Impédance ligne transmission Falstad

Qu’est ce que… l’impédance caractéristique d’un câble Ethernet ?

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Vous avez certainement lu qu’un câble Ethernet doit avoir une impédance caractéristique égale à 100 Ω. Nous allons voir dans cet article à quoi correspond cette notion d’impédance caractéristique. L’ impédance est une forme de résistance (impédance vient du latin impedire qui veut dire « entraver ») au passage d’un courant électrique alternatif sinusoïdal. La définition de l’impédance est une généralisation de la loi d’Ohm au courant alternatif. L’impédance est notée Z et se mesure en Ohms (Ω) comme une résistance, mais avec U et I qui sont de forme sinusoïdale.

Z = U / I

L’impédance est un nombre complexe, elle possède une amplitude et une phase. Sa partie réelle est la résistance et sa partie imaginaire est la réactance.

Impédance caractéristique d’un câble

Quand une onde traverse la frontière entre deux milieux différents, une partie de son énergie est réfléchie et repart dans l’autre sens. Le principe est le même pour un câble, qui est une ligne de transmission d’un signal électrique.

Dans une ligne de transmission, l’impédance caractéristique correspond à l’impédance qu’on pourrait mesurer à ses bornes si elle avait une longueur infinie. C’est la raison pour laquelle des lignes de transmission ont besoin d’être « terminées » par une charge égale à son impédance caractéristique. Ainsi, le signal se perd dans une charge comme si la ligne continuait à l’infini et ne se réfléchit pas.

Autrement dit, l’impédance caractéristique est la valeur de l’impédance des dipôles qui, branchés aux extrémités d’un câble, permettent la transmission correcte du signal sans réflexion.

Ligne de transmission terminée par une charge d’impédance égale à son impédance caractéristique

Je vous conseille de regarder la vidéo d’Electro-bidouilleur qui traite du sujet.

Simulation d’une ligne de transmission dans Falstad

Il est intéressant de visualiser ce mécanisme de réflexion dans le simulateur falstad. Vous pouvez observer avec cet exemple la réflexion sur une ligne de transmission terminée par une impédance dont la valeur est différente de l’impédance caractéristique du câble. Ci-dessous une capture d’écran, on y voit très clairement la réflexion du signal indiquée par la flèche jaune.

Ligne de transmission d’impédance caractéristique de 100 Ohm terminée par une impédance de 330 Ohm

Si la ligne de transmission est terminée par une impédance égale à l’impédance caractéristique, il n’y a pas de réflexion. Comme nous pouvons le voir sur la figure suivante :

Ligne de transmission terminée avec une impédance égale à l’impédance caractéristique (100 Ohm)

Router une paire différentielle avec KiCad

Lorsque vous réalisez un PCB et qu’il est nécessaire de router chaque paire d’un câble Ethernet comme une paire différentielle et de paramétrer le PCB afin qu’il corresponde à l’impédance caractéristique du câble Ethernet (100 Ohms).

Routage d’une paire différentielle sous KiCad

A l’aide du « PCB Calculator » intégré à KiCad vous pouvez déterminer la largeur des pistes ainsi que l’espacement entre elles. Il faut renseigner les paramètres de votre PCB à partir des données récupérées sur le site du constructeur du PCB.

PCB Calculator KiCad

Chez JLCPCB ces paramètres sont disponibles dans le menu « capabilities » :

Paramètres du PCB fournis par le constructeur (JLCPCB par exemple)

Par exemple pour la réalisation de mon TAP Ethernet les pistes des paires différentielles doivent avoir une largeur de 0,3 mm et un espacement de 0,3 mm entre elles afin de garantir une impédance de 100 Ohms.

Réglage de la largeur des pistes et de l’espacement entre elles

Lorsque vous tracez une paire différentielle, il est important de respecter certaines contraintes comme :

  • Les pistes doivent avoir une longueur identique
  • La distance entre les pistes doit être constante, les pistes doivent rester parallèles au maximum
  • Il faut éviter les angles trop importants pour le routage des pistes

Afin d’avoir des pistes de longueur identique, KiCad propose une fonction pour égaliser la longueur des 2 pistes d’une paire différentielle, c’est la fonction « Tune Differential Pair Skew/Phase ».

Routage d’une paire différentielle sous KiCad afin que la longueur des deux pistes soit équivalente

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