高速差分开关TS3DS10224的全方位解析

在高速差分信号应用领域，一款性能卓越的开关器件往往能起到事半功倍的效果。今天，我们就来深入剖析德州仪器（TI）的TS3DS10224，一款集多种功能于一身的高速差分开关。

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1. 产品概述

TS3DS10224是一款3V、双向的差分交叉点开关，同时还具备差分1:4、2通道差分1:2复用器和解复用器，以及扇出开关等功能，适用于高速差分信号应用，最高可达720Mbps。它的逻辑表可以将任何输入路由到任何输出，从而实现多种可能的开关或复用配置。

2. 产品特性

2.1 多种配置模式

• 差分交叉点开关：在简化布局时，当走线需要交叉，或者在USB Type - C应用中切换可逆连接器的上下信号时，差分交叉点开关能发挥重要作用。
• 差分单通道1:4复用器和解复用器：可将一个输入信号路由到四个不同的输出。
• 差分2通道1:2复用器和解复用器：能实现两个通道的信号复用和解复用。
• 差分信号对扇出到两个端口：可同时将差分信号对输出到两个端口，但这种配置下带宽性能会有所降低。

2.2 双向操作

支持双向信号传输，增加了使用的灵活性。

2.3 故障保护

当电源关闭（(V{CC}=0V)）时，(I{OFF})保护可防止电流泄漏，将信号路径置于高阻抗状态，保护数据总线。

2.4 高性能指标

• 高带宽：典型带宽为1.2GHz，能满足高速信号传输需求。
• 低导通电阻和电容：典型(R{ON})为13Ω，(C{ON})为9pF，减少信号损耗。
• 良好的ESD性能：I/O引脚的接触放电可达±8kV（IEC61000 - 4 - 2），人体模型为2kV（JESD22 - A114E），所有引脚的人体模型为2kV（JESD22 - A114E），增强了器件的可靠性。

2.5 小尺寸封装

采用WQFN封装（3.00mm × 3.00mm，0.4mm间距），节省电路板空间。

3. 应用场景

• 桌面和笔记本电脑：用于内部信号的切换和复用。
• DisplayPort辅助通道复用：实现DisplayPort信号的灵活分配。
• USB 2.0复用：在多个USB设备之间进行信号切换。
• 上网本、电子书和平板电脑：满足这些设备内部高速信号处理的需求。

4. 详细规格

4.1 绝对最大额定值

参数	最小值	最大值	单位
电源电压	- 0.3	4	V
模拟I/O电压	- 0.3	(V_{CC}+0.3)	V
控制输入电压	- 0.3	(V_{CC}+0.3)	V
导通状态开关电流	( pm 100)	mA
通过(V_{CC})或GND的连续电流	( pm 100)	mA
存储温度	- 65	150	°C

4.2 ESD额定值

类型	值	单位
人体模型（HBM）	±2500	V
带电设备模型（CDM）	±1000	V

4.3 推荐工作条件

参数	最小值	最大值	单位
(V_{CC})（电源电压）	3	3.6	V
(V_{IH})（高电平控制输入电压）	(0.75times V_{CC})	(V_{CC})	V
(V_{IL})（低电平控制输入电压）	0	0.6	V
(V_{IO})（输入和输出电压）	0	(V_{CC})	V
(T_{A})（工作环境温度）	- 40	85	°C

4.4 电气特性

不同配置下的电气特性有所差异，例如在差分1:4或2 - 通道1:2配置和扇出1:2配置中，导通状态电阻、电容等参数略有不同。在导通状态电阻方面，典型值均为13Ω，但在扇出1:2配置中，导通电容(C_{IO(ON)})典型值为12pF，略高于其他配置的9pF。

4.5 开关特性

在不同配置下，传播延迟、开关时间和时序差异等开关特性也各有特点。如在差分1:4或2 - 通道1:2配置中，传播延迟典型值为50ps，而在扇出1:2配置中为140ps。

4.6 动态特性

不同配置下的带宽、关断隔离和串扰等动态特性也存在差异。差分1:4或2 - 通道1:2配置的带宽典型值为1.2GHz，扇出1:2配置的带宽典型值为500MHz。

5. 引脚配置和功能

TS3DS10224采用20引脚的WQFN封装，各引脚具有不同的功能。例如，ENA和ENB为使能引脚，低电平禁用信号路径并使其处于高阻抗状态；SAI、SAO、SBI和SBO为选择引脚，用于控制输入和输出的选择。

6. 功能模式

6.1 启用和禁用

通过设置ENA和ENB引脚的电平，可以控制信号路径的启用和禁用。当两个引脚都为低电平时，所有信号路径都处于高阻抗状态。

6.2 差分交叉点开关

通过设置选择引脚，可以将输入INA和INB路由到OUTA或OUTB。

6.3 2 - 通道1:2复用器

将输入INA和INB路由到两个不同的输出，通过选择引脚进行输出选择。

6.4 1 - 通道1:4复用器

将输入INA路由到四个不同的输出，未使用的引脚INB +和INB - 需悬空。

6.5 扇出1:2配置

将输入INA或INB同时路由到输出A和输出B，未使用的引脚INB +和INB - 需悬空。

7. 应用与实现

7.1 1 - 通道差分1:4复用器

可用于USB 2.0设备的信号切换。设计时，建议将数字控制引脚SAI、SBI、SAO和SBO上拉到(V_{CC})或下拉到GND，未使用的信号路径引脚用50Ω电阻接地以减少信号反射。

7.2 2 - 通道差分交叉点开关

适用于USB PHY和(I^{2}C)设备之间的信号切换，设计要求与1 - 通道差分1:4复用器类似。

7.3 扇出开关

可用于差分时钟信号的扇出，但带宽性能较低，为500MHz。设计时同样要注意控制引脚和未使用引脚的处理。

7.4 2 - 通道差分1:2 SPDT开关

用于USB 2.0和(I^{2}C)设备的信号切换，遵循相同的设计原则。

8. 电源供应建议

通过(V{CC})引脚为设备供电，电源电压应在推荐的工作电压范围内。建议在(V{CC})引脚附近放置旁路电容，以平滑低频噪声，提供更好的负载调节。

9. 布局指南

9.1 通用原则

• 散热焊盘可悬空或连接到接地平面。
• 电源旁路电容应尽量靠近(V_{CC})引脚，避免靠近正负极走线。
• 高速正负极走线应匹配，长度不超过4英寸，阻抗应与电缆特性差分阻抗匹配。
• 高速信号走线应尽量减少过孔和拐角，使用过孔时增加其周围的间隙尺寸。
• 避免在晶体、振荡器等敏感元件附近布线，避免高速信号走线上出现短截线。
• 高速信号走线应在连续的接地平面上，避免跨越抗蚀层。

9.2 多层板建议

建议使用至少四层的印刷电路板，两层信号层由接地层和电源层分隔。大部分信号走线应在同一层，紧邻接地平面。

10. 总结

TS3DS10224是一款功能强大、性能优越的高速差分开关，具有多种配置模式和良好的电气特性，适用于多种高速差分信号应用场景。在设计过程中，工程师需要根据具体的应用需求选择合适的配置模式，并严格遵循电源供应和布局指南，以确保设备的性能和可靠性。你在使用类似器件时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。