Tại sao cáp có nhiều căn cứ?

Nhiều dây cáp có nhiều căn cứ. Tại sao?

Ví dụ, theo Wikipedia :

Tiêu chuẩn SATA xác định cáp dữ liệu với bảy dây dẫn (3 đường cơ sở và 4 đường dữ liệu hoạt động thành hai cặp) và đầu nối wafer rộng 8 mm ở mỗi đầu.

Nói chung (không cụ thể đối với SATA), tại sao cáp cần nhiều căn cứ? Có nhiều lý do khác nhau cho nhiều căn cứ khi cáp được sử dụng để truyền dữ liệu so với nguồn điện?

Từ những gì tôi đã đọc, có vẻ như một trong những lý do chính để có nhiều căn cứ là để trở kháng thấp hơn ... nhưng tại sao trở kháng thấp lại rất quan trọng đối với đường dây đất?

Tất cả là do trở kháng của các dòng dữ liệu. Về cơ bản các dòng có điện trở thấp, nhưng điều này rất khác với những gì chúng tôi hạn chế trở kháng trong vấn đề này.

Về cơ bản ở các tần số cao như được sử dụng trong SATA và USB3.0 chẳng hạn (và thực tế là bất cứ thứ gì lớn hơn khoảng 100 + MHz), các tín hiệu điện truyền xuống cáp bắt đầu hoạt động giống như sóng điện từ được dẫn bởi cáp (đường truyền) . Điện dung ký sinh và điện cảm hoạt động cùng nhau để tạo thành một trở kháng cho tín hiệu. Do bản chất của sự không liên tục của sóng có xu hướng gây ra sự phản xạ - ví dụ nếu bạn bắn tia laser vào một góc vào một ô kính, bạn có thể thấy rằng tia laser đã bị phản xạ tại các điểm mà mật độ thay đổi (như từ không khí sang thủy tinh ). Nói tóm lại, về cơ bản, điều này xảy ra với tín hiệu tần số cao (nếu bạn nghĩ về nó, tín hiệu 2,5 GHz từ USB3.0 về cơ bản giống như băng tần RF được sử dụng bởi WiFi).

Vì tín hiệu RF trong cáp đang truyền dọc, nếu nó gặp sự không khớp trong trở kháng của đường truyền mà nó đang truyền, một số tín hiệu sẽ phản xạ trở lại nguồn. Điều này là rất xấu vì nó có nghĩa là mất điện (suy giảm tín hiệu) và bạn có thể bị méo do phản xạ dội ngược lại và thứ tư trong cáp. Để đảm bảo điều này không xảy ra (hoặc ít nhất là giảm khả năng), chúng tôi thiết kế tất cả hệ thống cáp, đầu cuối, trình điều khiển, thiết bị điện tử, trong mạch cụ thể đó có cùng trở kháng đặc tính, do đó cho phép tín hiệu truyền từ người lái đến máy thu với phản xạ tối thiểu.

Để đạt được trở kháng đặc tính này, chúng ta cần hai điều, thứ nhất là độ tự cảm trong cáp và thứ hai là điện dung giữa cáp và mặt đất. Những cái này đều có trở kháng phức tạp của cực đối diện và do đó kết hợp với nhau để tạo thành trở kháng thực - giá trị nào phụ thuộc vào công nghệ, ví dụ trở kháng vi sai 100Ohm là phổ biến và trở kháng đơn 50Ohm. Như vậy, bạn cần dây và mặt đất để thiết lập trở kháng này. Bây giờ bạn không thể có một chút dây nối đất cũ, bạn cần nó được thiết lập sao cho điện trường giữa dây cáp và mặt đất dẫn đến điện dung chính xác. Hơn nữa, nếu bạn có tín hiệu vi sai, bạn cần cả trở kháng của từng dây cũng như trở kháng vi sai (giữa hai dây tín hiệu) là một giá trị cụ thể.

Trong cách bố trí PCB, bạn có các công nghệ khác nhau, nhưng công nghệ chiếm ưu thế được gọi là "Microstrip". Về cơ bản giữa mặt phẳng đất và PCB, bạn có vật liệu PCB có tính chất điện môi do đó hình thành điện dung cần thiết. Sau đó, bạn chọn độ rộng của dấu vết để có độ tự cảm chính xác để tạo trở kháng đặc tính của bạn.

Đối với cáp có các phương pháp khác nhau để làm điều đó. Một ví dụ là Co-ax, trong đó mỗi dây tín hiệu có lá chắn riêng đóng vai trò là mặt phẳng mặt đất. Do tính đối xứng, rất dễ dàng để tìm ra trở kháng của cáp và thiết kế một cái gì đó với kích thước chính xác. Tuy nhiên, Co-ax rất cồng kềnh và thật khó để tạo ra cáp dỗ rất nhỏ, đặc biệt là khi bạn chuyển sang tín hiệu vi sai (twinax là một nỗi đau!). Vì vậy, thay vào đó, những gì họ làm là sử dụng hai dây cáp (đôi khi được sắp xếp theo cặp xoắn để ghép tối đa giữa các cặp) để mang tín hiệu khác biệt của bạn. Nhưng như đã được đề cập trong một số ứng dụng bạn cần nhiều hơn, bạn cần trở kháng đặc tính đối với mặt đất cũng như giữa các dây cáp. Vì vậy, bạn cũng cần định tuyến một mặt phẳng cho cặp. Có nhiều cách khác nhau để làm điều này,

Trong SATA cụ thể, họ sắp xếp các căn cứ ở hai bên của mỗi cặp tín hiệu (một ở giữa được chia sẻ) và bằng cách lập kế hoạch cẩn thận, chúng đạt được trở kháng đặc tính.

