高速差分開關TS3DS10224的全方位解析

在高速差分信號應用領域，一款性能卓越的開關器件往往能起到事半功倍的效果。今天，我們就來深入剖析德州儀器（TI）的TS3DS10224，一款集多種功能于一身的高速差分開關。

文件下載：ts3ds10224.pdf

1. 產品概述

TS3DS10224是一款3V、雙向的差分交叉點開關，同時還具備差分1:4、2通道差分1:2復用器和解復用器，以及扇出開關等功能，適用于高速差分信號應用，最高可達720Mbps。它的邏輯表可以將任何輸入路由到任何輸出，從而實現多種可能的開關或復用配置。

2. 產品特性

2.1 多種配置模式

• 差分交叉點開關：在簡化布局時，當走線需要交叉，或者在USB Type - C應用中切換可逆連接器的上下信號時，差分交叉點開關能發揮重要作用。
• 差分單通道1:4復用器和解復用器：可將一個輸入信號路由到四個不同的輸出。
• 差分2通道1:2復用器和解復用器：能實現兩個通道的信號復用和解復用。
• 差分信號對扇出到兩個端口：可同時將差分信號對輸出到兩個端口，但這種配置下帶寬性能會有所降低。

2.2 雙向操作

支持雙向信號傳輸，增加了使用的靈活性。

2.3 故障保護

當電源關閉（(V{CC}=0V)）時，(I{OFF})保護可防止電流泄漏，將信號路徑置于高阻抗狀態，保護數據總線。

2.4 高性能指標

• 高帶寬：典型帶寬為1.2GHz，能滿足高速信號傳輸需求。
• 低導通電阻和電容：典型(R{ON})為13Ω，(C{ON})為9pF，減少信號損耗。
• 良好的ESD性能：I/O引腳的接觸放電可達±8kV（IEC61000 - 4 - 2），人體模型為2kV（JESD22 - A114E），所有引腳的人體模型為2kV（JESD22 - A114E），增強了器件的可靠性。

2.5 小尺寸封裝

采用WQFN封裝（3.00mm × 3.00mm，0.4mm間距），節省電路板空間。

3. 應用場景

• 桌面和筆記本電腦：用于內部信號的切換和復用。
• DisplayPort輔助通道復用：實現DisplayPort信號的靈活分配。
• USB 2.0復用：在多個USB設備之間進行信號切換。
• 上網本、電子書和平板電腦：滿足這些設備內部高速信號處理的需求。

4. 詳細規格

4.1 絕對最大額定值

4.2 ESD額定值

4.3 推薦工作條件

4.4 電氣特性

不同配置下的電氣特性有所差異，例如在差分1:4或2 - 通道1:2配置和扇出1:2配置中，導通狀態電阻、電容等參數略有不同。在導通狀態電阻方面，典型值均為13Ω，但在扇出1:2配置中，導通電容(C_{IO(ON)})典型值為12pF，略高于其他配置的9pF。

4.5 開關特性

在不同配置下，傳播延遲、開關時間和時序差異等開關特性也各有特點。如在差分1:4或2 - 通道1:2配置中，傳播延遲典型值為50ps，而在扇出1:2配置中為140ps。

4.6 動態特性

不同配置下的帶寬、關斷隔離和串擾等動態特性也存在差異。差分1:4或2 - 通道1:2配置的帶寬典型值為1.2GHz，扇出1:2配置的帶寬典型值為500MHz。

5. 引腳配置和功能

TS3DS10224采用20引腳的WQFN封裝，各引腳具有不同的功能。例如，ENA和ENB為使能引腳，低電平禁用信號路徑并使其處于高阻抗狀態；SAI、SAO、SBI和SBO為選擇引腳，用于控制輸入和輸出的選擇。

6. 功能模式

6.1 啟用和禁用

通過設置ENA和ENB引腳的電平，可以控制信號路徑的啟用和禁用。當兩個引腳都為低電平時，所有信號路徑都處于高阻抗狀態。

6.2 差分交叉點開關

通過設置選擇引腳，可以將輸入INA和INB路由到OUTA或OUTB。

6.3 2 - 通道1:2復用器

將輸入INA和INB路由到兩個不同的輸出，通過選擇引腳進行輸出選擇。

6.4 1 - 通道1:4復用器

將輸入INA路由到四個不同的輸出，未使用的引腳INB +和INB - 需懸空。

6.5 扇出1:2配置

將輸入INA或INB同時路由到輸出A和輸出B，未使用的引腳INB +和INB - 需懸空。

7. 應用與實現

7.1 1 - 通道差分1:4復用器

可用于USB 2.0設備的信號切換。設計時，建議將數字控制引腳SAI、SBI、SAO和SBO上拉到(V_{CC})或下拉到GND，未使用的信號路徑引腳用50Ω電阻接地以減少信號反射。

7.2 2 - 通道差分交叉點開關

適用于USB PHY和(I^{2}C)設備之間的信號切換，設計要求與1 - 通道差分1:4復用器類似。

7.3 扇出開關

可用于差分時鐘信號的扇出，但帶寬性能較低，為500MHz。設計時同樣要注意控制引腳和未使用引腳的處理。

7.4 2 - 通道差分1:2 SPDT開關

用于USB 2.0和(I^{2}C)設備的信號切換，遵循相同的設計原則。

8. 電源供應建議

通過(V{CC})引腳為設備供電，電源電壓應在推薦的工作電壓范圍內。建議在(V{CC})引腳附近放置旁路電容，以平滑低頻噪聲，提供更好的負載調節。

9. 布局指南

9.1 通用原則

• 散熱焊盤可懸空或連接到接地平面。
• 電源旁路電容應盡量靠近(V_{CC})引腳，避免靠近正負極走線。
• 高速正負極走線應匹配，長度不超過4英寸，阻抗應與電纜特性差分阻抗匹配。
• 高速信號走線應盡量減少過孔和拐角，使用過孔時增加其周圍的間隙尺寸。
• 避免在晶體、振蕩器等敏感元件附近布線，避免高速信號走線上出現短截線。
• 高速信號走線應在連續的接地平面上，避免跨越抗蝕層。

9.2 多層板建議

建議使用至少四層的印刷電路板，兩層信號層由接地層和電源層分隔。大部分信號走線應在同一層，緊鄰接地平面。

10. 總結

TS3DS10224是一款功能強大、性能優越的高速差分開關，具有多種配置模式和良好的電氣特性，適用于多種高速差分信號應用場景。在設計過程中，工程師需要根據具體的應用需求選擇合適的配置模式，并嚴格遵循電源供應和布局指南，以確保設備的性能和可靠性。你在使用類似器件時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享交流。