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20 Elektronik 07 2025 Steckverbinder kabel Elektromagnetische Kopplung Was sind die Folgen der elektromagnetischen Kopplung in Übertragungsleitungen und Steckern? Die elektromagnetische Kopplung zwischen Leitern ist verantwortlich für die Impedanz die eine Verallgemeinerung des Widerstands für Wechselströme darstellt Die Impedanz wiederum führt zu einem gewissen Signalverlust Zusätzlich verursachen Leckströme in benachbarten Leitern wie naheliegende Pins Kabel oder Signalleitungen in Leiterplatten Verluste Des Weiteren können Impedanzunterschiede entlang der gesamten Übertragungsstrecke zu Signalreflexionen und weiteren Verlusten führen Bild 1 Die Einfügedämpfung ergibt sich somit aus der Summe aller frequenzabhängigen Verluste und der zusätzlichen Dämpfung entlang der gesamten Übertragungsleitung Kopplungsverluste durch Impedanzunterschiede Da eine PCB -Über tragungsleitung einschließlich der Steckverbinder niemals perfekt sein wird ist es höchstwahrscheinlich dass die Einfügedämpfung je nach Frequenz der Übertragungsstrecke wie eine komplexe Kombination schwacher Tiefpassfilter aus Lund C-Komponenten erscheint Bild 2 Gemessene Einfügedämpfung für ZIF-Stecker Die physikalische Eigenschaft von Lund C-Komponenten besteht darin Spannungsänderungen zu widerstehen nicht jedoch bestimmte Frequenzen selektiv zu reduzieren In einem Augendiagramm Bild 3 bei niedrigen Frequenzen ist deutlich zu erkennen dass verlustbehaftete Verbindungskomponenten FFC-Kabel mit kleinem Rastermaß einen exponentiellen Verlauf mit sinusähnlichen Unregelmäßigkeiten bewirken während ein perfekter Tiefpassfilter ein symmetrisches Auge ohne den exponentiellen Abfall ergeben hätte Dies bedeutet jedoch dass die Übertragungsleitung limitierenden Faktoren unterliegt Ist die Signalfrequenz zu hoch wird die Anstiegszeit im Vergleich zur Symbolrate zu hoch und es droht die fundamentale Sinuswelle die Sinuswelle mit der Nyquist-Frequenz zu verlieren Der Jitter explodiert und das Signal wird für den Empfängerchip unlesbar wie in Bild 4 dargestellt Im Allgemeinen benötigen Empfängerchips Signale die den Spezifikationen für Anstiegszeit Schwellenwert und Schwellenzeit entsprechen Die Anforderungen an die Signalstrecken Die meisten High-Speed-Signalprotokolle enthalten auch Anforderungen an die Übertragungsstrecke Es existieren allerdings keine einheitlichen Regeln für diese Normen Protokollstandards definieren immer die Art der Signalisierung single ended oder differen tiell und geben manchmal die Leitungsimpedanz ganz oder teilweise an USB erfordert eine differentielle Impedanz von 90 Ohm für die Leitung HDMI-Anschlüsse haben 100±15 Ohm Bei PCI-Express-Sendern und -Empfängern kann die Impedanz zwischen 85 Ohm und 120 Ohm liegen wobei dieser Spielraum unter Entwicklern teils zu hitzigen Debatten führt Um ein Beispiel zu nennen Betrachtet man den PCIe-Standard von Generation 3 0 bis 5 0 so beträgt der zulässige Gesamtverlust des Signalpfads vom Senderchip zum Empfängerchip 22 dB bis hin zu 36 dB Schlüsselt man nun die verschiedenen Komponenten in der gesamten Übertragungsstrecke nach Verlusten auf CPU Hauptplatine Board Edge Connector und Unteroder Erweiterungsplatine beträgt die zulässige Einfügedämpfung des Steckers selbst nur 1 7 dB bis 1 5 dB bei der differenziellen Signalübertragung für Frequenzen von 4 GHz bis 16 GHz Bild 5 Wenn die CPU direkt auf die Leiterplatte gelötet wird und keinen Sockel hat entfallen erhebliche Verluste Bild 2 Gemessene Einfügedämpfung für ZIF-Steckverbinder Bild 3 Reale kopplungsbedingte Verschleifung des Rechtecksignals bei 480 Mbit s links vs gefiltertes Rechtecksignal fünfter Ordnung rechts