Todo se reduce a la impedancia de las líneas de datos. Básicamente, las líneas tienen una baja resistencia, 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 USB3.0, por ejemplo (y, de hecho, en cualquier cosa más que alrededor de 100 + MHz), las señales eléctricas que viajan por el cable comienzan a comportarse más como ondas electromagnéticas guiadas por el cable (línea de transmisión) . La capacitancia parásita y la inductancia 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 en 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 piensa, una señal de 2.5GHz desde USB3.0 es básicamente la misma que la banda de RF utilizada por WiFi).
A medida que una señal de RF en un cable viaja, si encuentra una falta de coincidencia en la impedancia de la línea de transmisión en 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 el cuarto en el cable. Para garantizar que esto no suceda (o al menos reducir la probabilidad), diseñamos todo el cableado, las terminaciones, los controladores, la electrónica, en ese circuito en particular, para que tengan la misma impedancia característica, lo que permite que la señal viaje del conductor al receptor con Mínima reflexión.
Para lograr esta impedancia característica, necesitamos dos cosas, primero la inductancia en el cable y, en segundo lugar, la capacitancia entre el cable y la tierra. Cada uno de ellos presenta una impedancia compleja de polaridad opuesta y, por lo tanto, se unen para formar una impedancia real: qué valor depende de la tecnología, por ejemplo, la impedancia diferencial de 100 ohmios es común y la impedancia de extremo único de 50 ohmios. Como tal, necesita el cable y la tierra para configurar esta impedancia. Ahora no puede tener un cable de tierra viejo, 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 tiene diferentes tecnologías, pero la predominante se llama "Microstrip". Básicamente, entre el plano de tierra y la PCB, tiene el material de PCB que tiene propiedades dieléctricas, formando así la capacidad 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 escudo que actúa como el plano de tierra. Debido a la simetría, es muy fácil calcular la impedancia del cable y diseñar algo con las dimensiones correctas. Sin embargo, Co-ax es voluminoso y es difícil hacer un cable coaxial muy pequeño, especialmente cuando se mueve a señales diferenciales (¡twinax es un dolor!). Por lo tanto, 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 formas de hacer esto,
En SATA específicamente, arreglan los motivos para que estén a ambos lados de cada par de señales (el que está en el medio se comparte) y mediante una planificación cuidadosa alcanzan la impedancia característica.
Esperemos que todo sea 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 múltiples tierras en un cable de interfaz. Las razones clave son minimizar la interferencia y las conversaciones cruzadas.
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 (no es un diseño poco común en sistemas digitales de baja velocidad). Eso da un bucle área de 1/2 "x L a través de la cual se pueden acoplar señales magnéticas perdidas en la línea de señal. Al colocar varias líneas de tierra, puede reducir la separación máxima entre las líneas de señal y la tierra, reducir el área del bucle y, por lo tanto, reducir la interferencia magnética.
Del mismo modo, la interferencia 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.
Básicamente, esto forma un transformador de núcleo de aire muy largo y delgado que acopla las señales de una línea a la otra. Una vez más, al aumentar el número de cables de tierra, puede minimizar el área de estos bucles superpuestos, o incluso eliminarlos, reduciendo la conversación cruzada entre sus señales.
Ambos efectos a menudo justifican el uso de múltiples motivos, incluso cuando las frecuencias de la señal son lo suficientemente bajas como para no preocuparse por los efectos de la línea de transmisión descritos en otra respuesta.
fuente
Las líneas de datos de alta velocidad, así como la mayoría de las líneas analógicas, generalmente operan de manera diferencial para evitar interferencias (tanto internas como externas).
Esto significa que la línea coincide con la impedancia o que el circuito para el que se utiliza está aislado de la interferencia de tierra. En términos prácticos, ambos significan menos ruido e interferencia.
Vea, por ejemplo, el cable Ethernet típico (UTP es el más común) con muchos pares de cables trenzados. Los cables retorcidos significan que estarán casi siempre a la misma distancia el uno del otro. Otro ejemplo son algunas antenas de TV VHF / UHF, que generalmente tienen un cable plano con un cable en cada lado. Ese cable plano está hecho de esa manera para mantener constante la distancia entre los cables. Eso significa una impedancia constante en el cable, lo que significa menos reflejos, menos cambio en la velocidad de la onda EM (y cada frecuencia tiende a retrasarse a 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 las señales analógicas y de alta velocidad, donde la información puede interrumpirse con interferencias muy pequeñas.
fuente
Además de los factores mencionados en otras respuestas, los cables planos pueden tener una capacidad parasitaria significativa entre los cables adyacentes. En el siguiente ejemplo, los tres generadores están tratando de emitir ondas cuadradas en los cables 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 espurias. Si el cable hubiera incluido tierra entre cada cable, eso podría haber aumentado la carga capacitiva (causando así que las formas de onda sean un poco más "redondeadas", pero esencialmente habrían eliminado la diafonía capacitiva.
simular este circuito : esquema creado con CircuitLab
fuente