Tout se résume à l'impédance des lignes de données. Fondamentalement, les lignes ont une faible résistance, mais cela est très différent de ce que nous appelons l'impédance à cet égard.
Fondamentalement, à des fréquences élevées telles que celles utilisées en SATA et USB3.0 par exemple (et en fait vraiment plus de 100 + MHz environ), les signaux électriques voyageant le long du câble commencent à se comporter davantage comme des ondes électromagnétiques guidées par le câble (ligne de transmission) . La capacité et l'inductance parasites agissent ensemble pour former une impédance au signal. En raison de la nature des vagues, les discontinuités ont tendance à provoquer des réflexions - par exemple, si vous tirez un laser à un angle dans une vitre, vous pouvez voir que le faisceau laser a été réfléchi aux points où la densité change (comme de l'air au verre) ). En bref, c'est essentiellement ce qui se passe avec les signaux haute fréquence (si vous y réfléchissez, un signal 2,5 GHz provenant d'USB3.0 est fondamentalement le même que la bande RF utilisée par le WiFi).
Lorsqu'un signal RF circule dans un câble, s'il rencontre un décalage dans l'impédance de la ligne de transmission dans laquelle il circule, une partie du signal se réfléchira vers la source. C'est très mauvais car cela signifie qu'il y a une perte de puissance (atténuation du signal) et vous pouvez obtenir une distorsion due aux réflexions rebondissant en arrière et quatrième dans le câble. Pour garantir que cela ne se produise pas (ou au moins réduire la probabilité), nous concevons tous les câbles, les terminaisons, les pilotes, l'électronique, dans ce circuit particulier pour avoir la même impédance caractéristique permettant ainsi au signal de voyager du pilote au récepteur avec réflexion minimale.
Pour atteindre cette impédance caractéristique, nous avons besoin de deux choses, d'une part l'inductance dans le câble, et d'autre part la capacité entre le câble et la masse. Celles-ci présentent chacune une impédance complexe de polarité opposée et se réunissent ainsi pour former une impédance réelle - quelle valeur dépend de la technologie, par exemple, une impédance différentielle de 100 Ohms est commune et une impédance asymétrique de 50 Ohms. En tant que tel, vous avez besoin du fil et de la terre pour configurer cette impédance. Maintenant, vous ne pouvez pas avoir n'importe quel vieux morceau de fil de terre, vous avez besoin qu'il soit configuré de sorte que les champs électriques entre les câbles et la terre donnent la bonne capacité. De plus, si vous avez un signal différentiel, vous devez à la fois l'impédance de chaque fil ainsi que l'impédance différentielle (entre les deux fils de signal) pour être une valeur spécifique.
Dans une configuration PCB, vous disposez de différentes technologies, mais la principale est appelée "Microstrip". Fondamentalement, entre le plan de masse et le PCB, vous avez le matériau PCB qui a des propriétés diélectriques, formant ainsi la capacité requise. Vous sélectionnez ensuite la largeur de la trace pour obtenir l'inductance correcte afin de créer votre impédance caractéristique.
Pour les câbles, il existe différentes méthodes pour le faire. Un exemple est Co-ax, où chaque fil de signal a son propre blindage qui agit comme le plan de masse. En raison de la symétrie, il est très facile de déterminer l'impédance du câble et de concevoir quelque chose avec les bonnes dimensions. Cependant Co-ax est encombrant, et il est difficile de faire de très petits câbles coaxiaux, surtout lorsque vous passez à des signaux différentiels (twinax est une douleur!). Donc, au lieu de cela, ils utilisent deux câbles (parfois dans une disposition à paires torsadées pour un couplage maximal entre les paires) pour transporter votre signal différentiel. Mais comme cela a été mentionné dans certaines applications, vous en avez besoin de plus, vous avez besoin de l'impédance caractéristique au sol ainsi qu'entre les câbles. Vous devez donc également acheminer un plan au sol pour la paire. Il existe différentes façons de procéder,
Dans SATA en particulier, ils organisent les masses pour être de chaque côté de chaque paire de signaux (celui du milieu est partagé) et en planifiant soigneusement, ils atteignent l'impédance caractéristique.
