TMUXHS221LV：USB 2.0 高速信號傳輸的理想之選

在電子設備的設計中，高速信號的傳輸和處理一直是工程師們關注的重點。今天，我們要介紹一款由德州儀器（TI）推出的高速雙向 2:1 或 1:2 多路復用器或多路信號分離器開關——TMUXHS221LV，它在 USB 2.0 以及 eUSB2 LS、FS 和 HS 信號傳輸方面表現出色。

文件下載：tmuxhs221lv.pdf

一、產品概述

TMUXHS221LV 是一款針對 USB 2.0 以及 eUSB2 LS、FS 和 HS 信號傳輸進行優化的模擬無源開關。它支持高達 3Gbps 差分信號的開關，可支持高達 3.3V 的大多數 CMOS 信號的模擬開關，數據引腳可承受 5V 電壓。該器件具有出色的高速性能，能將 USB 2.0 或 eUSB2 HS 信號眼圖的衰減降至超低水平，而且通道導通電阻、高帶寬、低反射和低附加抖動也非常低，非常適合用于多種高速接口。

二、產品特性亮點

（一）電氣性能優越

• 電壓兼容性強：支持電壓范圍為?0.3V 至 3.6V 的差分或單端 CMOS 信號傳輸，數據引腳可承受 5V 電壓，能適應多種不同的信號環境。
• 低導通電阻：當 $V{I/O}=0V$ 時，$R{ON}$ 低至 3Ω，這有助于減少信號傳輸過程中的損耗，提高信號的質量。
• 高帶寬：-3dB 帶寬為 3.3GHz，非常適合 240MHz 下的 USB 2.0 或 eUSB2 HS 信號，在該頻率下，插入損耗為 -0.4dB，回損為 -22dB，關斷隔離或串擾為 -32dB，能有效保證信號的高速、穩定傳輸。

（二）高速性能出色

• 超低眼圖衰減：能夠將 USB 2.0 或 eUSB2 HS 信號眼圖的衰減降至超低水平，垂直和水平 USB 2.0 HS 眼圖衰減極小，同時該器件增加的抖動也可以忽略不計，確保了信號的完整性。
• 良好的差分對內延遲性能：數據路徑經過匹配，可實現出色的差分對內延遲性能，進一步提高了信號傳輸的準確性。

（三）其他特性優勢

• 寬電源電壓和控制邏輯輸入：采用 1.8V 電源電壓，控制邏輯輸入支持 1.2V 或 1.8V，增加了設計的靈活性。
• 寬工作溫度范圍：工業級工作溫度范圍為 -40°C 至 125°C，適用于多種嚴苛應用環境，如工業和高可靠性用例。
• 小型封裝：采用小型 10 引腳 1.8mm × 1.4mm UQFN 封裝，節省了電路板空間，便于進行高密度的設計。

三、引腳配置與功能

通過這些引腳，我們可以方便地實現對信號的選擇和控制，滿足不同的應用需求。

四、應用領域與典型案例

（一）應用領域廣泛

TMUXHS221LV 可用于多種高速和低速接口，數據速率最高可達 3Gbps，包括 USB 2.0 HS、FS 和 LS、eUSB2 HS、FS 和 LS、$I^{2}C$ 總線、SMBus?、UART?、調試接口信號、Mipi? CSI - 2 和 DSI、PCIe? 時鐘、DisplayPort? 輔助和熱插拔檢測信號、USB - C? SBU 信號以及 LVDS 等。

（二）典型應用案例

1. 路由調試信號到 USB 端口

在許多電子終端設備中，如 PC、媒體播放器、銷售點寄存器、打印機、相機、耳機、智能手機和平板電腦等，都需要將調試信號路由到 USB 2.0 端口。TMUXHS221LV 憑借其靈活的數據處理能力和低信號衰減特性，成為了這一應用場景的理想選擇。在設計時，需要注意信號完整性，提供干凈的阻抗和電氣長度匹配的電路板走線，合理設置控制信號和接地連接，并使用合適的去耦電容。

2. PCIe 時鐘復用

在使用 TMUXHS221LV 進行 PCIe 時鐘切換的應用中，通過 TI 評估板測試，該器件在所有 NOISE_FOLD 和 PCIe 5.0 CK 濾波器版本下增加的抖動小于 10 fs，遠低于 PCIe 5.0 時鐘規格要求，能夠很好地滿足 PCIe 時鐘復用的需求。

3. USB - C SBU 復用

TMUXHS221LV 可用于 USB Type - C 接口的 SBU 交叉復用，以實現 DisplayPort（DP）備用模式。該器件具有足夠的帶寬來支持快速輔助（AUX）信號，并且能夠處理 DP AUX 信號的不對稱偏置。

4. 切換 USB 端口

在手持便攜式設備及其連接的擴展塢之間切換 USB 端口時，TMUXHS221LV 可以發揮重要作用，確保信號的穩定傳輸。

五、設計注意事項

（一）電源供應

TMUXHS221LV 不需要特定的電源供應順序，但建議在 VCC 穩定且符合規格后再啟用設備。同時，應在靠近 VCC 引腳處放置足夠的去耦電容，以保證電源的穩定性。

（二）布局設計

• 阻抗匹配：高速 USB 連接通過屏蔽雙絞線電纜實現，具有差分特性阻抗。在布局中，D + 和 D - 走線的阻抗應與電纜的差分特性阻抗匹配，且走線長度不超過 4 英寸，否則可能會影響眼圖性能。
• 電容放置：將電源旁路電容盡可能靠近 VCC 引腳放置，避免靠近 D + / D - 走線，以減少干擾。
• 信號走線：高速 USB 信號應盡量減少過孔和拐角的使用，以降低信號反射和阻抗變化。當必須使用過孔時，應增加其周圍的間隙尺寸以減小電容。
• 避免干擾源：不要將 USB 走線布置在晶體、振蕩器、時鐘信號發生器、開關穩壓器、安裝孔、磁性設備或使用時鐘信號的 IC 附近，同時避免高速 USB 信號出現短截線，若無法避免，短截線長度應小于 200mm。

六、總結

TMUXHS221LV 以其出色的高速性能、優越的電氣特性和廣泛的應用領域，為電子工程師在高速信號傳輸和處理方面提供了一個優秀的解決方案。在實際設計中，我們需要充分考慮其特性和設計要求，合理進行引腳連接、電源供應和布局設計，以確保其性能的充分發揮。大家在使用過程中，有沒有遇到過類似高速信號處理的挑戰呢？又是如何解決的呢？歡迎在評論區分享交流。