-
Die Erfindung betrifft ein Tastkopf-System, beispielsweise für ein Oszilloskop. Das Tastkopf-System kann aber auch für andere Messgeräte, beispielsweise einen SpektrumAnalysator oder einen Netzwerkanalysator eingesetzt werden.
-
Aus dem Stand der Technik sind schon verschiedene Tastkopf-Systeme mit unterschiedlichen Verstärkerarchitekturen bekannt. Beispielsweise zeigt die
US 6 856 126 B2 eine Verstärkerarchitektur mit einem differentiellen Tastkopf mit zwei in Basisschaltung betriebenen bipolaren Pufferstufen und einem differentiellen Verstärker. Dabei sind Kompensationsnetzwerke vorhanden, welche die Nullstelle des Spitzennetzwerks kompensieren soll. Es ist nur ein einziger Verstärker für den gesamten Frequenzbereich in Form eines differentiellen Operationsverstärkers vorhanden. Die in dieser Druckschrift vorgeschlagene Schaltungstopologie hat den Nachteil, dass der Verstärker im gesamten Frequenzbereich optimiert werden, also sowohl für Gleichstrom-Signale als auch für Hochfrequenz-Signale gute Eigenschaften haben muss. Dies ist oft nicht möglich.
-
In der
US 2006/0290357 A1 findet sich ein durch eine verteilte Struktur gebildeter Hochfrequenzverstärker und zwei weitere Verstärker. Diese Verstärker sind in der Beschreibung als „instrumentation amplifier“ bezeichnet. Die dort vorhandenen Kompensationsnetzwerke sind als Rückkopplungsstruktur zwischen dem Ausgang des jeweiligen Verstärkers und dem invertierenden Eingang des jeweiligen Verstärkers ausgebildet.
-
Bei der
US 5 384 532 A ist zwar ein eingangsseitiges Netzwerk, gebildet durch Widerstände und einen Kondensator, vorhanden. Eine Kompensation der durch dieses Netzwerk gebildeten Polstelle ist jedoch weder gezeigt noch beschrieben. Da nicht zwei Verstärker mit jeweils einem Ausgang vorhanden sind, kann dort die erfindungsgemäße Schaltung auch nicht zum Einsatz kommen.
-
Die
US 2006/0061348 A1 hat zwar einen differentiellen Eingang mit einem Eingangsnetzwerk bestehend aus Widerständen und einem Kondensator. Auch ist dort jeweils ein Verstärker vorhanden. Auch ist bei der Entgegenhaltung die Kompensation durch eine rückgekoppelte Parallelschaltung aus Widerstand und Kondensator bewirkt.
-
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Tastkopf-System mit einer über den gesamten Frequenzbereich optimierten Verstärkung und ggf. einer Kompensation zu schaffen, welche über den gesamten Frequenzbereich möglichst homogen wirkt, sodass eine glatte Gesamtübertragungsfunktion entsteht.
-
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
-
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die Verstärker der niederfrequenten Komponente und der hochfrequenten Komponente auf zumindest zwei verschiedene Verstärker aufzuteilen. Ein erster Verstärker dient nur zur Verstärkung der niederfrequenten Komponente des Eingangssignals und ein zweiter Verstärker dient nur zur Verstärkung einer hochfrequenten Komponente des Eingangssignals.
-
Das Tastkopf-System eignet sich insbesondere auch für differentielle Eingangssignale. In diesem Fall ist ein dritter Verstärker vorhanden, welcher die niederfrequente Komponente des zweiten Eingangssignals, welches zusammen mit dem ersten Eingangssignal das differentielle Signal bildet, verstärkt. Der zweite Verstärker übernimmt dann auch die Verstärkung der hochfrequenten Komponente des zweiten Eingangssignals, wobei er als differentieller Verstärker ausgebildet ist. Die einzelnen Ausgangssignale der Verstärker können an einer Summiereinrichtung entsprechend dem Vorzeichen der jeweils verstärkten Komponente zusammengefügt werden. Bei der Summiereinrichtung kann es sich im einfachsten Fall um einen einfachen Schaltungsknoten handeln, es können aber auch Verstärker mit hochohmig entkoppelten Eingängen, beispielsweise Operationsverstärker zum Einsatz kommen.
