Mengapa kabel memiliki banyak alasan?

Banyak kabel memiliki beberapa alasan. Mengapa?

Misalnya, menurut Wikipedia :

Standar SATA mendefinisikan kabel data dengan tujuh konduktor (3 alasan dan 4 jalur data aktif dalam dua pasangan) dan konektor wafer selebar 8 mm di setiap ujungnya.

Secara umum (tidak khusus untuk SATA), mengapa kabel perlu beberapa alasan? Apakah ada alasan berbeda untuk beberapa alasan ketika kabel digunakan untuk mengirimkan data vs daya?

Dari apa yang saya baca, sepertinya salah satu alasan utama untuk memiliki beberapa alasan adalah untuk menurunkan impedansi ... tapi mengapa impedansi rendah sangat penting untuk jalur darat?

Itu semua bermuara pada impedansi jalur data. Pada dasarnya saluran memiliki resistansi rendah, tetapi ini sangat berbeda dari apa yang kami sebut impedansi dalam hal ini.

Pada dasarnya pada frekuensi tinggi seperti yang digunakan dalam SATA dan USB3.0 misalnya (dan sebenarnya benar-benar lebih dari sekitar 100 + MHz) sinyal-sinyal listrik yang bergerak turun kabel mulai berperilaku lebih seperti gelombang elektromagnetik yang dipandu oleh kabel (saluran transmisi) . Kapasitansi parasit dan induktansi bekerja bersama untuk membentuk impedansi terhadap sinyal. Karena sifat gelombang diskontinuitas cenderung menyebabkan refleksi - misalnya jika Anda menembakkan laser pada sudut ke panel kaca, Anda dapat melihat bahwa sinar laser telah dipantulkan pada titik-titik di mana kepadatan berubah (seperti dari udara ke kaca ). Singkatnya ini pada dasarnya adalah apa yang terjadi dengan sinyal frekuensi tinggi (jika Anda memikirkannya sinyal 2.5GHz dari USB3.0 pada dasarnya sama dengan pita RF yang digunakan oleh WiFi).

Ketika sinyal RF dalam kabel bergerak, jika mengenai ketidaksesuaian impedansi saluran transmisi, beberapa sinyal akan memantul kembali ke sumbernya. Ini sangat buruk karena itu berarti ada kehilangan daya (pelemahan sinyal) dan Anda bisa mendapatkan distorsi karena pantulan memantul ke belakang dan keempat di kabel. Untuk memastikan hal ini tidak terjadi (atau setidaknya mengurangi kemungkinan), kami merancang semua pemasangan kabel, terminasi, driver, elektronik, di sirkuit tertentu untuk memiliki impedansi karakteristik yang sama sehingga memungkinkan sinyal untuk bepergian dari driver ke penerima dengan refleksi minimal.

Untuk mencapai impedansi karakteristik ini kita perlu dua hal, pertama induktansi dalam kabel, dan kedua kapasitansi antara kabel dan ground. Ini masing-masing menyajikan impedansi kompleks dari polaritas berlawanan dan dengan demikian datang bersama-sama untuk membentuk impedansi nyata - apa nilai tergantung pada teknologi misalnya impedansi diferensial 100Ohm adalah umum, dan impedansi berakhir tunggal 50Ohm. Karena itu Anda memerlukan kawat dan tanah untuk mengatur impedansi ini. Sekarang Anda tidak bisa hanya memiliki sedikit kawat tanah yang lama, Anda perlu mengaturnya sehingga medan listrik antara kabel dan tanah menghasilkan kapasitansi yang benar. Selain itu, jika Anda memiliki sinyal diferensial, Anda perlu baik impedansi dari masing-masing kabel maupun impedansi diferensial (antara dua kabel sinyal) untuk menjadi nilai tertentu.

Dalam tata letak PCB Anda memiliki teknologi yang berbeda, tetapi yang dominan disebut "Microstrip". Pada dasarnya antara bidang tanah dan PCB Anda memiliki bahan PCB yang memiliki sifat dielektrik sehingga membentuk kapasitansi yang diperlukan. Anda kemudian memilih lebar jejak untuk mendapatkan induktansi yang benar untuk membuat impedansi karakteristik Anda.

Untuk kabel ada berbagai metode untuk melakukannya. Salah satu contohnya adalah Co-ax, di mana setiap kabel sinyal memiliki pelindungnya sendiri yang bertindak sebagai bidang tanah. Karena simetri, sangat mudah untuk menentukan impedansi kabel dan mendesain sesuatu dengan dimensi yang benar. Namun Co-ax berukuran besar, dan sulit untuk membuat kabel coax yang sangat kecil, terutama ketika Anda pindah ke sinyal diferensial (twinax sangat menyebalkan!). Jadi alih-alih yang mereka lakukan adalah menggunakan dua kabel (kadang-kadang dalam pengaturan twisted pair untuk kopling maksimum antara pasangan) untuk membawa sinyal diferensial Anda. Tetapi seperti yang telah disebutkan dalam beberapa aplikasi Anda membutuhkan lebih banyak, Anda memerlukan impedansi karakteristik ke tanah serta antara kabel. Jadi, Anda juga harus merutekan pesawat darat untuk pasangan. Ada berbagai cara untuk melakukan ini,

Dalam SATA khusus mereka mengatur alasan untuk menjadi sisi dari setiap pasangan sinyal (yang di tengah dibagi) dan dengan perencanaan yang hati-hati mereka mencapai impedansi karakteristik.