J'espère que le sujet est compréhensible, c'est en fait un domaine assez complexe et vaste en génie électronique.
Une réponse précédente explique pourquoi les effets de ligne de transmission peuvent nécessiter plusieurs lignes de masse dans un câble, mais même à des fréquences inférieures où les effets de ligne de transmission sont insignifiants, vous souhaiterez peut-être inclure plusieurs masses sur un câble d'interface. Les principales raisons sont de minimiser les interférences et les diaphonie.
L'interférence des champs magnétiques dépend de la zone de boucle entre le fil de signal et le fil de terre où circule son courant de retour. S'il y a une seule masse dans un câble plat de 1 "de large, les lignes de signal les plus éloignées sont au moins 1/2" et peut-être près de 1 "(ce qui n'est pas rare dans les systèmes numériques à basse vitesse). Cela donne une boucle zone de 1/2 "x L à travers laquelle les signaux magnétiques parasites peuvent se coupler dans la ligne de signal. En plaçant plusieurs lignes de terre, vous pouvez réduire la séparation maximale entre les lignes de signal et la terre, réduire la zone de boucle et ainsi réduire les interférences magnétiques.
De même, la diaphonie magnétique entre deux signaux dépend du chevauchement des boucles entre les signaux et les lignes de masse. Lorsque deux fils de signal partagent un fil de terre dans un câble ruban (par exemple), leurs boucles se chevauchent considérablement.
Cela forme essentiellement un très long transformateur à noyau d'air maigre qui couple les signaux d'une ligne à l'autre. Encore une fois, en augmentant le nombre de fils de mise à la terre, vous pouvez minimiser la zone de ces boucles qui se chevauchent, voire les éliminer, ce qui réduit la diaphonie entre vos signaux.
Ces deux effets justifieront souvent l'utilisation de plusieurs motifs, même lorsque les fréquences du signal sont suffisamment basses pour ne pas se soucier des effets de ligne de transmission décrits dans une autre réponse.
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Les lignes de données à grande vitesse, ainsi que la plupart des lignes analogiques, fonctionnent généralement de manière différentielle pour éviter les interférences (internes et externes).
Cela signifie que la ligne est adaptée à l'impédance ou que le circuit pour lequel elle est utilisée est isolé des interférences de terre. En termes pratiques, ces deux signifient moins de bruit et d'interférences.
Voir par exemple le câble Ethernet typique (UTP est le plus courant) avec de nombreuses paires de fils torsadés. Les fils torsadés signifient qu'ils seront presque toujours à la même distance les uns des autres. Un autre exemple est certaines antennes TV VHF / UHF, qui ont généralement un câble plat avec un fil de chaque côté. Ce câble plat est conçu de cette façon pour maintenir la distance entre les fils constante. Cela signifie une impédance constante dans le fil, ce qui signifie moins de réflexions, moins de changement dans la vitesse des ondes électromagnétiques (et chaque fréquence a tendance à traîner à différentes vitesses, provoquant une distorsion), moins de lissage du signal et moins d'interférences provenant de sources extérieures (fils agissant comme des antennes par eux-mêmes).
Ceux-ci sont particulièrement importants pour les signaux à grande vitesse et analogiques, où les informations peuvent être perturbées avec de très petites interférences.
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En plus des facteurs mentionnés dans d'autres réponses, les câbles plats peuvent avoir une capacité parasite importante entre les fils adjacents. Dans l'exemple ci-dessous, les trois générateurs tentent de produire des ondes carrées sur les fils du câble (qui a une masse à la fin) mais les formes d'onde résultantes sont suffisamment désagréables pour qu'un appareil connecté à NODE2 puisse voir des transitions parasites. Si le câble avait inclus des masses entre chaque fil, cela aurait pu augmenter la charge capacitive (provoquant ainsi des formes d'ondes un peu plus "arrondies", mais aurait essentiellement éliminé la diaphonie capacitive.
simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab
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