Почему кабели имеют несколько заземлений?

Все упирается в импеданс линий передачи данных. В основном линии имеют низкое сопротивление, но это сильно отличается от того, что мы называем импедансом в этом отношении.

В основном на высоких частотах, таких как, например, используемые в SATA и USB3.0 (и на самом деле на любых частотах выше 100+ МГц), электрические сигналы, проходящие по кабелю, начинают вести себя больше как электромагнитные волны, направляемые кабелем (линии передачи). . Паразитная емкость и индуктивность действуют вместе, образуя импеданс сигнала. Из-за природы волн неоднородности имеют тенденцию вызывать отражения — например, если вы направите лазер под углом к ​​оконному стеклу, вы увидите, что лазерный луч отразился в точках, где изменяется плотность (например, от воздуха к стеклу). ). Короче говоря, это в основном то, что происходит с высокочастотными сигналами (если подумать, сигнал 2,5 ГГц от USB3.0 в основном такой же, как диапазон RF, используемый WiFi).

Когда радиочастотный сигнал распространяется по кабелю, если он сталкивается с несоответствием импеданса линии передачи, по которой он распространяется, часть сигнала будет отражаться обратно к источнику. Это очень плохо, так как означает потерю мощности (затухание сигнала) и вы можете получить искажения из-за отражений, отражающихся в кабеле. Чтобы этого не произошло (или, по крайней мере, уменьшить вероятность), мы разрабатываем все кабели, разъемы, драйверы, электронику в этой конкретной цепи так, чтобы они имели одинаковый характеристический импеданс, что позволяет сигналу проходить от драйвера к приемнику с минимальное отражение.

Для достижения этого характеристического импеданса нам нужны две вещи: во-первых, индуктивность в кабеле, а во-вторых, емкость между кабелем и землей. Каждый из них представляет собой комплексный импеданс противоположной полярности и, таким образом, объединяется, чтобы сформировать реальный импеданс - какое значение зависит от технологии, например, дифференциальный импеданс 100 Ом является общим, а несимметричный импеданс 50 Ом. Таким образом, вам нужен провод и земля для настройки этого импеданса. Теперь вы не можете просто взять старый кусок заземляющего провода, вам нужно настроить его так, чтобы электрические поля между кабелями и землей приводили к правильной емкости. Кроме того, если у вас есть дифференциальный сигнал, вам нужно, чтобы импеданс каждого провода, а также дифференциальный импеданс (между двумя сигнальными проводами) был определенным значением.

В макете печатной платы у вас есть разные технологии, но преобладающая из них называется «Микрополоска». В основном между заземляющим слоем и печатной платой у вас есть материал печатной платы, который обладает диэлектрическими свойствами, что обеспечивает необходимую емкость. Затем вы выбираете ширину дорожки, чтобы получить правильную индуктивность для создания характеристического импеданса.

Для кабелей существуют разные методы. Одним из примеров является коаксиальный кабель, где каждый сигнальный провод имеет собственный экран, который действует как заземляющий слой. Из-за симметрии очень легко вычислить импеданс кабеля и спроектировать что-то с правильными размерами. Однако коаксиальный кабель громоздкий, и очень трудно сделать очень маленький коаксиальный кабель, особенно когда вы переходите на дифференциальные сигналы (твинакс — это боль!). Поэтому вместо этого они используют два кабеля (иногда в виде витой пары для максимальной связи между парами) для передачи вашего дифференциального сигнала. Но, как уже упоминалось, в некоторых приложениях вам нужно больше, вам нужен характеристический импеданс относительно земли, а также между кабелями. Таким образом, вам также необходимо проложить наземную плоскость для пары. Есть разные способы сделать это,

В частности, в SATA они размещают основания по обе стороны от каждой сигнальной пары (тот, что в середине, является общим), и путем тщательного планирования они достигают характеристического импеданса.

Надеюсь, это понятно, на самом деле это довольно сложная и обширная область электронной техники.

В предыдущем ответе описано, почему для эффектов линии передачи может потребоваться несколько линий заземления в кабеле. Но даже на более низких частотах, где эффекты линии передачи незначительны, вы можете захотеть включить несколько заземлений в интерфейсный кабель. Основные причины заключаются в том, чтобы свести к минимуму помехи и перекрестные помехи.

Помехи от магнитных полей зависят от площади контура между сигнальным проводом и проводом заземления, где протекает обратный ток. Если в ленточном кабеле шириной 1 дюйм есть одно заземление, самые дальние сигнальные линии находятся на расстоянии не менее 1/2 дюйма, а может быть, и почти 1 дюйм (что не редкость в низкоскоростных цифровых системах). Это дает петлю. площадь 1/2" x L, через которую паразитные магнитные сигналы могут попасть в сигнальную линию. Размещая несколько линий заземления, вы можете уменьшить максимальное расстояние между сигнальными линиями и землей, уменьшить площадь петли и, таким образом, уменьшить магнитные помехи.

Точно так же магнитные перекрестные помехи между двумя сигналами зависят от перекрытия контуров от сигналов до линий заземления. Когда два сигнальных провода имеют общий провод заземления в ленточном кабеле (например), их петли будут значительно перекрываться.

По сути, это формирует очень длинный и тонкий трансформатор с воздушным сердечником, который соединяет сигналы с одной линии на другую. Опять же, увеличив количество заземляющих проводов, вы можете минимизировать площадь этих перекрывающихся петель или даже исключить их, уменьшив перекрестные помехи между вашими сигналами.

Оба этих эффекта часто оправдывают использование нескольких оснований, даже если частоты сигнала достаточно низкие, чтобы не беспокоиться об эффектах линии передачи, описанных в другом ответе.

Высокоскоростные линии передачи данных, как и большинство аналоговых линий, обычно работают по- разному , чтобы избежать помех (как внутренних, так и внешних).

Это означает, что либо линия согласована по импедансу, либо цепь, для которой она используется, изолирована от наземных помех. С практической точки зрения, оба из них означают меньше шума и помех.

См., например, типичный кабель Ethernet (наиболее распространен UTP) с множеством пар витых проводов. Скрученные провода означают, что они почти всегда будут находиться на одинаковом расстоянии друг от друга. Другим примером являются телевизионные антенны VHF/UHF, которые обычно имеют плоский кабель с одним проводом с каждой стороны. Этот плоский кабель сделан таким образом, чтобы расстояние между проводами оставалось постоянным. Это означает постоянный импеданс в проводе, что означает меньшее количество отражений, меньшее изменение скорости ЭМ волны (и каждая частота имеет тенденцию отставать на разных скоростях, вызывая искажение), меньшее сглаживание сигнала и меньше помех от внешних источников (провода действуют как антенны). сами).

Это особенно важно для высокоскоростных и аналоговых сигналов, где информация может быть нарушена очень небольшими помехами.

В дополнение к факторам, упомянутым в других ответах, ленточные кабели могут иметь значительную паразитную емкость между соседними проводами. В приведенном ниже примере три генератора пытаются выводить прямоугольные сигналы на провода кабеля (который имеет заземление на конце), но результирующие формы сигналов настолько неприятны, что устройство, подключенное к NODE2, может увидеть некоторые ложные переходы. Если бы в кабеле было заземление между каждым проводом, это могло бы увеличить емкостную нагрузку (что привело бы к тому, что формы сигналов были бы немного более «округлыми», но существенно устранили бы емкостные перекрестные помехи.

^{смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab}