[SI-LIST] Re: Single-ended impedance of Ethernet twisted pairs with respect to GND?

  • From: Chuck Corley <corley@xxxxxxxxx>
  • To: steven@xxxxxxx
  • Date: Thu, 12 Aug 2021 12:48:37 -0700

Hi Steven, 
I had started to write up a reply to your question earlier (draft
attached below).  But now I'm glad I hadn't sent it yet because your
test results were very interesting to see.  Thanks for posting them!   

If I understand correctly what you're trying to do, I worry a bit that
you're using a data cable to tie the grounds of different units
together.  The reality is that the "grounds" in each unit aren't always
at exactly at the same potential, even though they are supposed to be. 
The "grounds" of each unit bounce around a bit.  Among other things,
that can sometimes cause current flow in the ground, and EMI, and also
make the data signal appear to have noise on it relative to the ground. 
So your "reference point ground" for the digital signal might be
bouncing around and you lose noise margin.  It seems like this approach
might work under certain conditions where the grounds are sufficiently
closely tied together and outside noise conditions are low, but then not
work under other conditions (or possibly cause EMI problems).  

Probably the further apart the units get the lower the noise margin and
reliability of this single ended link would be.

---

Chuck Corley 

My earlier unsent draft: 

I know that the nominal impedance of the twisted pairs in Cat5e/Cat6a/Cat7 
Ethernet patch cables is 100 Ohms Â± some tolerance: ... But is the 
single-ended impedance of a pair specified or defined with respect to GND, if 
I run a single-ended signal (e.g. TTL) over one leg of a pair and then tie 
the other leg of the pair to GND on both sides of the cable? 

The differential impedance between the two wires is specified as 100
ohms.  At least for Cat 5e (that doesn't have shielding) it seems if the
differential impedance is 100 ohms, then when you tie one side of the
diff pair to ground the impedance to the other adjacent signal wire
should still be around 100 ohms.    

For Cat 6 and 7 you get into more trouble as the additional shielding
could affect the impedance.  The more shielding there is and the closer
it is to the signal wire the more I'd expect the impedance to go down
because coupling to the shielding.  My guess would be that Cat 6a would
be lower effective impedance than Cat 5e, and Cat 7 even lower impedance
than Cat 6. 

But it kind of seems like the differential nature of the cable (which
allows the signals to have good noise immunity in difficult
environments) would mostly be ruined.   

On 2021-08-12 11:49, Steven Kan wrote:

Ladies & Gents,

TL;DR: It's pretty close to 50 Ohms.

Full version: I finally got a chance to use the scope with the TDR, so I did 
some basic testing of various off-the-shelf Ethernet patch cables:

* Cat7, with per-pair foil shield and an overall foil shield, ASINs 
B07ZTR648R and B07ZTRR8RP
* Cat6a, with only an overall foil child, ASIN B071JYKDDN
* Cat5e, unshielded, ASIN B001V5Q9LC

https://www.kan.org/pictures/EthernetPatchCablesShielding.jpg

1) First I put a 3' length of 50 Ohm coax on the TDR head to establish a 
baseline incident pulse height of 250 mV and a reflected open circuit height 
of the expected +250 mV:

https://www.kan.org/pictures/TDR_50Ohm_Coax.jpg
https://www.kan.org/pictures/TDR_50Ohm_Coax.png

2) Next I added an SMA-RJ45 adapter and a 10' length of Cat7. The non-driven 
side of the twisted pair, and the other unused circuits in the bundle, are 
all tied to GND:

https://www.kan.org/pictures/TDR_50Ohm_Coax_RJ45_10ftCat7.jpg
https://www.kan.org/pictures/TDR_50Ohm_Coax_RJ45_10ftCat7.png

The reflected wave along the Cat7 section was about ~10 mV, so ðœŒ = 10/250= 
0.04. If my math is correct, that works out to a single-ended impedance of 
about (1.04/0.96) * 50 = ~54 Ohms. 

3) Then I replaced the 10' of Cat7 with 3' of Cat7, and added a shielded RJ45 
coupler and 3' length of Cat6a:

https://www.kan.org/pictures/TDR_50Ohm_Coax_RJ45_3ftCat7_3ftCat6a.jpg
https://www.kan.org/pictures/TDR_50Ohm_Coax_RJ45_3ftCat7_3ftCat6a.png

The Cat6a section of reflected wave is ~39 mV, which yields an impedance of 
~68 Ohms.

4) Lastly I added a 3' section of Cat5e:

https://www.kan.org/pictures/TDR_50Ohm_Coax_RJ45_3ftCat7_3ftCat6a_3ftCat5e.jpg
https://www.kan.org/pictures/TDR_50Ohm_Coax_RJ45_3ftCat7_3ftCat6a_3ftCat5e.png

The Cat5e section of reflected wave is something like ~56 mV, depending on 
where you place the cursor, which yields an impedance of ~79 Ohms, but that 
measurement isn't very robust, and the waveform looks terrible anyway, so I 
wouldn't ever use unshielded Cat5e in an application like this.

