¿Por qué los cables tienen múltiples tierras?

Todo se reduce a la impedancia de las líneas de datos. Básicamente, las líneas tienen una resistencia baja, pero esto es muy diferente de lo que llamamos impedancia en este sentido.

Básicamente, a altas frecuencias, como las que se usan en SATA y USB 3.0, por ejemplo (y, de hecho, en realidad cualquier cosa por encima de los 100 MHz o más), las señales eléctricas que viajan por el cable comienzan a comportarse más como ondas electromagnéticas guiadas por el cable (línea de transmisión) . La capacitancia y la inductancia parásitas actúan juntas para formar una impedancia a la señal. Debido a la naturaleza de las ondas, las discontinuidades tienden a causar reflejos; por ejemplo, si dispara un láser en ángulo contra un panel de vidrio, puede ver que el rayo láser se ha reflejado en los puntos donde cambia la densidad (como del aire al vidrio). ). En resumen, esto es básicamente lo que sucede con las señales de alta frecuencia (si lo piensas, una señal de 2,5 GHz de USB3.0 es básicamente la misma que la banda de RF utilizada por WiFi).

A medida que viaja una señal de RF en un cable, si encuentra una discrepancia en la impedancia de la línea de transmisión por la que viaja, parte de la señal se reflejará hacia la fuente. Esto es muy malo, ya que significa que hay una pérdida de potencia (atenuación de la señal) y puede obtener distorsión debido a los reflejos que rebotan hacia atrás y hacia adelante en el cable. Para garantizar que esto no suceda (o al menos reducir la probabilidad), diseñamos todo el cableado, las terminaciones, los controladores y la electrónica de ese circuito en particular para que tengan la misma impedancia característica, lo que permite que la señal viaje desde el controlador hasta el receptor con reflexión mínima.

Para lograr esta impedancia característica necesitamos dos cosas, primero la inductancia en el cable y segundo la capacitancia entre el cable y tierra. Cada uno de estos presenta una impedancia compleja de polaridad opuesta y, por lo tanto, se unen para formar una impedancia real; el valor depende de la tecnología, por ejemplo, la impedancia diferencial de 100 ohmios es común y la impedancia de un solo extremo de 50 ohmios. Como tal, necesita el cable y la tierra para configurar esta impedancia. Ahora no puede tener cualquier trozo viejo de cable de tierra, necesita configurarlo para que los campos eléctricos entre los cables y la tierra den como resultado la capacitancia correcta. Además, si tiene una señal diferencial, necesita que tanto la impedancia de cada cable como la impedancia diferencial (entre los dos cables de señal) sean un valor específico.

En un diseño de PCB tienes diferentes tecnologías, pero la predominante se llama "Microstrip". Básicamente, entre el plano de tierra y la placa de circuito impreso, se encuentra el material de la placa de circuito impreso, que tiene propiedades dieléctricas y, por lo tanto, forma la capacitancia requerida. Luego selecciona el ancho de la traza para obtener la inductancia correcta para crear su impedancia característica.

Para los cables hay diferentes métodos para hacerlo. Un ejemplo es Co-ax, donde cada cable de señal tiene su propio blindaje que actúa como plano de tierra. Debido a la simetría, es muy fácil calcular la impedancia del cable y diseñar algo con las dimensiones correctas. Sin embargo, el coaxial es voluminoso y es difícil hacer un cable coaxial muy pequeño, especialmente cuando cambia a señales diferenciales (¡el twinax es un fastidio!). Entonces, en cambio, lo que hacen es usar dos cables (a veces en una disposición de par trenzado para un acoplamiento máximo entre los pares) para transportar su señal diferencial. Pero como se ha mencionado en algunas aplicaciones, necesita más, necesita la impedancia característica a tierra, así como entre los cables. Por lo tanto, también debe enrutar un plano de tierra para el par. Hay diferentes maneras de hacer esto,

En SATA, específicamente, organizan los terrenos para que estén a ambos lados de cada par de señales (el del medio es compartido) y, mediante una planificación cuidadosa, alcanzan la impedancia característica.

