Por que o cabo de dados SATA tem 3 pinos para aterramento

De Tom Carpenter na engenharia elétrica do StackExchange :

Tudo se resume à impedância das linhas de dados. Basicamente, as linhas têm uma resistência baixa, mas isso é muito diferente do que chamamos de impedância a esse respeito.

Basicamente, em altas frequências, como as usadas em SATA e USB 3.0, por exemplo (e na verdade nada mais do que cerca de 100 + MHz), os sinais elétricos que viajam pelo cabo começam a se comportar mais como ondas eletromagnéticas sendo guiadas pelo cabo (linha de transmissão) . A capacitância parasita e a indutância atuam juntas para formar uma impedância para o sinal. Devido à natureza das ondas, as descontinuidades tendem a causar reflexões - por exemplo, se você disparar um laser em um ângulo em um painel de vidro, poderá ver que o feixe de laser foi refletido em pontos onde a densidade muda (como do ar para o vidro ). Resumindo, é basicamente isso que acontece com sinais de alta frequência (se você pensar bem, um sinal de 2,5 GHz do USB 3.0 é basicamente o mesmo que a banda de RF usada pelo WiFi).

Como um sinal de RF em um cabo está viajando, se ele atingir uma incompatibilidade na impedância da linha de transmissão em que está viajando, parte do sinal será refletido de volta para a fonte. Isso é muito ruim, pois significa que há uma perda de potência (atenuação do sinal) e você pode obter distorção devido a reflexos refletidos no cabo. Para garantir que isso não aconteça (ou pelo menos reduza a probabilidade), projetamos todos os cabos, terminações, drivers, eletrônicos, nesse circuito específico, para ter a mesma impedância característica, permitindo assim que o sinal viaje do driver para o receptor com reflexão mínima.

Para atingir essa impedância característica, precisamos de duas coisas, primeiro a indutância no cabo e, em segundo lugar, a capacitância entre o cabo e o terra. Cada um deles apresenta uma impedância complexa de polaridade oposta e, portanto, se juntam para formar uma impedância real - o valor depende da tecnologia, por exemplo, impedância diferencial de 100 Ohm é comum e impedância de terminação simples de 50 Ohm. Como tal, você precisa do fio e do aterramento para configurar essa impedância. Agora você não pode simplesmente ter qualquer pedaço velho de fio terra, você precisa configurá-lo para que os campos elétricos entre os cabos e o terra resultem na capacitância correta. Além disso, se você tiver um sinal diferencial, precisará que a impedância de cada fio e a impedância diferencial (entre os dois fios de sinal) sejam um valor específico.

Em um layout de PCB você tem diferentes tecnologias, mas a predominante é chamada de "Microstrip". Basicamente, entre o plano de aterramento e o PCB, você tem o material do PCB que possui propriedades dielétricas, formando assim a capacitância necessária. Em seguida, você seleciona a largura do traço para obter a indutância correta para criar sua impedância característica.

Para cabos, existem diferentes métodos de fazê-lo. Um exemplo é o Co-ax, onde cada fio de sinal tem sua própria blindagem que atua como plano de aterramento. Devido à simetria é muito fácil calcular a impedância do cabo e projetar algo com as dimensões corretas. No entanto, o coaxial é volumoso e é difícil fazer um cabo coaxial muito pequeno, especialmente quando você move para sinais diferenciais (twinax é uma dor!). Em vez disso, o que eles fazem é usar dois cabos (às vezes em um arranjo de par trançado para acoplamento máximo entre os pares) para transportar seu sinal diferencial. Mas como já foi mencionado em algumas aplicações você precisa de mais, você precisa da impedância característica tanto para o terra quanto entre os cabos. Portanto, você também precisa rotear um plano de terra para o par. Existem diferentes maneiras de fazer isso,

No SATA, especificamente, eles organizam os aterramentos de cada lado de cada par de sinal (o do meio é compartilhado) e, com um planejamento cuidadoso, atingem a impedância característica.

Esperançosamente, o sobre é compreensível, na verdade é um campo bastante complexo e vasto na engenharia eletrônica.