Hy vọng về điều này là dễ hiểu, nó thực sự là một lĩnh vực khá phức tạp và rộng lớn trong kỹ thuật điện tử.

Một câu trả lời trước mô tả lý do tại sao hiệu ứng đường truyền có thể yêu cầu nhiều đường dây trong cáp, nhưng ngay cả ở tần số thấp hơn mà hiệu ứng đường truyền không đáng kể, bạn có thể muốn bao gồm nhiều cơ sở trên cáp giao diện. Những lý do chính là để giảm thiểu can thiệp và nói chuyện chéo.

Giao thoa từ từ trường phụ thuộc vào khu vực vòng lặp giữa dây tín hiệu và dây nối đất nơi dòng điện trở lại của nó chảy. Nếu có một mặt đất trong cáp ruy băng rộng 1 ", các đường tín hiệu xa nhất cách xa ít nhất 1/2" và có thể gần 1 "(không phải là thiết kế không phổ biến trong các hệ thống kỹ thuật số tốc độ thấp). diện tích 1/2 "x L qua đó tín hiệu từ trường đi lạc có thể ghép vào đường tín hiệu. Bằng cách đặt nhiều đường mặt đất, bạn có thể giảm khoảng cách tối đa giữa đường tín hiệu và mặt đất, giảm diện tích vòng lặp và do đó giảm nhiễu từ.

Tương tự, việc trao đổi chéo từ tính giữa hai tín hiệu phụ thuộc vào sự chồng chéo trong các vòng từ tín hiệu đến đường mặt đất. Khi hai dây tín hiệu chia sẻ một dây nối đất trong cáp ruy băng (ví dụ), các vòng lặp của chúng sẽ chồng chéo đáng kể.

Điều này về cơ bản tạo thành một máy biến áp lõi không khí rất dài, mỏng, mà các cặp tín hiệu từ dòng này sang dòng khác. Một lần nữa, bằng cách tăng số lượng dây nối đất, bạn có thể giảm thiểu diện tích của các vòng lặp chồng chéo này hoặc thậm chí loại bỏ chúng, giảm đàm thoại chéo giữa các tín hiệu của bạn.

Cả hai hiệu ứng này thường sẽ biện minh cho việc sử dụng nhiều căn cứ, ngay cả khi tần số tín hiệu đủ thấp để không lo lắng về các hiệu ứng đường truyền được mô tả trong câu trả lời khác.

Các dòng dữ liệu tốc độ cao, cũng như hầu hết các dòng tương tự, thường hoạt động khác nhau để tránh nhiễu (cả bên trong và bên ngoài).

Điều này có nghĩa là đường dây được khớp với trở kháng hoặc mạch mà nó được sử dụng được cách ly với nhiễu mặt đất. Trong thực tế, cả hai đều có nghĩa là ít nhiễu và nhiễu.

Xem ví dụ cáp Ethernet điển hình (UTP là phổ biến nhất) với nhiều cặp dây xoắn. Dây xoắn có nghĩa là chúng sẽ luôn luôn có cùng khoảng cách với nhau. Một ví dụ khác là một số ăng-ten TV VHF / UHF, thường có cáp phẳng với một dây ở mỗi bên. Cáp phẳng đó được làm theo cách đó để giữ khoảng cách giữa các dây không đổi. Điều đó có nghĩa là trở kháng liên tục trong dây, có nghĩa là phản xạ ít hơn, thay đổi tốc độ sóng EM ít hơn (và mỗi tần số có xu hướng trễ ở các tốc độ khác nhau, gây ra méo), làm giảm tín hiệu và ít nhiễu hơn từ các nguồn bên ngoài (dây hoạt động như ăng ten tự họ làm).

Chúng đặc biệt quan trọng đối với tín hiệu tương tự và tốc độ cao, nơi thông tin có thể bị gián đoạn với các nhiễu rất nhỏ.

Ngoài các yếu tố được đề cập trong các câu trả lời khác, cáp ruy băng có thể có điện dung ký sinh đáng kể giữa các dây liền kề. Trong ví dụ dưới đây, ba máy phát điện đang cố gắng tạo ra sóng vuông trên dây cáp (có mặt đất ở cuối) nhưng các dạng sóng kết quả đủ khó chịu khi một thiết bị kết nối với NODE2 có thể thấy một số chuyển tiếp giả. Nếu cáp bao gồm các căn cứ giữa mỗi dây, điều đó có thể đã tăng tải điện dung (do đó làm cho dạng sóng bị "tròn" hơn một chút, nhưng về cơ bản sẽ loại bỏ nhiễu xuyên điện dung.

^{mô phỏng mạch này - Sơ đồ được tạo bằng CircuitLab}