多くのケーブルには複数のアースがあります。どうして？
たとえば、によるとウィキペディア：
SATA規格は、7本の導体（2つのペアで3つのアースと4つのアクティブなデータライン）と両端に8 mm幅のウェーハコネクタを備えたデータケーブルを定義しています。
一般に（SATAに固有ではありません）、ケーブルに複数のアースが必要なのはなぜですか？データ対電力の伝送にケーブルが使用されている場合、複数のアースに別の理由がありますか？
私が読んだことから、複数の接地を設ける主な理由の1つはインピーダンスを下げることであるように思えますが、なぜ接地線にとって低インピーダンスがそれほど重要であるのですか？
回答:
それはすべてデータラインのインピーダンスになります。基本的にラインの抵抗は低くなっていますが、これはインピーダンスと呼ばれるものとは大きく異なります。
基本的に、例えばSATAやUSB3.0で使用されるような高い周波数（そして実際には100 + MHzを超えるもの）では、ケーブルを伝わる電気信号は、ケーブル（伝送ライン）によって誘導される電磁波のように振る舞います。 。寄生容量とインダクタンスは、信号へのインピーダンスを形成するために一緒に機能します。波の性質のため、不連続性は反射を引き起こす傾向があります。たとえば、ガラスの窓ガラスにある角度でレーザーを発射すると、密度が変化するポイント（空気からガラスなど）でレーザービームが反射されていることがわかります。 ）。簡単に言えば、これは基本的に高周波信号で発生することです（USB3.0からの2.5GHz信号は、WiFiで使用されるRF帯域と基本的に同じです）。
ケーブル内のRF信号が伝わっているときに、それが伝わっている伝送ラインのインピーダンスの不整合にぶつかると、信号の一部が反射してソースに戻ります。これは、電力の損失（信号の減衰）があり、反射がケーブルの4番目と4番目に跳ね返ることによって歪みが発生する可能性があることを意味するため、非常に悪いです。これが起こらないようにする（または少なくとも可能性を減らす）ために、特定の回路内のすべてのケーブル、終端、ドライバ、電子機器を同じ特性インピーダンスを持つように設計し、信号がドライバからレシーバに伝わるようにします最小限の反射。
この特性インピーダンスを実現するには、2つの要素が必要です。1つはケーブルのインダクタンス、もう1つはケーブルと接地間のキャパシタンスです。これらはそれぞれ反対の極性の複雑なインピーダンスを示し、したがって一緒になって実際のインピーダンスを形成します-どの値がテクノロジーに依存するか、例えば100オームの差動インピーダンスが一般的であり、50オームのシングルエンドインピーダンスです。そのため、このインピーダンスを設定するにはワイヤーとグランドが必要です。これで、古いアース線を少しだけ使用することはできなくなります。ケーブルとアース間の電界が正しい静電容量になるようにセットアップする必要があります。さらに、差動信号がある場合は、各ワイヤーのインピーダンスと（2本の信号ワイヤー間の）差動インピーダンスの両方を特定の値にする必要があります。
PCBレイアウトにはさまざまなテクノロジーがありますが、主なものは「マイクロストリップ」と呼ばれます。基本的に、グランドプレーンとPCBの間には、誘電特性を持つPCB材料があり、必要な静電容量を形成します。次に、トレースの幅を選択して正しいインピーダンスを得て、特性インピーダンスを作成します。
ケーブルの場合、さまざまな方法があります。1つの例は同軸です。各信号線には、接地面として機能する独自のシールドがあります。対称性があるため、ケーブルのインピーダンスを計算し、正しい寸法で何かを設計することは非常に簡単です。ただし、同軸ケーブルはかさばり、特に差動信号に移行する場合は非常に細い同軸ケーブルを作るのは困難です（twinaxは苦痛です！）。そのため、代わりに2本のケーブルを使用して（ペア間の最大結合のためにツイストペア配置になる場合があります）、差動信号を伝送します。しかし、いくつかのアプリケーションで言及されているように、さらに多くのものが必要であり、グラウンド間およびケーブル間の特性インピーダンスが必要です。したがって、ペアのグランドプレーンもルーティングする必要があります。これにはさまざまな方法があります。