-
Zur Kompensation ist entweder ausgangsschaltig eine Parallelschaltung aus einem geeigneten Widerstand und einem geeigneten Kondensator oder aber eine Parallelschaltung aus dem Widerstand und dem Kondensator in dem Rückkopplungszweig des Verstärkers vorgesehen. Sind zwei ausgangsseitige Kompensationsnetzwerke für den zweiten und dritten Verstärker vorhanden, so können diese zu einem einzigen Kompensationsnetzwerk aus nur einem Kondensator und einem Widerstand zusammengefasst werden.
-
Der erste und dritte Verstärker besitzen vorzugsweise einen niederohmigen Signaleingang. Die Niederohmigkeit kann durch Rückkopplung oder einen intrinsisch niederohmigen Verstärker, wie z.B. einen Transimpedanz-Operationsverstärker realisiert werden.
-
Vorzugsweise ist an jedem Eingang des zweiten zur Verstärkung der hochfrequenten Komponente dienenden Verstärkers jeweils ein Koppelkondensator vorgesehen, welcher die Gleichspannungskomponente und niederfrequente Komponente von dem Eingang des zweiten Verstärkers fernhält. Der Abgriff für den hochfrequenten Verstärker erfolgt vorzugsweise über einem Widerstand, über welchen der Eingang des ersten bzw. dritten Verstärkers mit der Übertragungsleitung verbunden ist. Dieser Widerstand dient sowohl als Abgriff für den hochfrequenten Verstärker, als auch als Abschlusswiderstand der jeweiligen Übertragungsleitung. Wenn ein weiterer Widerstand in Signalflussrichtung vor der Übertragungsleitung angeordnet ist, so entsteht ein Spannungsteiler, welcher die Eingangsspannung für den der Verstärkung der Hochfrequenzkomponente dienenden zweiten Verstärker herabsetzt.
-
Die Ausgestaltung des Eingangsnetzwerks mit zwei Widerständen, wobei nur einer der Widerstände durch einen parallel geschalteten Kondensator überbrückt ist, hat den Vorteil, dass neben einer Nullstelle auch eine Polstelle im Eingangsnetzwerk vorhanden ist. Beim Stand der Technik ist hingegen nur eine Nullstelle vorhanden, da der Serienwiderstand fehlt. Durch die Polstelle wird die Eingangsimpedanz bei hohen Frequenzen im Bereich mehrerer GHz angehoben.
-
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele beispielhaft näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
- 1 das Prinzipschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Tastkopf-Systems;
- 2 den Frequenzgang des ersten und des zweiten Verstärkers des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Tastkopf-Systems;
- 3 das Prinzipschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Tastkopf-Systems und
- 4 das Prinzipschaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Tastkopf-Systems.
-
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Tastkopf-Systems. Das erfindungsgemäße Tastkopf-System dient insbesondere als Tastkopf für ein Oszilloskop, es kann jedoch auch in anderer Weise eingesetzt werden.
-
An einem Eingangsanschluss E1 liegt die Spannung Vinp eines Eingangssignals an. Im Ausführungsbeispiel durchläuft dieses Eingangssignal Vinp zunächst einen ersten Widerstand R1p und einen zweiten Widerstand R2p, bevor es an eine Übertragungsleitung Tp gelangt. Bei dieser Übertragungsleitung Tp kann es sich beispielsweise um eine Koaxial-Leitung handeln. Es sind aber auch Flachbandleitungen oder Streifenleitungen, insbesondere Koplanar-Leitungen, möglich. Mittels der Übertragungsleitung Tp wird das Signal über eine gewisse räumliche Distanz bis zu einer Verstärkungseinheit VE transportiert.
