Leitfaden zur Kabelauswahl für rauscharme Messungen mit FEMTO-Verstärkern

Dieser Leitfaden hilft bei der Auswahl der richtigen Kabel für bestimmte Messaufgaben. Die Kabelauswahl hängt sowohl von den Parametern der Messung, Messgröße und Bandbreite, als auch vom verwendeten Verstärkertyp und externen Rahmenbedingunen wie zum Beispiel elektromagnetischen Störungen ab.

Einleitung

In der Präzisionsmesstechnik zählt nicht nur der Verstärker. Auch das Kabel von der Signalquelle zum Verstärker beeinflusst das Messergebnis entscheidend. Insbesondere bei extrem rauscharmen Stromverstärkern (Transimpedanzverstärker – TIAs) können ungeeignete Kabel das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) massiv verschlechtern.

Die physikalischen Herausforderungen

Die Kabelkapazität und das Rauschverhalten

Jedes Kabel besitzt eine Kapazität C_Kabel, die parallel zum Eingang des Verstärkers liegt. Die Eingangsrauschspannung eines Stromverstärkers führt über Kapazitäten der Signalquelle und des Kabels zu Rauschströmen. Je größer die Kapazitäten, desto größer die Rauschströme. Zudem sinkt die effektive Bandbreite des Systems, da die Kabelkapazität und der Eingangswiderstand des Verstärkers einen Tiefpass bilden. Je niedriger die Kapazität des Kabels, desto geringer das Rauschen. Typische 50-Ω-Koaxialkabel haben einen Kapazitätsbelag (Kapazität pro Längeneinheit) von 100 pF/m.

Abbildung 1: Ersatzschaltbild eines TIA-Messaufbaus mit Stromquelle (ideale Stromquelle I, Innenwiderstand R_i und Innenkapazität C_i), Kabel (Kabelkapazität C_Kabel) und Transimpedanzverstärker (Operationsverstärker (OPV), Eingangswiderstand R_Eingang und Rückkoppelwiderstand R_f)

Triboelektrische Effekte (Mikrophonie)

Wenn ein Standard-Koaxialkabel bewegt, gebogen oder Vibrationen ausgesetzt wird, entsteht Reibung zwischen dem Dielektrikum und der Abschirmung. Dies erzeugt Ladungstrennungen, die als Strompulse (pA bis nA) messbar sind. In Anwendungen mit hohen Verstärkungen (10⁵ V/A oder größer) führen kleinste mechanische Störungen zu massivem Signalrauschen.

Schirmung und EMI-Immunität

Elektromagnetische Einstrahlungen (50-Hz-Brummen, HF-Signale) koppeln kapazitiv oder induktiv in das Kabel zwischen Quelle und Verstärker ein. Ströme im Schirmgeflecht, z.B. aus EMI, Erdschleifen oder durch Ableitströme, koppeln induktiv mit dem Innenleiter des Kabels und führen so zu Störungen des Nutzsignals. Ein hoher Bedeckungsgrad des Schirmgeflechts ist essentiell, um das empfindliche Nutzsignal vor der „verschmutzten“ Laborumgebung zu schützen. Ein durchdachtes Erdungskonzept ist Voraussetzung für die störungsfreie Erfassung kleinster Ströme.

Anwendungsfälle

Die Anforderungen an die Kabel unterscheiden sich fundamental je nach Frequenzbereich und Signalstärke:

Kabeltyp	Low-Noise-Kabel	Low-Capacitance-Kabel	Hochfrequenz-Kabel
Frequenzbereich	Niederfrequenz (DC bis 1 MHz)	Breitband / schnelle Pulse (bis ~20 MHz)	Hochfrequenz (1 MHz bis 3 GHz)
Typische Signalstärke	sehr klein	klein bis mittel	moderat bis hoch
Herausforderung	mechanische Einflüsse (Vibrationen)	kapazitive Last	EMI / Reflexionen
Primärfokus	Minimierung des triboelektrischen Rauschens	Minimierung der Kabelkapazität und des durch sie bedingten Rauschens	Verbesserung der Abschirmung und Impedanzanpassung (50 Ω)

Generell sollte das Verbindungskabel von der Quelle zum Verstärker so kurz wie möglich sein. Wenn sich größere Kabellängen nicht vermeiden lassen, sind in mechanisch ungestörten Umgebungen die Low-Capacitance-Kabel auch für geringe Bandbreiten und hohe Verstärkungen empfehlenswert.

Die spezialisierten Kabellösungen von FEMTO

FEMTOs Low-Noise-Kabel: Maximale Stabilität gegen Vibrationen

Diese Kabel sind die erste Wahl, wenn kleinste Ströme gemessen werden.

Eine zusätzliche Schicht aus leitfähigem Material (Graphit) zwischen Dielektrikum und Schirm sorgt dafür, dass durch Reibung, Verformung und/oder Vibration entstehende Ladungen sofort abgeleitet werden.
Ermöglicht die Signalerfassung in Anwesenheit von mechanischen oder akustischen Störungen wie z.B. Vibrationen durch Pumpen oder Motoren.

Abbildung 2: Vergleich von Rauschspektren mit FEMTOs Low-Noise-Kabel und typischem RG58-Kabel, beide sind identischen Vibrationen ausgesetzt, wie sie in Labor- und Industrieumfeldern häufig vorkommen. Das Low-Noise-Kabel zeigt sich nahezu unbeeindruckt von den mechanischen Störungen.

Abbildung 2: Vergleich der Rauschspektren mit FEMTOs Low-Noise-Kabel und typischem RG58-Kabel, beide sind identischen Vibrationen ausgesetzt, wie sie in Labor- und Industrieumfeldern häufig vorkommen. Das Low-Noise-Kabel zeigt sich nahezu unbeeindruckt von den mechanischen Störungen.

