Tudo se resume à impedância das linhas de dados. Basicamente, as linhas têm baixa resistência, mas isso é muito diferente do que chamamos de impedância a esse respeito.
Basicamente, em altas frequências, como as usadas em SATA e USB3.0, por exemplo (e de fato algo além de 100 + MHz), os sinais elétricos que viajam pelo cabo começam a se comportar mais como ondas eletromagnéticas guiadas pelo cabo (linha de transmissão) . A capacitância e a indutância parasitárias atuam juntas para formar uma impedância no sinal. Devido à natureza das descontinuidades das ondas, elas tendem a causar reflexões - por exemplo, se você disparar um laser em ângulo em um painel de vidro, poderá ver que o raio do laser foi refletido nos pontos em que a densidade muda (como do ar para o vidro) ) Em resumo, isso é basicamente o que acontece com os sinais de alta frequência (se você pensar bem, um sinal de 2,5 GHz do USB3.0 é basicamente o mesmo que a banda de RF usada pelo WiFi).
Como um sinal de RF em um cabo está viajando, se ocorrer uma incompatibilidade na impedância da linha de transmissão em que está viajando, parte do sinal refletirá de volta para a fonte. Isso é muito ruim, pois significa que há uma perda de energia (atenuação do sinal) e você pode obter distorção devido a reflexões que retornam e são quarta no cabo. Para garantir que isso não aconteça (ou pelo menos reduza a probabilidade), projetamos todos os cabos, terminações, drivers, eletrônicos, naquele circuito em particular, para ter a mesma impedância característica, permitindo que o sinal viaje do driver para o receptor com reflexão mínima.
Para alcançar essa impedância característica, precisamos de duas coisas, primeiro a indutância no cabo e, em segundo lugar, a capacitância entre o cabo e o terra. Cada um deles apresenta uma impedância complexa de polaridade oposta e, portanto, se une para formar uma impedância real - qual valor depende da tecnologia, por exemplo, impedância diferencial de 100Ohm é comum e impedância de extremidade única de 50Ohm. Como tal, você precisa do fio e do terra para configurar essa impedância. Agora você não pode simplesmente ter um pedaço de fio terra velho, é necessário que ele seja configurado para que os campos elétricos entre os cabos e o terra resultem na capacitância correta. Além disso, se você tiver um sinal diferencial, precisará que a impedância de cada fio e a impedância diferencial (entre os dois fios de sinal) sejam um valor específico.
Em um layout de PCB, você tem diferentes tecnologias, mas a predominante é chamada "Microstrip". Basicamente, entre o plano de terra e a placa de circuito impresso, você tem o material da placa de circuito impresso que possui propriedades dielétricas, formando assim a capacitância necessária. Em seguida, você seleciona a largura do traço para obter a indutância correta para criar sua impedância característica.
Para cabos, existem diferentes métodos de fazê-lo. Um exemplo é o Co-ax, onde cada fio de sinal tem sua própria blindagem, que atua como o plano de aterramento. Devido à simetria, é muito fácil calcular a impedância do cabo e projetar algo com as dimensões corretas. No entanto, o Co-axe é volumoso e é difícil fabricar cabos coaxiais muito pequenos, especialmente quando você passa para sinais diferenciais (twinax é uma dor!). Então, o que eles fazem é usar dois cabos (às vezes em um arranjo de par trançado para o acoplamento máximo entre os pares) para transmitir seu sinal diferencial. Mas, como foi mencionado em algumas aplicações, você precisa de mais, precisa da impedância característica ao terra, bem como entre os cabos. Portanto, você também precisa rotear um plano de terra para o par. Existem diferentes maneiras de fazer isso,
No SATA, eles organizam especificamente os terrenos para ambos os lados de cada par de sinais (aquele no meio é compartilhado) e, por um planejamento cuidadoso, atingem a impedância característica.
Espero que o entendimento seja compreensível, na verdade, é um campo bastante complexo e vasto em engenharia eletrônica.
Uma resposta anterior descreve por que os efeitos da linha de transmissão podem exigir várias linhas de aterramento em um cabo, mas mesmo em frequências mais baixas em que os efeitos da linha de transmissão são insignificantes, convém incluir vários aterramentos em um cabo de interface. Os principais motivos são minimizar a interferência e a conversa cruzada.
A interferência dos campos magnéticos depende da área do loop entre o fio do sinal e o fio terra onde a corrente de retorno flui. Se houver um único aterramento em um cabo de fita de 1 "de largura, as linhas de sinal mais distantes estarão a pelo menos 1/2" de distância e talvez a cerca de 1 "de distância (não é um design incomum em sistemas digitais de baixa velocidade). Isso gera um loop área de 1/2 "x L através da qual os sinais magnéticos dispersos podem acoplar-se à linha de sinal. Ao colocar várias linhas de terra, você pode reduzir a separação máxima entre linhas de sinal e terra, reduzir a área do loop e, assim, reduzir a interferência magnética.
Da mesma forma, a conversa cruzada magnética entre dois sinais depende da sobreposição nos loops dos sinais para as linhas de terra. Quando dois fios de sinal compartilham um fio terra em um cabo de fita (por exemplo), seus loops se sobrepõem significativamente.
Isso forma essencialmente um transformador de núcleo de ar muito longo e fino que une sinais de uma linha para outra. Novamente, aumentando o número de fios terra, você pode minimizar a área desses loops sobrepostos ou até eliminá-los, reduzindo a interferência entre seus sinais.
Esses dois efeitos costumam justificar o uso de múltiplas terras, mesmo quando as frequências do sinal são baixas o suficiente para não se preocupar com os efeitos da linha de transmissão descritos em outra resposta.
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Linhas de dados de alta velocidade, assim como a maioria das linhas analógicas, geralmente operam de maneira diferente para evitar interferência (interna e externa).
Isso significa que a linha corresponde à impedância ou que o circuito para o qual é usado é isolado da interferência do terra. Em termos práticos, ambos significam menos ruído e interferência.
Veja, por exemplo, o cabo Ethernet típico (UTP é o mais comum) com muitos pares de fios trançados. Os fios trançados significam que eles estarão quase sempre à mesma distância um do outro. Outro exemplo são algumas antenas de TV VHF / UHF, que geralmente têm um cabo plano com um fio de cada lado. Esse cabo plano é feito dessa maneira para manter constante a distância entre os fios. Isso significa impedância constante no fio, o que significa menos reflexos, menos alteração na velocidade da onda EM (e cada frequência tende a ficar em velocidades diferentes, causando distorção), menos suavização do sinal e menos interferência de fontes externas (fios agindo como antenas) por si próprios).
Esses são especialmente importantes para sinais analógicos e de alta velocidade, onde as informações podem ser interrompidas com interferências muito pequenas.
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Além dos fatores mencionados em outras respostas, os cabos de fita podem ter uma capacidade parasitária significativa entre os fios adjacentes. No exemplo abaixo, os três geradores estão tentando emitir ondas quadradas nos fios do cabo (que tem um terra no final), mas as formas de onda resultantes são suficientemente desagradáveis para que um dispositivo conectado ao NODE2 possa ver algumas transições espúrias. Se o cabo incluísse aterramento entre todos os fios, isso poderia ter aumentado a carga capacitiva (fazendo com que as formas de onda fossem um pouco mais "arredondadas", mas teria essencialmente eliminado a interferência capacitiva.
simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab
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