-
In der Verstärkereinheit VE gelangt das Eingangssignal dann über einen dritten Widerstand R3p an den Eingang eines ersten Verstärkers A1. Dieser erste Verstärker A1 dient zur Verstärkung einer niederfrequenten Komponente des Eingangssignals, insbesondere eines Gleichspannungspegels. Deshalb ist der Eingangswiderstand dieses ersten Verstärkers A1 bevorzugt niederohmig ausgelegt, sodass ein nennenswerter Strom Iin in den Eingang des Verstärkers A1 hinein fließt.
-
Zur Verstärkung der relativ hochfrequenten Komponente des Eingangssignals dient ein zweiter Verstärker A2. Dieser ist entweder direkt oder über ein Koppelnetzwerk, welches zumindest einen Koppelkondensator C3p beinhaltet, zwischen dem Ausgang der Übertragungsleitung Tp und dem dritten Widerstand R3p angeschlossen. Zwischen der ersten Übertragungsleitung Tp und dem dritten Widerstand R3p können jedoch auch weitere Schaltungskomponenten vorgesehen sein. Der zweite Verstärker A2 hat bevorzugt einen hochohmig ausgelegten Eingangswiderstand, sodass er im Wesentlichen als Spannungsverstärker für die am Eingang anliegende Spannung Vin dient.
-
Begründen kann man dies mit dem Spitzennetzwerk bestehend aus Vin, R2 (hochohmig) sowie C1 und R1 (niederohmig). Bei einer konstanten Eingangsspannung Vin wirkt das Spitzennetzwerk bei Gleichstrom bzw. Niederfrequenz (DC/NF) wie eine hochohmige Stromquelle für die Verstärker, die den Strom Vin/R2 injiziert. Eine Stromquelle deswegen, weil der abgegebene Strom unabhängig von ihrer Last ist, da R2 sehr groß ist. Bei hohen Frequenzen wirkt sie eher wie eine niederohmige Spannungsquelle mit Innenwiderstand R1. Dieser Eigenschaft kann man am besten Rechnung tragen durch einen niederohmigen Verstärker für Gleichstrom bzw. Niederfrequenz (DC/NF), z.B. durch einen niederohmigen Transimpedanz-Verstärker für Photodioden, und einen hochohmigen Verstärker mit Spannungsteiler für Hochfrequenz. Dadurch hat man eine maximale Fehlanpassung mit allen Vorteilen: z.B. maximale Bandbreite, minimales Rauschen, minimaler Gleichspannungsversatz (DC-Offset). Gleichzeitig wird die Übertragungsleitung für alle Frequenzen mit ihrem Abschlusswiderstand terminiert.
-
Der zweite Widerstand R2p ist im bevorzugten Ausführungsbeispiel durch einen ersten Kondensator C1p überbrückt, indem dieser Kondensator C1p parallel zu diesem Widerstand R2p geschaltet ist. Damit ist der Widerstand R2p für die hochfrequenten Signalanteile des Eingangssignals Vinp, d.h. für die hochfrequente SignalKomponente, überbrückt und nicht wirksam. Für die hochfrequente Komponente des Eingangssignals Vinp entsteht somit ein Spannungsteiler mit den Widerständen R1p und R3p, zumal der Eingang des ersten Verstärkers A1 niederohmig ist. Durch die Dimensionierung der beiden Widerstände R1p und R3p kann somit eine Untersetzung der Eingangsspannung Vinp so eingestellt werden, dass der zweite Verstärker A2 optimal ausgesteuert wird. Der Koppelkondensator C3p verhindert dabei, dass niederfrequente Signalkomponenten zu dem zweiten Verstärker A2 vordringen.
-
Der Ausgang des ersten Verstärkers A1 ist mit einem Eingang einer Summiereinrichtung S verbunden. Der Ausgang des zweiten Verstärkers A2 mit einem zweiten Eingang der Summiereinrichtung S verbunden. Bei der Summiereinrichtung S kann es sich beispielsweise um einen Operationsverstärker handeln. Es kommen aber auch andere summierende Schaltungen in Betracht. Am Ausgang der Summiereinrichtung S entsteht eine Ausgangsspannung Vout als Summe der Ausgangsspannung Vout2 des zweiten Verstärkers A2 und der Ausgangsspannung Vout1 des ersten Verstärkers A1.
-
Am Ausgang des ersten Verstärkers A1 ist ein Kompensationsnetzwerk bestehend aus einem vierten Widerstand R4p und einem zweiten Kondensator C2p angeschlossen. Im Ausführungsbeispiel ist das Kompensationsnetzwerk als Parallelschaltung des Widerstands R4p mit dem Kondensator C2p ausgeführt und zwischen dem Ausgangsanschluss des ersten Verstärkers A1 und der Schaltungsmasse M angeordnet.
-
2 zeigt die jeweilige Übertragungsfunktion des niederfrequenten Signalzweigs mit dem ersten Verstärker A1, dargestellt durch die Funktion ANF, die Übertragungsfunktion des hochfrequenten Signalzweigs mit dem zweiten Verstärker A2, dargestellt durch die Funktion AHF, und die sich vom Eingang E1 bis zum Ausgang A in 1 ergebende Gesamtübertragungsfunktion A. Es wird erkennbar, dass trotz der Signalaufteilung insgesamt eine sehr flache Gesamt-Übertragungsfunktion A erreicht wird. Dies wird dadurch gewährleistet, dass die obere Grenzfrequenz von ANF aus schaltungstechnischen Gründen immer gleich der unteren Grenzfrequenz von AHF sein muss. Beide werden durch R1p + R3p und C1p festgelegt.
-
3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Tastkopf-Systems. Bereits anhand von 1 beschriebene Schaltungselemente sind mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen und werden anschließend zur Vermeidung von Wiederholungen nicht noch einmal beschrieben. Die nachfolgende Beschreibung geht nur auf die Besonderheiten des zweiten Ausführungsbeispiels ein.
-
Im Gegensatz zum in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ist bei dem in 3 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel das Kompensationsnetzwerk nicht zwischen dem Ausgang und der Schaltungsmasse, sondern zwischen dem Ausgang des ersten Verstärkers Alp und einem invertierenden Eingang EIN des ersten Verstärkers Alp ausgebildet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der erste Verstärker Alp als differentieller Verstärker ausgebildet, d.h. er verstärkt die Spannungsdifferenz zwischen dem nicht invertierenden Eingang EIN, welche mit der Schaltungsmasse M verbunden ist, und dem invertierenden Eingang EIN.
-
Auch bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Kompensationsnetzwerk als Parallelschaltung eines vierten Widerstands R4p und eines zweiten Kondensators C2p ausgeführt. Diese Parallelschaltung verbindet den Ausgang des ersten Verstärkers Alp mit seinem invertierenden Eingang EIN. Die im 3 dargestellte Schaltung ist im Wesentlichen funktional equivalent zu der in 1 dargestellten Schaltung. Die in 3 dargestellte Schaltung hat den Vorteil, dass das Kompensationsnetzwerk nicht mit der Schaltungsmasse M verbunden ist.
-
4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Tastkopf-Systems. Dieses Ausführungsbeispiel ist für differentielle Eingangssignale gedacht, d.h. die Ausgangsspannung Vout am Ausgang A ist abhängig von der Spannungs-Differenz zwischen dem ersten Eingangsanschluss E1 und einem zweiten Eingangsanschluss E2. Der Signalzweig für das am Eingangsanschluss E1 anliegende positive Signal Vinp ist in gleicher Weise wie bei 3 ausgebildet.
-
Parallel dazu gibt es einen zweiten Signalzweig für das negative Eingangssignal Vinn, welches am zweiten Eingangsanschluss E2 anliegt. Dieses Eingangssignal Vinn gelangt über einen ersten Widerstand R1n und einen zweiten Widerstand R2n an den Eingangsanschluss einer zweiten Übertragungsleitung Tn. Der zweite Widerstand R2n ist auch hier vorzugsweise mit einem ersten Kondensator C1n überbrückt. Vom Ausgang der Übertragungsleitung Tn gelangt das Signal über einen dritten Widerstand R3n an den invertierenden Eingang EIN eines dritten Verstärkers Aln, der auch hier als differentieller Verstärker, beispielsweise als Operationsverstärker, ausgebildet ist. Der nicht-invertierende Eingang ENI des dritten Verstärker Aln ist auch hier mit der Schaltungsmasse M verbunden.
-
Auch bei dem zweiten Signalzweig ist ein Kompensationsnetzwerk vorhanden, welches aus einer Parallelschaltung eines vierten Widerstands R4n und eines zweiten Kondensators C2n besteht und den Ausgang des dritten Verstärkers Aln mit seinem invertierenden Eingang EIN verbindet. Alternativ könnte in Anlehnung an das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel die Parallelschaltung aus dem vierten Widerstand R4 und dem zweiten Kondensator C2 anstatt in den Rückkopplungspfaden auch als Last am Ausgang vorgesehen sein, was in 4 gestrichelt dargestellt ist. Für dieses Ausführungsbeispiel entfällt dann C2p und C2n. Bei dieser Ausgestaltung ist es jedoch zweckmäßig, nicht insgesamt zwei Widerstände und zwei Kondensatoren zu verwenden, sondern nur einen Widerstand R4 und einen Kondensator C2, welche als Parallelschaltung die Ausgänge des ersten Verstärkers Alp und des zweiten Verstärkers Aln direkt ohne Verbindung mit der Schaltungsmasse M verbinden.
-
Auch beim zweiten Signalzweig ist zwischen der zweiten Übertragungsleitung Tn und den zugehörigen dritten Widerstand
R3n ein Signalabgriff vorhanden, mit welchem der invertierende Eingang EIN des zweiten Verstärkers Alv verbunden ist. Ein nicht invertierender Eingang ENI des zweiten Verstärkers
A2 ist hingegen mit einem Signalabgriff im ersten Signalzweig zwischen der ersten Übertragungsleitung Tp und dem zugehörigen dritten Widerstand
R3p verbunden. Der zweite Verstärker
A2 verstärkt somit die Spannungsdifferenz, welche zwischen diesen Signalabgriffpunkten anliegt. Sinnvollerweise sind auch die entsprechenden Koppelkondensatoren
C3p und
C3n vorgesehen. Auch hier sind die Eingänge des ersten Verstärkers Alp und des dritten Verstärkers Aln vorzugsweise niederohmig ausgelegt, während die Eingänge des zweiten Verstärkers
A2 vorzugsweise hochohmig ausgelegt sind. Im Gegensatz zum Stand der Technik nach
US 6,856,126 B2 ist die Ausgangsspannung Vout proportional zu einer Differenz von Signalspannungen
V1p,
V1n,
V2 und nicht zu einer Differenz von Signalströmen.
-
Die Widerstände R1, R2 und der Kondensator C1 erzeugen jeweils eine Nullstelle und eine erste Polstelle im Frequenzgang. Typische Werte liegen bei R2n=R2p=50kOhm. Ein bevorzugter Wertebereich liegt zwischen 10 kOhm und 100 kOhm. Ein typischer Wert für R1p=R1n liegt bei 450 Ohm. Ein vernünftiger Wertebereich liegt zwischen 50 Ohm und 1 kOhm. Ein typischer Wert für den ersten Kondensator C1 liegt bei 0,2 pF. Ein bevorzugter Wertebereich liegt zwischen 0,1 pF und 0,5 pF. Ein typischer Wert für den dritten Widerstand R3p=R3n liegt bei 50 Ohm. Der bevorzugte Wertebereich liegt hier zwischen 10 Ohm und 100 Ohm. Ein typischer Werte für den vierten Widerstand R4p=R4n liegt beispielsweise bei 5050 Ohm. Ein bevorzugter Wertebereich liegt zwischen 3 kOhm und 7 kOhm. Ein typischer Wert für die Kapazität des zweiten Kompensators C2p=C2n liegt bei 2 pF. Ein bevorzugter Wertebereich hierfür liegt zwischen 0,5 pF und 5 pF.