FEMTOs Low-Capacitance-Kabel: Minimierung des Breitbandrauschens

Wenn die Bandbreite des Verstärkers voll ausgenutzt werden soll, ohne dass das Rauschen bei hohen Frequenzen das Signal dominiert, ist die Kapazität entscheidend. Transimpedanzverstärker zeigen ein Spannungsrauschen am Signaleingang, welches über die Impedanz der Quelle und des Kabels zu Rauschströmen führt. Bei höheren Frequenzen dominiert hier die Impedanz-Erniedrigung durch die Kapazität von Quelle und Kabel. Deshalb sollte das Kabel zwischen Quelle und Verstärker so kurz wie möglich sein. Oft ist aber ein längeres Kabel nicht vermeidbar.

Durch den Einsatz spezieller Dielektrika (z. B. Zell-PE) wird die Kapazität pro Meter drastisch gesenkt. Dies dämpft den Anstieg des Eingangsrauschens und erweitert den nutzbaren Frequenzbereich.
Ermöglicht das Auslesen schneller Fotodioden und Breitband-TIAs (z.B. HCA-Serie) mit langen Signalleitungen in mechanisch ungestörter Umgebung.

Abbildung 3: Vergleich von Rauschspektren mit FEMTOs Low-Capacitance-Kabel und einem Standard RG58-Kabel bis 1 MHz. Das Low-Capacitance-Kabel zeigt eine deutliche Reduktion der Rauschwerte bei Frequenzen zwischen 10 kHz und 1 MHz. Die Rauschreduktion bei etwa 50 Hz ist auf eine zusätzlich bessere Schirmung des Low-Capacitance-Kabels zurückzuführen.

FEMTO HF-Kabel: Überlegene Schirmung in EMI-kritischen Umgebungen

In modernen Laborumgebungen sind hochfrequente Störungen allgegenwärtig. Ein einfaches Schirmgeflecht wirkt hier oft wie eine Antenne.

Die doppelte Schirmung garantiert eine extrem hohe Schirmdämpfung bis in den GHz-Bereich. Erdschleifen und Ableitströme im äußeren Schirmgeflecht haben nur sehr geringen Einfluss auf das Messignal.
Ermöglicht Messungen und RF-Signalanalyse in Umgebungen mit hoher Funkbelastung.

Abbildung 4: Vergleich von Rauschspektren mit FEMTOs HF-Kabel und typischem RG58-Kabel bis 1 MHz unter Einwirkung einer jeweils identischen EM-Störquelle. Während das RG58-Kabel sowohl nieder- als auch hochfrequente Störungen einfängt, ist das HF-Kabel nahezu unbeeindruckt.

Abbildung 4: Vergleich der Rauschspektren mit FEMTOs HF-Kabel und typischem RG58-Kabel bis 1 MHz unter Einwirkung einer jeweils identischen EM-Störquelle. Während das RG58-Kabel sowohl nieder- als auch hochfrequente Störungen einfängt, ist das HF-Kabel nahezu unbeeindruckt.

Entscheidungsmatrix: Welches Kabel für welchen Verstärker?

Um die Auswahl für ein Kabel zur Anbindung der Quelle zu erleichtern, nutzen Sie bitte die folgende Matrix basierend auf Ihrem FEMTO Verstärker- oder Fotoempfängermodell:

Verstärkerserie	Typische Anwendung	Empfohlenes FEMTO-Kabel	Warum?
LCA DLPCA-200 DDPCA-300	Strommessung, hohe Verstärkungen (>10⁵) bei Bandbreiten <1 MHz	Low-Noise	Eliminiert Vibrationsartefakte bei hohen Verstärkungen
LCA DLPCA-200 DDPCA-300		Low-Capacitance	Bei Leitungslängen ≥1 m in mechanisch ungestörter Umgebung, um das kapazitiv bedingte Rauschen zu minimieren
HCA DHPCA-100	Strommessung, Bandbreiten von 1 MHz bis 100 MHz	Low-Capacitance	Hält den kapazitiv bedingten Noise-Floor bei hohen Frequenzen flach
HCA DHPCA-100	Strommessung, Bandbreiten von 1 MHz bis 100 MHz	HF-Kabel	Für 50 Ω Impedanzanpassung und/oder in EM-belasteter Umgebung
DLPVA HVA DHPVA HSA DUPVA	Spannungsmessung, Bandbreiten von DC bis GHz	HF-Kabel	Kapazität der Quelle spielt untergeordnete Rolle, Fokus auf maximale EM-Schirmung und 50 Ω Impedanzanpassung
Lock-In-Verstärker	Lock-In Detektion	Low-Noise	Bei mechanisch gestörter Umgebung (Vibrationen)
Lock-In-Verstärker	Lock-In Detektion	HF-Kabel	Bei EM-belasteter Umgebung

Für den Anschluss unserer Verstärker und Fotoempfänger an den Signalempfänger (z.B. Oszilloskop oder ADC-Karte) empfehlen wir ausnahmslos unser HF-Kabel, um Einkopplungen zu minimieren.

Fazit

Die Performance von rauscharmen Verstärkern kann nur dann voll ausgeschöpft werden, wenn die Kabel nicht zum limitierenden Faktor werden. Während Standard-Koaxialkabel für allgemeine Messaufgaben genügen, erfordern High-End-Anwendungen eine gezielte Auswahl basierend auf Kapazität, mechanischer Entkopplung und Schirmungseffizienz. FEMTO bietet hierfür die exakt abgestimmten Komponenten, um Rauschen, Mikrophonie und Einstrahlung systematisch zu minimieren.

Eine Auswahl der Kabel, die FEMTO anbietet, finden sie unter www.femto.de/kabel.