Con suerte, el tema es comprensible, en realidad es un campo bastante complejo y vasto en ingeniería electrónica.

Una respuesta anterior describe por qué los efectos de la línea de transmisión pueden requerir múltiples líneas de tierra en un cable, pero incluso a frecuencias más bajas donde los efectos de la línea de transmisión son insignificantes, es posible que desee incluir varias tierras en un cable de interfaz. Las razones clave son minimizar la interferencia y la diafonía.

La interferencia de los campos magnéticos depende del área del bucle entre el cable de señal y el cable de tierra donde fluye su corriente de retorno. Si hay una sola conexión a tierra en un cable plano de 1" de ancho, las líneas de señal más lejanas están al menos a 1/2" de distancia, y tal vez a casi 1" de distancia (un diseño común en los sistemas digitales de baja velocidad). Eso genera un bucle. área de 1/2" x L a través de la cual las señales magnéticas perdidas pueden acoplarse a la línea de señal. Al colocar varias líneas de tierra, puede reducir la separación máxima entre las líneas de señal y tierra, reducir el área del bucle y, por lo tanto, reducir la interferencia magnética.

De manera similar, la diafonía magnética entre dos señales depende de la superposición en los bucles de las señales a las líneas de tierra. Cuando dos cables de señal comparten un cable de tierra en un cable plano (por ejemplo), sus bucles se superpondrán significativamente.

Esto esencialmente forma un transformador de núcleo de aire muy largo y delgado que acopla señales de una línea a la otra. Nuevamente, al aumentar la cantidad de cables de tierra, puede minimizar el área de estos bucles superpuestos, o incluso eliminarlos, reduciendo la diafonía entre sus señales.

Ambos efectos a menudo justificarán el uso de múltiples motivos, incluso cuando las frecuencias de la señal sean lo suficientemente bajas como para no preocuparse por los efectos de la línea de transmisión descritos en otra respuesta.

Las líneas de datos de alta velocidad, así como la mayoría de las líneas analógicas, suelen operar de manera diferencial para evitar interferencias (tanto internas como externas).

Esto significa que la línea tiene la misma impedancia o que el circuito para el que se usa está aislado de la interferencia de tierra. En términos prácticos, ambos significan menos ruido e interferencia.

Véase, por ejemplo, el típico cable Ethernet (UTP es el más común) con muchos pares de hilos trenzados. Los cables trenzados significan que estarán casi siempre a la misma distancia entre sí. Otro ejemplo son algunas antenas de TV VHF/UHF, que suelen tener un cable plano con un alambre en cada lado. Ese cable plano está hecho de esa manera para mantener constante la distancia entre los cables. Eso significa impedancia constante en el cable, lo que significa menos reflejos, menos cambios en la velocidad de onda EM (y cada frecuencia tiende a retrasarse en diferentes velocidades, causando distorsión), menos suavizado de la señal y menos interferencia de fuentes externas (cables que actúan como antenas). por ellos mismos).

Esos son especialmente importantes para señales analógicas y de alta velocidad, donde la información puede interrumpirse con interferencias muy pequeñas.

Además de los factores mencionados en otras respuestas, los cables planos pueden tener una capacitancia parásita significativa entre cables adyacentes. En el siguiente ejemplo, los tres generadores intentan generar ondas cuadradas en los hilos del cable (que tiene una conexión a tierra al final), pero las formas de onda resultantes son lo suficientemente desagradables como para que un dispositivo conectado a NODE2 pueda ver algunas transiciones falsas. Si el cable hubiera incluido tierras entre cada cable, eso podría haber aumentado la carga capacitiva (lo que habría causado que las formas de onda fueran un poco más "redondeadas", pero esencialmente habría eliminado la diafonía capacitiva.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}