In der heutigen datengesteuerten Welt dienen Rechenzentrumsserver als zentrale Knotenpunkte der Informationsautobahn. Mit dem rasanten Fortschritt von Technologien wie PCIe 6.0, DDR5/6-Speicher und 400/800G Ethernet sind die Signalübertragungsraten auf Server-PCBs in den Ultrahochfrequenzbereich von mehreren zehn Gbps vorgedrungen. Diese doppelte Herausforderung von hoher Geschwindigkeit und hoher Dichte stellt beispiellos strenge Anforderungen an die Messung und Validierung der Signalintegrität (SI). In dieser Präzisionsmesskette spielt die Hochfrequenzsonde die Rolle einer Brücke, die die physikalische Welt mit der digitalen Analyse verbindet, und ihre Leistung bestimmt direkt den Erfolg oder Misserfolg von F&E, Validierung und Produktionstests.

Der Kern von Hochfrequenzsonden: Bandbreite, Belastungseffekt und Eingangsimpedanz

Bei der Auswahl einer geeigneten Hochfrequenzsonde ist die primäre Überlegung deren technische Kernspezifikationen. Dabei geht es nicht nur um die Anpassung an die Bandbreite des Oszilloskops, sondern auch um einen Kompromiss zwischen Signaltreue und physikalischer Machbarkeit. Bandbreite ist der kritischste Parameter einer Sonde. Eine weit verbreitete Richtlinie besagt, dass die Systembandbreite von Sonde und Oszilloskop mindestens das Drei- bis Fünffache der höchsten Frequenzkomponente des zu testenden Signals betragen sollte. Zum Beispiel beträgt für ein digitales Signal mit einer Anstiegszeit von 20 ps seine Bandbreite ungefähr 0,35 / 20 ps = 17,5 GHz. Um seine Flankencharakteristiken genau zu erfassen, benötigen Sie ein Messsystem mit einer Bandbreite von über 50 GHz. Eine Sonde mit unzureichender Bandbreite wirkt wie ein Tiefpassfilter, der die schnellen Flanken des Signals stark dämpft, was zu ungenauen Anstiegszeitmessungen, einer reduzierten Augenmusteröffnung oder sogar einer vollständigen Maskierung kritischer Signaldetails führt. Der Belastungseffekt ist ein subtiles, aber entscheidendes Konzept bei Hochfrequenzmessungen. Jeder Tastkopf entzieht, wenn er an eine zu prüfende Schaltung angeschlossen wird, dem Signal eine geringe Energiemenge, wodurch der ursprüngliche Zustand der Schaltung verändert wird. Dieser Effekt wird bei hohen Frequenzen besonders bedeutsam. Die Eingangsimpedanz des Tastkopfs – bestehend aus Widerstand (R), Kapazität (C) und Induktivität (L) – bestimmt die Größe des Belastungseffekts. Ein idealer Tastkopf sollte einen extrem hohen Eingangswiderstand und eine sehr niedrige Eingangskapazität und -induktivität aufweisen. Besonders im GHz-Bereich können selbst winzige parasitäre Kapazitäten (typischerweise im pF- oder sogar fF-Bereich) einen niederohmigen Pfad erzeugen, das Signal stark dämpfen oder sogar eine Fehlfunktion der Schaltung verursachen. Daher ist es bei der Bewertung eines Oszilloskop-Tastkopfs unerlässlich, dessen Impedanzkurve über den gesamten Betriebsfrequenzbereich zu untersuchen, nicht nur seinen Gleichstromwiderstandswert.

Die Grundlage der Signalintegritätsmessung: Präzises Oszilloskop-Frontend

Ein Tastkopf ist keine isolierte Komponente; er ist im Wesentlichen eine Erweiterung des Präzisionsmesssystems des Oszilloskops und die Speerspitze des Oszilloskop-Frontends. Der Verstärker, das Dämpfungsglied und das Kompensationsnetzwerk im Tastkopf sind eng mit der Eingangsstufe des Oszilloskops gekoppelt und bestimmen gemeinsam den Frequenzgang, das Grundrauschen und den Dynamikbereich des gesamten Messkanals. Eine hochleistungsfähige Hochfrequenzsonde enthält typischerweise eine aktive Verstärkerschaltung, um Kabelverluste zu überwinden und eine hohe Eingangsimpedanz bereitzustellen. Das Design dieses Verstärkers ist entscheidend, da er über eine extrem breite Bandbreite einen flachen Verstärkungs- und linearen Phasengang aufrechterhalten muss. Jede Nichtlinearität kann harmonische Verzerrungen verursachen, während Schwankungen im Phasengang direkt zu Fehlern bei Zeitmessungen (wie Jitter) führen können.

