die unmittelbare Integrierung von Eingangsteiler und Verstärker entfällt außerdem ein bisher üblicher Verbindungsdraht und eine daraus resultierende bisher störende hohe Impedanz bei hohen Frequenzen. Die Abmessungen des Verstärker-Chips erhöhen sich durch die Integration dieses Teilers nicht oder nur unwesentlich, da die Chipfläche zumeist durch die Größe der Kontaktflächen limitiert ist.
• Wenn möglich wird der gesamte Eingangsspannungsteiler auf dem Verstärkerchip integriert, alternativ kann aber auch nur ein Teil dieses Spannungsteilers auf dem Halbleiterchip integriert werden, während ein möglichst geringer Teil in herkömmlicher Technik ausgeführt ist. So können beispielsweise die Kondensatoren und niederohmigen Widerstände auf dem Haltleiterchip integriert werden, während die hochohmigen Widerstände (bis 2 MOhm) weiterhin in Dickschichttechnologie oder als hybride Bauelemente auf dem Substrat realisiert werden. Die Erfindung kann sowohl bei massebezogenen als auch bei differenziellen Tastköpfen angewendet werden.
• Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer schematischen Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
• 1 eine schematische Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Tastkopfs.
• Die Erfindung zeigt ein in einem Tastkopf für ein Oszilloskop eingebautes Substrat 1 aus Keramik oder in Form eines Leiterplattenstücks, auf dem ein Halbleiterchip aufgesetzt ist, auf welchem z. B. als ASIC auf einem entsprechenden Halbleitersubstrat 2 ein Verstärker 3 zusammen mit einem Eingangsspannungsteiler 4 integriert ist. Der Eingang des Spannungsteilers 4 ist mit einer Leiterbahn 5 verbunden, die zur Tastspitze des Tastkopfes führt. Der Ausgang des Verstärkers 3 steht mit einer Leitbahn 6 in Verbindung, die den Ausgang des Tastkopfs bildet, der über ein Kabel mit dem eigentlichen nicht dargestellten Oszilloskop verbunden ist.
• Im Bereich des aus Widerständen und Kondensatoren bestehenden Spannungsteilers 4 sind vorzugsweise noch zusätzliche Matrizen aus parallel- und/oder seriell geschalteten Widerständen bzw. Kondensatoren vorgesehen, deren Zuleitungen selektiv in Lasertechnik aufgetrennt werden können, so dass der Eingangsspannungsteiler auch noch nach dem Zusammenbau des Tastkopfes getrimmt werden kann. Auch diese Matrizen sind vorzugsweise Halbleitertechnologie auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet. Die in Halbleitertechnik aufgebauten Widerstands- und Kondensator-Elemente können auch dadurch abgeglichen werden, dass ihre Flächen selektiv beschnitten werden.
• Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Alle beschriebenen und/oder gezeichneten Merkmale sind beliebig miteinander kombinierbar.

Claims (5)

1. Oszilloskop-Tastkopf mit einem in integrierter Schaltungstechnik auf einem Halbleitersubstrat (2) aufgebauten Transistor-Verstärker (3) und einem diesem vorgeschalteten Eingangsspannungsteiler (4), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil des Eingangsspannungsteilers (4) ebenfalls in integrierter Schaltungstechnik zusammen mit dem Verstärker (3) auf dem Halbleitersubstrat (2) aufgebaut ist.
2. Oszilloskop-Tastkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass den in Halbleitertechnik aufgebauten Widerstands- und Kondensatorelementen des Eingangsspannungsteilers (4) abgleichbare Widerstands- und/oder Kondensator-Matrizen zugeordnet sind.
3. Oszilloskop-Tastkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in Halbleitertechnik aufgebauten Widerstands- und Kondensator-Element abgleichbar sind, indem ihre Flächen selektiv beschnitten werden.
4. Oszilloskop-Tastkopf nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstands- und Kondensator-Matrizen bzw. die Widerstands- und Kondensator-Elemente auf dem Halbleitersubstrat so angeordnet sind, dass sie auch noch nach dem Zusammenbau des Tastkopfes abgleichbar sind.
5. Oszilloskop-Tastkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nur die Kondensatoren und niederohmigen Widerstände des Eingangsspannungsteilers (4) auf dem Halbleitersubstrat integriert sind.