Semoga saja bisa dimengerti, sebenarnya bidangnya cukup kompleks dan luas dalam rekayasa elektronik.

Jawaban sebelumnya menjelaskan mengapa efek saluran transmisi mungkin memerlukan beberapa saluran ground dalam kabel, Tetapi bahkan pada frekuensi yang lebih rendah di mana efek saluran transmisi tidak signifikan, Anda mungkin ingin menyertakan beberapa alasan pada kabel antarmuka. Alasan utamanya adalah untuk meminimalkan gangguan dan pembicaraan silang.

Gangguan dari medan magnet tergantung pada daerah loop antara kabel sinyal dan kabel arde tempat arus baliknya mengalir. Jika ada satu pembumian dalam kabel pita lebar 1 ", jalur sinyal terjauh berjarak setidaknya 1/2", dan mungkin berjarak hampir 1 "(bukan desain yang tidak umum dalam sistem digital berkecepatan rendah). Itu memberi lingkaran area 1/2 "x L di mana sinyal magnetik yang menyimpang dapat berpasangan dengan garis sinyal. Dengan menempatkan beberapa garis tanah, Anda dapat mengurangi pemisahan maksimum antara garis sinyal dan tanah, mengurangi area loop, dan dengan demikian mengurangi gangguan magnetik.

Demikian pula, magnetic cross-talk antara dua sinyal tergantung pada tumpang tindih di loop dari sinyal ke garis tanah. Ketika dua kabel sinyal berbagi kabel arde di kabel pita (misalnya), loop mereka akan tumpang tindih secara signifikan.

Ini pada dasarnya membentuk transformator udara-inti yang sangat panjang, kurus, dan pasangan sinyal dari satu baris ke yang lain. Sekali lagi, dengan menambah jumlah kabel ground, Anda dapat meminimalkan area loop yang tumpang tindih ini, atau bahkan menghilangkannya, mengurangi cross-talk antara sinyal Anda.

Kedua efek ini akan sering dibenarkan menggunakan beberapa alasan, bahkan ketika frekuensi sinyal cukup rendah untuk tidak khawatir tentang efek saluran transmisi yang dijelaskan dalam jawaban lain.

Saluran data berkecepatan tinggi, serta sebagian besar saluran analog, biasanya beroperasi secara berbeda untuk menghindari interferensi (baik internal maupun eksternal).

Ini berarti bahwa saluran tersebut cocok dengan impedansinya atau sirkuit yang digunakannya diisolasi dari gangguan ground. Secara praktis, keduanya berarti lebih sedikit noise dan interferensi.

Lihat misalnya kabel Ethernet khas (UTP paling umum) dengan banyak pasangan kabel bengkok. Kabel bengkok berarti bahwa mereka akan hampir selalu jarak yang sama satu sama lain. Contoh lain adalah beberapa antena TV VHF / UHF, yang biasanya memiliki kabel datar dengan satu kawat di setiap sisi. Kabel datar itu dibuat sedemikian rupa untuk menjaga jarak antara kabel konstan. Itu berarti impedansi konstan dalam kawat, yang berarti lebih sedikit pantulan, lebih sedikit perubahan dalam kecepatan gelombang EM (dan setiap frekuensi cenderung tertinggal dalam kecepatan yang berbeda, menyebabkan distorsi), kurang perataan sinyal dan lebih sedikit gangguan dari sumber luar (kabel bertindak seperti antena) oleh mereka sendiri).

Itu khusus penting untuk sinyal analog kecepatan tinggi dan, di mana informasi dapat terganggu dengan gangguan yang sangat kecil.

Selain faktor yang disebutkan dalam jawaban lain, kabel pita mungkin memiliki kapasitansi parasit yang signifikan antara kabel yang berdekatan. Dalam contoh di bawah ini, tiga generator mencoba mengeluarkan gelombang persegi pada kabel kabel (yang memiliki ground di ujungnya) tetapi bentuk gelombang yang dihasilkan cukup buruk sehingga perangkat yang terhubung ke NODE2 mungkin melihat beberapa transisi palsu. Jika kabel telah menyertakan pijakan antara setiap kawat, yang mungkin telah meningkatkan pemuatan kapasitif (sehingga menyebabkan bentuk gelombang sedikit lebih "bulat", tetapi pada dasarnya akan menghilangkan crosstalk kapasitif.

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}