Was von dem ganzen physikalischen Zeugs ist nun eigentlich wirklich messbar, bzw schon gemessen ?
- zu den Steckern, Verbindungen, die ja irgendwie "Stoßstellen" fürs Signal sein können:
stosst.png (Größe: 44,21 KB / Downloads: 8)
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Impedanzen werden über die sogenannte Zeitbereichs-Reflektometrie (Time Domain Reflectometry, TDR) ermittelt. Diese ermöglicht eine Betrachtung der Signalübertragungsumgebung über einen Zeitbereich hinweg, indem Lauflängen und Reflexionen von elektrischen Signalen erkannt werden.
Hierfür wird ein Impuls in den Signalpfad gegeben. Solange sich das Medium nicht verändert, bleibt die Wellenimpedanz entlang des Signalpfades gleich. Jede Querschnitt- oder Materialänderung hat zur Folge, dass sich die Impedanz verändert. Dabei entstehen Reflexionen, welche entlang des Signalpfades zurückgeworfen werden. Stärke und Ankunftszeit der Reflexionen ermöglichen es, Rückschlüsse auf die jeweilige Impedanz entlang des Signalpfades zu ziehen (Bild 3).
Die Optimierung eines Steckverbinders für ein bestimmtes Impedanzprofil bedeutet jedoch nicht, dass er in einer anderen Umgebung keinesfalls eingesetzt werden kann. Das Impedanzprofil einer Signalkette oder eines Steckverbinders entsteht immer aus dem Zusammenspiel der zuvor definierten Einflüsse (Querschnittsänderung, Materialänderungen) und dem anliegenden Signal.
<< https://www.elektronikpraxis.de/steckver...95c57ea98/
+ längere Leitung ergibt mehr "Rauschen" , "Ungenauigkeit", im Signal:
>> Die beiden Augendiagramme in Bild 4 zeigen die Einflüsse von Leitungslänge und Impedanz am Beispiel der Colibri-Steckverbinder. Während das erste Auge durch eine kurze Leitungslänge und eine Impedanz von 100 Ω schön ausgebildet wird, zeigt sich beim zweiten Auge durch eine höhere Leitungslänge und unterschiedliche Impedanzen auf beiden Boards (100 Ω und 110 Ω) eine schlechtere Signalqualität.
+ die Oberfläche des Leiters und der Skin-Effekt
>>
Ein genauerer Blick wie die Oberfläche von PCB-Leiterbahnen quasi unter dem Mikroskop ausschaut, offenbart ein potentielles Problem. In der Welt der Leiterplattenhersteller existiert so etwas wie eine vollkommen glatte Kupferoberfläche bei den zur PCB-Herstellung verwendeten Kupferfolien gar nicht. Kupfer weist immer ein gewisses Maß an Materialrauheit (Surface Roughness) auf,
Bei Gleichstrom und auch bei niederfrequentem Wechselstrom spielt es eigentlich keine Rolle, wie rau das Kupferoberflächenprofil einer Leiterbahn ist. Aber bei modernen High-Speed-Anwendungen im GHz-Bereich (in Bezug auf Datenübertragungsraten) ist die effektive Durchdringungstiefe in den Leitern relativ gering (der sogenannte Skin Effekt), womit dann der größte Teil des Stromflusses an der Oberfläche des Leiters stattfindet. Hier wirkt sich dann aber die Oberflächenrauheit direkt auf den Stromfluss aus (höherer Widerstand) und verursacht höhere Verluste als normalerweise üblich. Man kann diese Situation mit einem Rennwagen vergleichen, der auf unbefestigten Wegen bei weitem nicht so schnell fahren kann wie auf einer ebenen Rennstrecke.
- Skin-Effekt
Der “Skin-Effekt” beschreibt dabei die Tendenz des Stroms, sich mit zunehmender Frequenz an der äußeren Oberfläche des Leiters zu konzentrieren. Der Bereich des Kupfers in dem dann Strom fließt wird als Eindringtiefe δ (eng. Skin Depth). Dies wird in der nachfolgenden Abbildung veranschaulicht, in der die orangefarbenen Bereiche die unterschiedliche Skin-Tiefe auf einem Kupferleiterquerschnitt darstellen.
Skin-Tiefe bei niedriger (links), mittlerer (Mitte) und hoher (rechts) Frequenz
Die Skin-Tiefe ist der Bereich zwischen der äußeren Oberfläche und dem Punkt, an dem die Stromdichte auf etwa 37 % ihres Wertes an der Oberfläche abfällt. Für die Berechnung der Skin-Tiefe werden die Frequenz des Wechselstromsignals, der spezifische Widerstand des leitenden Materials und dessen relative Permeabilität benötigt. Sie lässt sich mit der folgenden Formel (1) herleiten:
δ=1/ √(πfµs) (1)
In diesem Fall ist die Skin-Tiefe (in m) durch die betrachtete Frequenz f (in Hz) definiert, µ gibt die Permeabilität des Materials an (µo, oder 1,2566E-6 H/m für die meisten Materialien), s ist die Leitfähigkeit des Materials (in Siemens/m oder 1/r, wobei r der spezifische Widerstand in Ohm/m ist). Vereinfacht (für den Fall von reinem Kupfer) kann dies auf die nachstehende Formel (2) reduziert werden, die für eine erste Abschätzung von δ gut geeignet ist (aus [9]):
δ=66* √(1/f) (2)
Nur um Ihnen diesen Faktor in seinen Extremwerten zu verdeutlichen: Bei 50 Hz beträgt die Skin-Tiefe in Kupfer etwa 9,3 mm. Bei höheren Frequenzen wird die Skin-Tiefe sehr viel kleiner, bis hinunter zu 2µm bei 1GHz (diese Frequenz haben wir in den meisten heutigen Kommunikationsverbindungen), bei einer Frequenz von 50GHz kann die Skin-Tiefe dann winzige Werte von unter 300nm betragen (in dem Fall 0,295µm).
In Abbildung 5 sind die Ergebnisse einer solchen SERDES-Simulation (bei einer Datenrate von 8 GB/s) mit und ohne aktivierter Oberflächenrauheit dargestellt, die eine deutlich unterschiedliche Charakteristik aufweisen.
https://www.zuken.com/de/blog/high-speed...im-detail/
Also glatt und schön soll es sein, das "gute" Kabel.
Die Wirkung vom Skin in simu und gemessen:
https://www.simberian.com/AppNotes/Paper...DC2017.pdf
Offensichtlich stimmt die Theorie nicht ganz mit der gemessenen Realität überein, speziell bei tiefen Frequenzen bzgl dem induktiven Anteil.
-- Was ich nicht wirklich verstehe, ist die Induktivität, die sich hier zB zu 10kHz und tieferen Frequenzen aufbaut...DAS ist im Hörbereich !
Skin Kalkulator:
https://www.nessengr.com/technical-data/skin-depth/
-> Es ist also klar, dass alle beschriebenen Effekte real sind und gemessen werden können.
Allerdings das meiste, was offenbar technisch relevant ist, spielt sich weit oberhalb des Hörbereichs ab. (MHz...GHz...)
Inwiefern das trotzdem hörbar ist, kann/darf sich jeder im Hörtest selbst beantworten.
- zu den Steckern, Verbindungen, die ja irgendwie "Stoßstellen" fürs Signal sein können:
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Impedanzen werden über die sogenannte Zeitbereichs-Reflektometrie (Time Domain Reflectometry, TDR) ermittelt. Diese ermöglicht eine Betrachtung der Signalübertragungsumgebung über einen Zeitbereich hinweg, indem Lauflängen und Reflexionen von elektrischen Signalen erkannt werden.
Hierfür wird ein Impuls in den Signalpfad gegeben. Solange sich das Medium nicht verändert, bleibt die Wellenimpedanz entlang des Signalpfades gleich. Jede Querschnitt- oder Materialänderung hat zur Folge, dass sich die Impedanz verändert. Dabei entstehen Reflexionen, welche entlang des Signalpfades zurückgeworfen werden. Stärke und Ankunftszeit der Reflexionen ermöglichen es, Rückschlüsse auf die jeweilige Impedanz entlang des Signalpfades zu ziehen (Bild 3).
Die Optimierung eines Steckverbinders für ein bestimmtes Impedanzprofil bedeutet jedoch nicht, dass er in einer anderen Umgebung keinesfalls eingesetzt werden kann. Das Impedanzprofil einer Signalkette oder eines Steckverbinders entsteht immer aus dem Zusammenspiel der zuvor definierten Einflüsse (Querschnittsänderung, Materialänderungen) und dem anliegenden Signal.
<< https://www.elektronikpraxis.de/steckver...95c57ea98/
+ längere Leitung ergibt mehr "Rauschen" , "Ungenauigkeit", im Signal:
>> Die beiden Augendiagramme in Bild 4 zeigen die Einflüsse von Leitungslänge und Impedanz am Beispiel der Colibri-Steckverbinder. Während das erste Auge durch eine kurze Leitungslänge und eine Impedanz von 100 Ω schön ausgebildet wird, zeigt sich beim zweiten Auge durch eine höhere Leitungslänge und unterschiedliche Impedanzen auf beiden Boards (100 Ω und 110 Ω) eine schlechtere Signalqualität.
+ die Oberfläche des Leiters und der Skin-Effekt
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Ein genauerer Blick wie die Oberfläche von PCB-Leiterbahnen quasi unter dem Mikroskop ausschaut, offenbart ein potentielles Problem. In der Welt der Leiterplattenhersteller existiert so etwas wie eine vollkommen glatte Kupferoberfläche bei den zur PCB-Herstellung verwendeten Kupferfolien gar nicht. Kupfer weist immer ein gewisses Maß an Materialrauheit (Surface Roughness) auf,
Bei Gleichstrom und auch bei niederfrequentem Wechselstrom spielt es eigentlich keine Rolle, wie rau das Kupferoberflächenprofil einer Leiterbahn ist. Aber bei modernen High-Speed-Anwendungen im GHz-Bereich (in Bezug auf Datenübertragungsraten) ist die effektive Durchdringungstiefe in den Leitern relativ gering (der sogenannte Skin Effekt), womit dann der größte Teil des Stromflusses an der Oberfläche des Leiters stattfindet. Hier wirkt sich dann aber die Oberflächenrauheit direkt auf den Stromfluss aus (höherer Widerstand) und verursacht höhere Verluste als normalerweise üblich. Man kann diese Situation mit einem Rennwagen vergleichen, der auf unbefestigten Wegen bei weitem nicht so schnell fahren kann wie auf einer ebenen Rennstrecke.
- Skin-Effekt
Der “Skin-Effekt” beschreibt dabei die Tendenz des Stroms, sich mit zunehmender Frequenz an der äußeren Oberfläche des Leiters zu konzentrieren. Der Bereich des Kupfers in dem dann Strom fließt wird als Eindringtiefe δ (eng. Skin Depth). Dies wird in der nachfolgenden Abbildung veranschaulicht, in der die orangefarbenen Bereiche die unterschiedliche Skin-Tiefe auf einem Kupferleiterquerschnitt darstellen.
Skin-Tiefe bei niedriger (links), mittlerer (Mitte) und hoher (rechts) Frequenz
Die Skin-Tiefe ist der Bereich zwischen der äußeren Oberfläche und dem Punkt, an dem die Stromdichte auf etwa 37 % ihres Wertes an der Oberfläche abfällt. Für die Berechnung der Skin-Tiefe werden die Frequenz des Wechselstromsignals, der spezifische Widerstand des leitenden Materials und dessen relative Permeabilität benötigt. Sie lässt sich mit der folgenden Formel (1) herleiten:
δ=1/ √(πfµs) (1)
In diesem Fall ist die Skin-Tiefe (in m) durch die betrachtete Frequenz f (in Hz) definiert, µ gibt die Permeabilität des Materials an (µo, oder 1,2566E-6 H/m für die meisten Materialien), s ist die Leitfähigkeit des Materials (in Siemens/m oder 1/r, wobei r der spezifische Widerstand in Ohm/m ist). Vereinfacht (für den Fall von reinem Kupfer) kann dies auf die nachstehende Formel (2) reduziert werden, die für eine erste Abschätzung von δ gut geeignet ist (aus [9]):
δ=66* √(1/f) (2)
Nur um Ihnen diesen Faktor in seinen Extremwerten zu verdeutlichen: Bei 50 Hz beträgt die Skin-Tiefe in Kupfer etwa 9,3 mm. Bei höheren Frequenzen wird die Skin-Tiefe sehr viel kleiner, bis hinunter zu 2µm bei 1GHz (diese Frequenz haben wir in den meisten heutigen Kommunikationsverbindungen), bei einer Frequenz von 50GHz kann die Skin-Tiefe dann winzige Werte von unter 300nm betragen (in dem Fall 0,295µm).
In Abbildung 5 sind die Ergebnisse einer solchen SERDES-Simulation (bei einer Datenrate von 8 GB/s) mit und ohne aktivierter Oberflächenrauheit dargestellt, die eine deutlich unterschiedliche Charakteristik aufweisen.
https://www.zuken.com/de/blog/high-speed...im-detail/
Also glatt und schön soll es sein, das "gute" Kabel.
Die Wirkung vom Skin in simu und gemessen:
https://www.simberian.com/AppNotes/Paper...DC2017.pdf
Offensichtlich stimmt die Theorie nicht ganz mit der gemessenen Realität überein, speziell bei tiefen Frequenzen bzgl dem induktiven Anteil.
-- Was ich nicht wirklich verstehe, ist die Induktivität, die sich hier zB zu 10kHz und tieferen Frequenzen aufbaut...DAS ist im Hörbereich !
Skin Kalkulator:
https://www.nessengr.com/technical-data/skin-depth/
-> Es ist also klar, dass alle beschriebenen Effekte real sind und gemessen werden können.
Allerdings das meiste, was offenbar technisch relevant ist, spielt sich weit oberhalb des Hörbereichs ab. (MHz...GHz...)
Inwiefern das trotzdem hörbar ist, kann/darf sich jeder im Hörtest selbst beantworten.
Don't worry about getting older. You're still gonna do dumb stuff...only slower.