TMUXHS221LV：USB 2.0 高速信号传输的理想之选

在电子设备的设计中，高速信号的传输和处理一直是工程师们关注的重点。今天，我们要介绍一款由德州仪器（TI）推出的高速双向 2:1 或 1:2 多路复用器或多路信号分离器开关——TMUXHS221LV，它在 USB 2.0 以及 eUSB2 LS、FS 和 HS 信号传输方面表现出色。

文件下载：tmuxhs221lv.pdf

一、产品概述

TMUXHS221LV 是一款针对 USB 2.0 以及 eUSB2 LS、FS 和 HS 信号传输进行优化的模拟无源开关。它支持高达 3Gbps 差分信号的开关，可支持高达 3.3V 的大多数 CMOS 信号的模拟开关，数据引脚可承受 5V 电压。该器件具有出色的高速性能，能将 USB 2.0 或 eUSB2 HS 信号眼图的衰减降至超低水平，而且通道导通电阻、高带宽、低反射和低附加抖动也非常低，非常适合用于多种高速接口。

二、产品特性亮点

（一）电气性能优越

• 电压兼容性强：支持电压范围为−0.3V 至 3.6V 的差分或单端 CMOS 信号传输，数据引脚可承受 5V 电压，能适应多种不同的信号环境。
• 低导通电阻：当 $V{I/O}=0V$ 时，$R{ON}$ 低至 3Ω，这有助于减少信号传输过程中的损耗，提高信号的质量。
• 高带宽：-3dB 带宽为 3.3GHz，非常适合 240MHz 下的 USB 2.0 或 eUSB2 HS 信号，在该频率下，插入损耗为 -0.4dB，回损为 -22dB，关断隔离或串扰为 -32dB，能有效保证信号的高速、稳定传输。

（二）高速性能出色

• 超低眼图衰减：能够将 USB 2.0 或 eUSB2 HS 信号眼图的衰减降至超低水平，垂直和水平 USB 2.0 HS 眼图衰减极小，同时该器件增加的抖动也可以忽略不计，确保了信号的完整性。
• 良好的差分对内延迟性能：数据路径经过匹配，可实现出色的差分对内延迟性能，进一步提高了信号传输的准确性。

（三）其他特性优势

• 宽电源电压和控制逻辑输入：采用 1.8V 电源电压，控制逻辑输入支持 1.2V 或 1.8V，增加了设计的灵活性。
• 宽工作温度范围：工业级工作温度范围为 -40°C 至 125°C，适用于多种严苛应用环境，如工业和高可靠性用例。
• 小型封装：采用小型 10 引脚 1.8mm × 1.4mm UQFN 封装，节省了电路板空间，便于进行高密度的设计。

三、引脚配置与功能

TMUXHS221LV 采用 10 引脚 UQFN 封装，各引脚功能如下：	PIN NAME	NO.	TYPE(1)	DESCRIPTION
D+	1	V/O	数据信号公共端口，正
D-	2	V/O	数据信号公共端口，负
DA+	5	V/O	数据信号端口 A，正
DA-	4	V/O	数据信号端口 A，负
DB+	7	V/O	数据信号端口 B，正
DB-	6	V/O	数据信号端口 B，负
SEL	10	IN	开关控制选择信号
OEn	8	IN	开关控制配置信号
VCC	9	P	1.8V 电源供应
GND	3	G	接地

通过这些引脚，我们可以方便地实现对信号的选择和控制，满足不同的应用需求。

四、应用领域与典型案例

（一）应用领域广泛

TMUXHS221LV 可用于多种高速和低速接口，数据速率最高可达 3Gbps，包括 USB 2.0 HS、FS 和 LS、eUSB2 HS、FS 和 LS、$I^{2}C$ 总线、SMBus™、UART™、调试接口信号、Mipi® CSI - 2 和 DSI、PCIe® 时钟、DisplayPort™ 辅助和热插拔检测信号、USB - C™ SBU 信号以及 LVDS 等。

（二）典型应用案例

1. 路由调试信号到 USB 端口

在许多电子终端设备中，如 PC、媒体播放器、销售点寄存器、打印机、相机、耳机、智能手机和平板电脑等，都需要将调试信号路由到 USB 2.0 端口。TMUXHS221LV 凭借其灵活的数据处理能力和低信号衰减特性，成为了这一应用场景的理想选择。在设计时，需要注意信号完整性，提供干净的阻抗和电气长度匹配的电路板走线，合理设置控制信号和接地连接，并使用合适的去耦电容。

2. PCIe 时钟复用

在使用 TMUXHS221LV 进行 PCIe 时钟切换的应用中，通过 TI 评估板测试，该器件在所有 NOISE_FOLD 和 PCIe 5.0 CK 滤波器版本下增加的抖动小于 10 fs，远低于 PCIe 5.0 时钟规格要求，能够很好地满足 PCIe 时钟复用的需求。

3. USB - C SBU 复用

TMUXHS221LV 可用于 USB Type - C 接口的 SBU 交叉复用，以实现 DisplayPort（DP）备用模式。该器件具有足够的带宽来支持快速辅助（AUX）信号，并且能够处理 DP AUX 信号的不对称偏置。

4. 切换 USB 端口

在手持便携式设备及其连接的扩展坞之间切换 USB 端口时，TMUXHS221LV 可以发挥重要作用，确保信号的稳定传输。

五、设计注意事项

（一）电源供应

TMUXHS221LV 不需要特定的电源供应顺序，但建议在 VCC 稳定且符合规格后再启用设备。同时，应在靠近 VCC 引脚处放置足够的去耦电容，以保证电源的稳定性。

（二）布局设计

• 阻抗匹配：高速 USB 连接通过屏蔽双绞线电缆实现，具有差分特性阻抗。在布局中，D + 和 D - 走线的阻抗应与电缆的差分特性阻抗匹配，且走线长度不超过 4 英寸，否则可能会影响眼图性能。
• 电容放置：将电源旁路电容尽可能靠近 VCC 引脚放置，避免靠近 D + / D - 走线，以减少干扰。
• 信号走线：高速 USB 信号应尽量减少过孔和拐角的使用，以降低信号反射和阻抗变化。当必须使用过孔时，应增加其周围的间隙尺寸以减小电容。
• 避免干扰源：不要将 USB 走线布置在晶体、振荡器、时钟信号发生器、开关稳压器、安装孔、磁性设备或使用时钟信号的 IC 附近，同时避免高速 USB 信号出现短截线，若无法避免，短截线长度应小于 200mm。

六、总结

TMUXHS221LV 以其出色的高速性能、优越的电气特性和广泛的应用领域，为电子工程师在高速信号传输和处理方面提供了一个优秀的解决方案。在实际设计中，我们需要充分考虑其特性和设计要求，合理进行引脚连接、电源供应和布局设计，以确保其性能的充分发挥。大家在使用过程中，有没有遇到过类似高速信号处理的挑战呢？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享交流。