Darüber hinaus ist das Eigenrauschen der Sonde ein signifikanter Bestandteil des Gesamtrauschens des Systems. Bei der Designvalidierung von Rauschanalyse-Leiterplatten für Signale geringer Amplitude kann der Rauschpegel der Sonde das wahre Rauschen des zu testenden Signals verdecken. Daher geben führende Sondenhersteller die äquivalente Eingangsrauschleistungsdichte explizit in ihren Datenblättern an. Für Präzisionsmessungen können Ingenieure sogar "Sonden-De-Embedding"-Techniken verwenden, bei denen S-Parameter-Modelle eingesetzt werden, um den Einfluss der Sonde und des Kabels auf die Messungen mathematisch zu entfernen und so die ursprüngliche Wellenform am Prüfling (DUT) genauer zu rekonstruieren.

Jitter- und Rauschanalyse: Präzisionsdiagnostik für Jitter-Analyse-Leiterplatten

In Hochgeschwindigkeits-Seriellkommunikationen ist Jitter ein kritischer Faktor, der die Bitfehlerrate (BER) beeinflusst. Die Durchführung einer genauen Jitter-Zerlegung (zufälliger Jitter, deterministischer Jitter usw.) auf Jitter-Analyse-Leiterplatten ist entscheidend für die Gewährleistung der Zuverlässigkeit der Kommunikationsverbindung. Eine ungeeignete Sonde kann bei Jitter-Messungen zu einer "Kontaminationsquelle" werden. Erstens filtert die begrenzte Bandbreite einer Sonde hochfrequente Jitter-Komponenten im Signal heraus, was zu übermäßig optimistischen Messergebnissen führt. Zweitens überlagert sich der additive Jitter der Sonde dem Originalsignal, was zu einer überhöhten Gesamt-Jitter-Messung führt. Schließlich ist das Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR) der Sonde entscheidend für Jitter-Messungen an Differenzsignalen. Ein niedriges CMRR wandelt Gleichtaktrauschen in Differenzmodus-Jitter um, was die genaue Beurteilung des wahren Signal-Jitters beeinträchtigt. Für eine detaillierte Jitter-Analyse ist es oft notwendig, Wellenformdaten über längere Zeiträume zu erfassen. Dies stellt Anforderungen an das Erfassungssystem des Oszilloskops, insbesondere an die Tiefe des Oszilloskopspeichers. Ein ausreichend tiefer Speicher stellt sicher, dass genügend Einheitsintervalle (UI) auch bei extrem hohen Abtastraten erfasst werden können, was die Verwendung statistischer Werkzeuge (wie Badewannenkurven) ermöglicht, um die Leistung der Verbindung bei sehr niedrigen Bitfehlerraten genau abzuleiten. Die Grundlage all dieser Analysen liegt darin, dass die Sonde das Signal von der Jitter-Analyse-Leiterplatte getreu an das Oszilloskop überträgt.

Kalibrierung und Rückführbarkeit: Gewährleistung absoluter Zuverlässigkeit der Messergebnisse

Im Bereich der Präzisionsmessung sind unkalibrierte Instrumente unzuverlässig. Die Kalibrierung einer Hochfrequenzsonde ist weitaus komplexer, als die meisten erkennen. Sie umfasst nicht nur eine einfache DC-Verstärkungs- und Offset-Kalibrierung, sondern, was noch wichtiger ist, eine Frequenzgang- und Phasenantwort-Kalibrierung über die gesamte Betriebsbandbreite.

Spitzen-Sonden durchlaufen während der Herstellung strenge Kalibrierungsprozesse, wobei ihre Leistung auf nationale Metrologiestandards (z. B. NIST, PTB) rückführbar ist. Diese Kalibrierung verwendet typischerweise einen Vektornetzwerkanalysator (VNA), um die S-Parameter (Streuparameter) der Sonde präzise zu messen und eine detaillierte Kalibrierungsdatei zu erstellen. Wenn die Sonde an das Oszilloskop angeschlossen wird, lädt das Oszilloskop diese Datei, um eine digitale Echtzeitkorrektur der erfassten Wellenformen durchzuführen, die die elektrischen Eigenschaften der Sonde, der Kabel und sogar der Sondenspitze kompensiert. Dies gewährleistet einen flachen Amplituden-Frequenz- und einen linearen Phasen-Frequenzgang.

Regelmäßige Neukalibrierung ist unerlässlich, um die Messgenauigkeit zu erhalten. Im Laufe der Zeit können mechanische Belastungen, Temperaturschwankungen und Komponentenalterung zu einer Leistungsdrift bei Sonden führen. Die Einrichtung eines umfassenden Kalibrierungssystems, um sicherzustellen, dass alle Prüfgeräte rückführbar bleiben, ist der Eckpfeiler einer gleichbleibenden Produktqualität und zuverlässiger F&E-Daten.

Rückführungssystem für die Kalibrierung von Messinstrumenten

Ebene	Normal	Unsicherheit	Transferziel
Nationales Normal	Atomuhr, Josephson-Kontakt	10⁻¹² - 10⁻¹⁵	Primäre Metrologielabore
Primärnormal	GPS-disziplinierter Oszillator, VNA	10⁻⁹ - 10⁻¹¹	Kalibrierlabor
Gebrauchsnormal	Hochpräzise Signalquelle, Oszilloskop-Kalibrator	10⁻⁷ - 10⁻⁹	Industrielle Kalibrierlabore

Wichtige Aspekte der Rückführbarkeit

• Ununterbrochene Kette: Jede Kalibrierung muss auf ein höheres Normal zurückgeführt werden können, bis hin zu nationalen oder internationalen Normalen.
• Dokumentierte Unsicherheit: Die Unsicherheit jeder Kalibrierung muss bekannt sein und dokumentiert werden, um die Gesamtunsicherheit zu bestimmen.
• Kompetenz: Die Kalibrierlabore müssen nach ISO/IEC 17025 akkreditiert sein oder eine gleichwertige Kompetenz nachweisen.
• Kalibrierzertifikate: Jedes kalibrierte Instrument muss ein Zertifikat erhalten, das die Rückführbarkeit, die Unsicherheit und die Kalibrierbedingungen angibt.

Die Rückführbarkeit ist entscheidend, um die Zuverlässigkeit und Vergleichbarkeit von Messergebnissen weltweit zu gewährleisten.

Weitere Informationen finden Sie unter BIPM.

Abbildung: Vereinfachtes Diagramm der Kalibrierungsrückführbarkeit.

10⁻⁶ - 10⁻⁸ Produktions-/F&E-Instrumente Arbeitsinstrument Oszilloskop & Hochfrequenzsonde 1% - 5% (Spezifische Metriken) Prüfling (DUT)

Herausforderungen bei der Sondenquantifizierung: Tiefgehendes Verständnis der Messunsicherheit

Kein Messergebnis ist ein absolut wahrer Wert, sondern eine Schätzung, die mit einem gewissen Grad an Unsicherheit behaftet ist. Bei Hochgeschwindigkeitssignalmessungen sind die Unsicherheitsquellen komplex und vielfältig, wobei Sonden einer der Hauptbeiträger sind.

Ein umfassendes Messunsicherheitsbudget erfordert die Berücksichtigung mehrerer Faktoren:

1. Unsicherheit der vertikalen Achse des Oszilloskops: Bestimmt durch die Verstärkungsgenauigkeit, den Offset-Drift und das Rauschen des Oszilloskop-Frontends.
2. Unsicherheit der Oszilloskop-Zeitbasis: Bestimmt durch die Genauigkeit und den Jitter der Zeitbasis.
3. Intrinsische Unsicherheit der Sonde: Umfasst ihre Verstärkungsgenauigkeit, Bandbreitenlinearität, zusätzliches Rauschen und Jitter.
4. Unsicherheit der Sonden-DUT-Verbindung: Dies ist der am leichtesten übersehene, aber dennoch sehr einflussreiche Teil. Die Konsistenz des Sondenkontakts, die Qualität der Lötstelle und die elektromagnetische Umgebung um den Messpunkt herum führen alle zu Unsicherheiten.
5. Umweltfaktoren: Temperaturschwankungen können zu Parameterdrift bei Sonden und Oszilloskopen führen. Die Quantifizierung dieser Unsicherheiten und deren Kombination ist eine wissenschaftliche Methode zur Bewertung der Zuverlässigkeit von Messergebnissen. Für strenge Konformitätstests ist das Verständnis und die Kontrolle der Messunsicherheit entscheidend für die Sicherstellung der Produktzertifizierung.

Auswahl des Anwendungsszenarios: Die beste Sonde für spezifische Aufgaben finden

Es gibt keine "universelle" Hochfrequenzsonde. Für verschiedene Anwendungsszenarien müssen Sonden mit passenden Eigenschaften ausgewählt werden.