In fact, Cat7 was approximately the same price as the Cat6a at equivalent 
lengths (sometimes cheaper!), pre-made Cat7 patch cables are readily 
available in lengths up to 100', and the Cat7 was not any stiffer than the 
Cat6a, so there's really no reason that I can think of _not_ to use Cat7 
instead of lesser cables.

As to why anyone would use "Ethernet" cables in this way, I have many 
customers in test and system integration applications (e.g. board-to-board, 
box-to-box, and rack-to-rack) with very high signal counts, and adapting from 
SMA to RJ45 can reduce the cable count by 8x, and the cabling cost by >8x.

We make several level translator modules (e.g. TTL to LVDS or RS422 to TTL) 
that use up to 8 paired SMAs for the differential side, and adapting these to 
RJ45 for long runs across the lab, across the test range, or under the ocean 
has worked very well. But several customers have asked if they could use the 
same technique for single-ended signals, and I didn't have an answer. 

Now I do, and the STPs inside Cat7 looks like an acceptable substitute for 50 
Ohm coax, when driven single-ended. I was able to carry a 10 MHz, DC-coupled, 
TTL clock over 91' of Cat7 and still make valid TTL levels on the far side. 
(The 91' was just all the Cat7 cables I had available, coupled together, 
because I originally didn't think I was going to do any testing at that 
length):

https://www.kan.org/pictures/10MHzTTL_91ft_Cat7.jpg
https://www.kan.org/pictures/10MHzTTL_91ft_Cat7.png

Of course AC-coupled differential signaling would be far better, as I was 
able to push a 500 MHz clock over that same cable with >450 mV differential 
swing at the far end:

https://www.kan.org/pictures/500MHz_DiffTTL_91ftCat7.png

but some customers don't have that option, and are stuck with single-ended 
signals.

Corrections and comments welcome, especially if I've done the math wrong!

On Aug 9, 2021, at 10:37 AM, Todd Hubing <hubing@xxxxxxxxxxx> wrote:

Steven,

I can't think of any situation where one would send a single-ended signal 
over an unshielded twisted-wire pair and be concerned about the 
characteristic impedance. Single-ended signals drive twisted-wire pairs with 
a common-mode voltage equal to half the signal voltage. At very low data 
rates (e.g. <500 kbps) over limited distances, this is generally not a 
concern. But at those data rates and distances, the characteristic impedance 
is not a concern either.

At higher data rates, a common-mode voltage greater than about 1 mV at any 
signal harmonic is very likely to cause a radiated emissions problem. In 
automotive applications, even 100 microvolts can be too much.

Todd   

-----Original Message-----
From: si-list-bounce@xxxxxxxxxxxxx <si-list-bounce@xxxxxxxxxxxxx> On Behalf 
Of Steven Kan
Sent: Friday, August 6, 2021 5:17 PM
To: si-list@xxxxxxxxxxxxx
Subject: [SI-LIST] Single-ended impedance of Ethernet twisted pairs with 
respect to GND?

Hi all,

I know that the nominal impedance of the twisted pairs in Cat5e/Cat6a/Cat7 
Ethernet patch cables is 100 Ohms Â± some tolerance:

https://en.wikipedia.org/wiki/Category_5_cable#Characteristics

https://en.wikipedia.org/wiki/ISO/IEC_11801#Classes_and_categories

But is the single-ended impedance of a pair specified or defined with 
respect to GND, if I run a single-ended signal (e.g. TTL) over one leg of a 
pair and then tie the other leg of the pair to GND on both sides of the 
cable?

Will the shielding (none for 5e, outer for 6a, and per-pair+outer for 7) 
affect the single-ended impedance if one half of the pair is already tied to 
GND? 

My preliminary empirical testing suggests that each pair is much closer to 
50 Ohms than to 100 Ohms for single-ended signals, but I wanted a sanity 
check from y'all.

Thanks!------------------------------------------------------------------

------------------------------------------------------------------
To unsubscribe from si-list:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'unsubscribe' in the Subject field

or to administer your membership from a web page, go to:
//www.freelists.org/webpage/si-list

For help:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'help' in the Subject field

List forum  is accessible at:
http://tech.groups.yahoo.com/group/si-list

List archives are viewable at:     
//www.freelists.org/archives/si-list

Old (prior to June 6, 2001) list archives are viewable at:
http://www.qsl.net/wb6tpu

------------------------------------------------------------------
To unsubscribe from si-list:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'unsubscribe' in the Subject field

or to administer your membership from a web page, go to:
//www.freelists.org/webpage/si-list

For help:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'help' in the Subject field


List forum  is accessible at:
               http://tech.groups.yahoo.com/group/si-list

List archives are viewable at:     
                //www.freelists.org/archives/si-list
 
Old (prior to June 6, 2001) list archives are viewable at:
                http://www.qsl.net/wb6tpu
  

Other related posts: