Warum haben Kabel mehrere Erdungen?

Es kommt alles auf die Impedanz der Datenleitungen an. Grundsätzlich haben die Leitungen einen geringen Widerstand, aber das unterscheidet sich sehr von dem, was wir in diesem Zusammenhang als Impedanz bezeichnen.

Grundsätzlich verhalten sich bei hohen Frequenzen, wie sie beispielsweise in SATA und USB3.0 verwendet werden (und tatsächlich alles über 100+MHz), die elektrischen Signale, die das Kabel hinunterlaufen, eher wie elektromagnetische Wellen, die vom Kabel (Übertragungsleitung) geleitet werden. . Die parasitäre Kapazität und Induktivität wirken zusammen, um eine Impedanz für das Signal zu bilden. Aufgrund der Natur von Wellen neigen Diskontinuitäten dazu, Reflexionen zu verursachen - wenn Sie beispielsweise einen Laser schräg in eine Glasscheibe schießen, können Sie sehen, dass der Laserstrahl an Punkten reflektiert wurde, an denen sich die Dichte ändert (z. B. von Luft zu Glas ). Kurz gesagt, das passiert im Grunde mit Hochfrequenzsignalen (wenn Sie darüber nachdenken, ist ein 2,5-GHz-Signal von USB3.0 im Grunde dasselbe wie das von WiFi verwendete HF-Band).

Wenn ein HF-Signal in einem Kabel entlangläuft und es auf eine Fehlanpassung in der Impedanz der Übertragungsleitung trifft, in der es sich bewegt, wird ein Teil des Signals zurück zur Quelle reflektiert. Dies ist sehr schlecht, da es zu einem Leistungsverlust (Dämpfung des Signals) und zu Verzerrungen aufgrund von Reflexionen kommt, die im Kabel zurück- und viert reflektiert werden. Um sicherzustellen, dass dies nicht passiert (oder zumindest die Wahrscheinlichkeit zu verringern), entwerfen wir alle Kabel, Abschlüsse, Treiber und Elektronik in diesem bestimmten Schaltkreis so, dass sie die gleiche charakteristische Impedanz haben, wodurch das Signal vom Treiber zum Empfänger übertragen werden kann minimale Reflexion.

Um diesen Wellenwiderstand zu erreichen, benötigen wir zwei Dinge, erstens die Induktivität im Kabel und zweitens die Kapazität zwischen Kabel und Erde. Diese stellen jeweils eine komplexe Impedanz entgegengesetzter Polarität dar und bilden somit zusammen eine echte Impedanz - welcher Wert von der Technologie abhängt, zB sind 100 Ohm differentielle Impedanz und 50 Ohm Single-Ended-Impedanz üblich. Daher benötigen Sie den Draht und die Masse, um diese Impedanz einzurichten. Jetzt können Sie nicht einfach irgendein altes Erdungskabel haben, Sie müssen es so einrichten, dass die elektrischen Felder zwischen den Kabeln und der Erde zu der richtigen Kapazität führen. Wenn Sie ein Differenzsignal haben, benötigen Sie außerdem sowohl die Impedanz jedes Drahtes als auch die Differenzimpedanz (zwischen den beiden Signaldrähten) einen bestimmten Wert.

In einem PCB-Layout gibt es verschiedene Technologien, aber die vorherrschende heißt "Microstrip". Grundsätzlich befindet sich zwischen der Masseebene und der Leiterplatte das Leiterplattenmaterial, das dielektrische Eigenschaften hat und somit die erforderliche Kapazität bildet. Sie wählen dann die Breite der Leiterbahn aus, um die richtige Induktivität zu erhalten, um Ihre charakteristische Impedanz zu erzeugen.

Für Kabel gibt es verschiedene Methoden, dies zu tun. Ein Beispiel ist Co-ax, wo jeder Signaldraht seine eigene Abschirmung hat, die als Erdungsebene dient. Aufgrund der Symmetrie ist es sehr einfach, die Impedanz des Kabels zu ermitteln und etwas mit den richtigen Abmessungen zu entwerfen. Co-ax ist jedoch sperrig und es ist schwierig, sehr kleine Koaxialkabel herzustellen, insbesondere wenn Sie zu differentiellen Signalen wechseln (Twinax ist ein Schmerz!). Stattdessen verwenden sie zwei Kabel (manchmal in einer Twisted-Pair-Anordnung für maximale Kopplung zwischen den Paaren), um Ihr Differenzsignal zu übertragen. Aber wie bereits erwähnt, benötigen Sie in einigen Anwendungen mehr, Sie benötigen den Wellenwiderstand sowohl zur Erde als auch zwischen den Kabeln. Sie müssen also auch eine Masseebene für das Paar verlegen. Dazu gibt es verschiedene Möglichkeiten,

Bei SATA ordnen sie speziell die Erdung so an, dass sie sich auf beiden Seiten jedes Signalpaares befindet (die in der Mitte wird geteilt) und durch sorgfältige Planung erreichen sie die charakteristische Impedanz.

Hoffentlich ist das ungefähr verständlich, es ist eigentlich ein ziemlich komplexes und weites Feld in der Elektrotechnik.

Eine vorherige Antwort beschreibt, warum Übertragungsleitungseffekte möglicherweise mehrere Erdungsleitungen in einem Kabel erfordern. Aber selbst bei niedrigeren Frequenzen, bei denen Übertragungsleitungseffekte unbedeutend sind, möchten Sie möglicherweise mehrere Erdungen in ein Schnittstellenkabel aufnehmen. Die Hauptgründe sind die Minimierung von Interferenzen und Übersprechen.

Störungen durch Magnetfelder hängen von der Schleifenfläche zwischen dem Signaldraht und dem Erdungsdraht ab, wo sein Rückstrom fließt. Wenn in einem 1 Zoll breiten Flachbandkabel eine einzige Masse vorhanden ist, sind die am weitesten entfernten Signalleitungen mindestens 1/2 Zoll und vielleicht fast 1 Zoll entfernt (kein ungewöhnliches Design in digitalen Systemen mit niedriger Geschwindigkeit). Das ergibt eine Schleife Bereich von 1/2" x L, durch den magnetische Streusignale in die Signalleitung einkoppeln können. Indem Sie mehrere Masseleitungen platzieren, können Sie den maximalen Abstand zwischen Signalleitungen und Masse reduzieren, die Schleifenfläche verkleinern und so magnetische Interferenzen reduzieren.

In ähnlicher Weise hängt das magnetische Übersprechen zwischen zwei Signalen von der Überlappung in den Schleifen von den Signalen zu den Masseleitungen ab. Wenn sich zwei Signaldrähte (z. B.) in einem Flachbandkabel einen Erdungsdraht teilen, überlappen sich ihre Schleifen erheblich.

Dies bildet im Wesentlichen einen sehr langen, dünnen Luftkerntransformator, der Signale von einer Leitung in die andere koppelt. Auch hier können Sie durch Erhöhen der Anzahl der Erdungskabel die Fläche dieser überlappenden Schleifen minimieren oder sogar eliminieren, wodurch das Übersprechen zwischen Ihren Signalen verringert wird.

Beide Effekte rechtfertigen häufig die Verwendung mehrerer Gründe, selbst wenn die Signalfrequenzen niedrig genug sind, um sich keine Gedanken über die in einer anderen Antwort beschriebenen Übertragungsleitungseffekte zu machen.

Hochgeschwindigkeits-Datenleitungen sowie die meisten analogen Leitungen arbeiten normalerweise differentiell , um Interferenzen (sowohl intern als auch extern) zu vermeiden.

Dies bedeutet entweder, dass die Leitung hinsichtlich der Impedanz angepasst ist oder dass der Schaltkreis, für den sie verwendet wird, von Erdungsstörungen isoliert ist. Beides bedeutet in der Praxis weniger Rauschen und Interferenzen.

Siehe zum Beispiel das typische Ethernet-Kabel (UTP ist am gebräuchlichsten) mit vielen verdrillten Adernpaaren . Verdrillte Drähte bedeuten, dass sie fast immer den gleichen Abstand voneinander haben. Ein weiteres Beispiel sind einige VHF/UHF-TV-Antennen, die normalerweise ein Flachkabel mit einem Draht auf jeder Seite haben. Dieses Flachkabel ist so konstruiert, dass der Abstand zwischen den Drähten konstant bleibt. Das bedeutet konstante Impedanz im Kabel, was weniger Reflexionen, weniger Änderung der EM-Wellengeschwindigkeit (und jede Frequenz neigt dazu, bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten nachzueilen und Verzerrungen zu verursachen), weniger Glättung des Signals und weniger Interferenzen von externen Quellen (Drähte wirken wie Antennen) bedeutet selbst).

Diese sind besonders wichtig für Hochgeschwindigkeits- und analoge Signale, wo Informationen mit sehr kleinen Interferenzen gestört werden können.

Zusätzlich zu den in anderen Antworten erwähnten Faktoren können Flachbandkabel eine erhebliche parasitäre Kapazität zwischen benachbarten Drähten aufweisen. Im folgenden Beispiel versuchen die drei Generatoren, Rechteckwellen auf den Drähten des Kabels auszugeben (das am Ende eine Erdung hat), aber die resultierenden Wellenformen sind so unangenehm, dass ein an NODE2 angeschlossenes Gerät einige falsche Übergänge sehen könnte. Wenn das Kabel Masse zwischen jedem Draht enthalten hätte, hätte dies möglicherweise die kapazitive Belastung erhöht (wodurch die Wellenformen etwas "runder" wären), aber das kapazitive Übersprechen hätte im Wesentlichen beseitigt werden können.

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}