• DDR5/LPDDR5 Speicherschnittstellen: Diese Signale sind massebezogen oder pseudodifferenziell und extrem empfindlich gegenüber der kapazitiven Last der Sonde. Aktive massebezogene Sonden mit extrem niedriger Eingangskapazität (<0,2 pF) müssen zusammen mit speziellen BGA-Adaptern verwendet werden, um Störungen des Signalbusses zu minimieren.
• PCIe 5.0/6.0, CXL: Dies sind Hochgeschwindigkeits-Differenzial-Serienbusse. Hochleistungsfähige aktive Differenzialsonden sind unerlässlich. Zu den Hauptspezifikationen gehören eine extrem hohe Bandbreite (>50 GHz für PCIe 6.0), ein ausgezeichnetes Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR) und eine einstellbare Terminierungsspannung, um verschiedenen Busstandards zu entsprechen. Bei der Rauschanalyse von Leiterplatten unterdrücken Differenzialsonden Gleichtaktrauschen effektiv und messen Differenzsignale präzise.
• Power Integrity (PI): Das Messen von winzigem Rauschen (Millivolt-Bereich) auf den Stromschienen von Hochgeschwindigkeits-Digitalchips ist eine große Herausforderung. Spezialisierte Stromschienen-Tastköpfe sind erforderlich, die ein Dämpfungsverhältnis von 1:1 (für maximale Empfindlichkeit), extrem geringes zusätzliches Rauschen, einen hohen Bias-Injektionsbereich und einen flachen Frequenzgang von DC bis GHz aufweisen.

Die Auswahl der richtigen Tastkopfkombination für ein komplexes Systemdesign ist eine Aufgabe, die tiefgreifendes Fachwissen erfordert.

Fortgeschrittene Tastkopftechniken und zukünftige Trends

Während sich die Technologie weiterentwickelt, entwickeln sich auch die Messtechniken selbst ständig weiter. Moderne High-End-Oszilloskop-Tastköpfe integrieren heute hochentwickelte digitale Signalverarbeitung (DSP)-Technologie. Die Tastkopfspitze kann präzise modelliert werden, wobei ihre S-Parameter intern gespeichert sind. Das Oszilloskop verwendet Echtzeit-DSP-Berechnungen, um tastkopfbedingte Verluste und Phasenverzerrungen dynamisch zu korrigieren und so einen nahezu perfekten Frequenzgang zu liefern.

Zukünftige Herausforderungen werden noch anspruchsvoller sein. Da die Signalraten 100 Gbit/s überschreiten, ergeben sich neue Anforderungen an die Messtechnik:

• Höhere Bandbreite: Tastköpfe mit Bandbreiten von über 100 GHz sind in Entwicklung, um den Anforderungen von Technologien der nächsten Generation wie 224G SerDes gerecht zu werden.
• Geringere Belastung: Da Chip-Prozesse auf Nanometer-Skalen schrumpfen, werden Transistoren empfindlicher gegenüber externer Belastung, was erfordert, dass Tastköpfe die Beeinflussung weiter minimieren.
• Intelligentere Konnektivität: Das zuverlässige und bequeme Verbinden mit Prüfpunkten, die nur wenige zehn Mikrometer voneinander entfernt sind, stellt Herausforderungen in der Mechanik und Materialwissenschaft dar.
• Zusammenarbeit mit dem Leiterplattendesign: Um präzise Messungen zu erzielen, müssen während des Leiterplattendesigns hochwertige Prüfpunkte reserviert werden. Spezialisierte Substrate wie Hochfrequenz-Leiterplatten (high-frequency-pcb) sind für die Signalintegrität konzipiert, und Messtechniklösungen müssen mit deren Material- und Lagenaufbau-Designs übereinstimmen.
• Datenverarbeitungsintegration: Sonden werden enger mit der Oszilloskop-Analysesoftware und den Oszilloskopspeicher-Managementsystemen integriert, was nahtlose Arbeitsabläufe von der Wellenformerfassung bis zur Datenanalyse ermöglicht.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Leistungsgrenzen von Leiterplatten für Rechenzentrumsserver durch die von ihnen übertragenen Ultrahochgeschwindigkeitssignale definiert werden. Um diese Signale präzise zu steuern und ihre Qualität und Zuverlässigkeit zu gewährleisten, ist die Auswahl und Verwendung der richtigen Hochfrequenzsonde der wesentliche erste Schritt. Sie ist nicht nur ein Zubehör, sondern eine kritische Komponente des Präzisionsmessökosystems – die Augen eines Ingenieurs in die Wahrheit der Hochgeschwindigkeits-Digitalwelt.