特にSATAでは、グランドを各信号ペアの両側に配置し（中央の1つは共有されます）、注意深く計画することにより、特性インピーダンスに到達します。
うまくいけば、そのことは理解できます。それは、実際には電子工学の非常に複雑で広大な分野です。
以前の回答では、伝送線路の影響でケーブルに複数の接地線が必要になる場合がある理由について説明しましたが、伝送線路の影響があまりない低周波数でも、インターフェースケーブルに複数の接地を含めることができます。主な理由は、干渉とクロストークを最小限に抑えることです。
磁場からの干渉は、信号線とその帰路電流が流れるアース線の間のループ領域に依存します。1インチ幅のリボンケーブルに単一の接地がある場合、最も遠い信号線は少なくとも1/2インチ、おそらく1インチ近く離れます（低速デジタルシステムでは珍しい設計ではありません）。浮遊磁気信号が信号線に結合する可能性がある1/2 "x Lの領域。複数の接地線を配置することで、信号線と接地間の最大分離を減らし、ループ面積を減らし、磁気干渉を減らすことができます。
同様に、2つの信号間の磁気クロストークは、信号から接地線までのループの重なりに依存します。たとえば、2本の信号線がリボンケーブルの接地線を共有している場合、それらのループは大幅に重なります。
これは基本的に、1つのラインから別のラインに信号を結合する非常に長く細い空芯トランスを形成します。この場合も、アース線の数を増やすことで、これらの重なり合うループの面積を最小限に抑えたり、ループを排除したりして、信号間のクロストークを減らすことができます。
これらの影響はどちらも、信号周波数が別の回答で説明されている伝送ラインの影響を心配しないほど低い場合でも、複数のグラウンドを使用することで正当化されることがよくあります。
高速データラインとほとんどのアナログラインは、通常、内部と外部の両方の干渉を回避するために差動で動作します。
これは、ラインのインピーダンスが一致しているか、ラインが使用されている回路がグランド干渉から絶縁されていることを意味します。実際には、これらはどちらもノイズと干渉が少ないことを意味します。
たとえば、ツイストワイヤのペアが多数ある一般的なイーサネットケーブル（UTPが最も一般的）を参照してください。ツイストワイヤは、ほとんど常に互いに同じ距離になることを意味します。もう1つの例は、一部のVHF / UHF TVアンテナで、通常、両側に1本のワイヤーが付いたフラットケーブルがあります。そのフラットケーブルは、ワイヤー間の距離を一定に保つためにそのように作られています。これは、ワイヤのインピーダンスが一定であることを意味します。これは、反射が少なく、EM波速度の変化が少ない（そして、各周波数が異なる速度で遅れる傾向があり、歪みを引き起こす）、信号の平滑化が少ない、外部ソースからの干渉が少ない（ワイヤがアンテナのように機能する）それ自体で）。
これらは、非常に小さな干渉で情報が乱される可能性がある高速アナログ信号では特に重要です。
他の回答で言及されている要因に加えて、リボンケーブルには、隣接するワイヤー間に大きな寄生容量がある場合があります。以下の例では、3つのジェネレーターがケーブルのワイヤー（最後にグラウンドがある）で方形波を出力しようとしていますが、結果として生じる波形は、NODE2に接続されたデバイスが誤った遷移を見る可能性があるほど十分に厄介です。ケーブルがすべてのワイヤの間にグランドを含んでいた場合、容量性負荷が増加する可能性があります（したがって、波形が少し「丸みを帯びる」原因になりますが、本質的に容量性クロストークはなくなります。
この回路のシミュレーション – CircuitLabを使用して作成された回路図