-
Die Widerstände R3p und R3n dienen dazu, die Übertragungsleitungen Tp und Tn wellenwiderstandswichtig abzuschließen. Für den ersten und zweiten Verstärker Alp und Aln, welcher eine niedrigere Eingangsimpdedanz bis zu hohen Frequenzen aufweisen sollten, kommen so genannte Transimpedanz-Operationsverstärker in Betracht. Der Differenzverstärker A2 hat eine differentielle Spannungsverstärkung mit hochohmigen Eingängen und großer Bandbreite. Typischerweise liegt die Spannungsverstärkung nur bei ca. 1.
-
Mit den Kompensationsnetzwerken bestehend aus den Widerständen R4p und R4n und den Kondensatoren C2p und C2n, bzw. R4 und C2 wird eine zweite Polstelle im Frequenzgang erzeugt, deren Grenzfrequenz gleich der ersten Nullstelle ist. Der niederfrequente Verstärkerpfad mit dem Verstärker Alp, bzw. Aln hat bei niedrigen Frequenzen eine Verstärkung von ANF0 = -R4/(R1+R2+R3) und somit mit den obigen Beispielwerten von -1/10. Der hochfrequente Verstärkerpfad mit dem Verstärker A2 hat bei sehr hohen Frequenzen eine Verstärkung von AHF0 = Av × R3/(R3+R1) = 1/10 im Beispiel. Da in jedem niederfrequenten Verstärkerpfad die erste Polstelle nicht durch eine entsprechende Nullstelle im Kompensationsnetzwerk kompensiert wird, hat der niederfrequente Verstärkerpfad eine obere Grenzfrequenz fl, die derjenigen der ersten Polstelle entspricht. Typischerweise liegt fl beispielsweise bei 1,6 GHz. Der hochfrequente Verstärkerpfad hat durch den Spannungsteiler aus R1, C1 und R3 eine untere Grenzfrequenz fl, die derjenigen der ersten Polstelle entspricht. Genau genommen ist durch den Widerstand R2 die Gleichspannungs-Verstärkung nicht beliebig, aber ausreichend klein. Die gesamte differentielle Verstärkung der Schaltung A=ANF+AHF ist somit konstant und weitgehend unabhängig von der Frequenz.
-
Die Übertragungsleitungen Tp und Tn sind über den gesamten Frequenzbereich richtig abgeschlossen, sodass keine störende Welligkeit im Frequenzgang entsteht. Der Eingangswiderstand der Schaltung bei Gleichspannung entspricht der Summe der Widerstände R1+R2+R3 und ist damit im Allgemeinen sehr hoch. Das eingangsseitig der Übertragungsleitung TP bzw. Tn angeordnete Netzwerk in der Nähe der Tastspitze ist sehr viel kleiner als das Verstärkermodul und kann sehr einfach an schwer zugänglichen Stellen innerhalb eines Tastkopfes angeordnet werden.
-
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Beispielsweise kann das Kompensationsnetzwerk auch aufgeteilt werden, wobei ein erster Teil des Kompensationsnetzwerks jeweils in dem Rückkopplungspfad des ersten bzw. dritten Verstärkers liegt und ein anderer Teil des Kompensationsnetzwerkes lastseitig des ersten bzw. dritten Verstärkers angeordnet ist. Die Summiereinrichtung S kann auf dadurch realisiert werden, dass die Ausgangsspannungen der Niederfrequenzverstärker Alp und Aln benutzt werden, um einen Offset(Versatz)-Eingang eines Breitbandverstärkers anzusteuern.
