单端信号与差分信号

单端和差分信号是电子系统中两种根本不同的信号传输范式，理解它们的区别和应用场景是设计可靠系统的关键。

一、 核心原理区别

单端信号

• 原理：信号电压以一个公共的“地”为参考点。接收器检测信号线与地之间的电压差。

• 连接：一根信号线 + 一根地线（通常多个信号共享一个地回路）。

• 数学表达：V_signal = V_wire - V_ground

差分信号

• 原理：使用一对相位相反的信号线（P和N）。接收器检测这两条线之间的电压差，而不关心它们对地的绝对电压。

• 连接：一对紧密耦合的导线（差分对）。

• 数学表达：

  • 发送端：P = +V/2, N = -V/2

  • 接收端：V_out = (P) - (N) = V

  • 共模电压：V_cm = (P + N)/2（理想情况下为常数）

二、 对比优势与劣势

特性	单端信号	差分信号	胜出方
抗噪声能力	弱。噪声会直接叠加在信号上，与地噪声一起被接收。	极强。外部耦合的共模噪声同时出现在P和N线上，在接收端做减法时被抵消。	差分
EMI辐射	高。信号电流通过地回路返回，形成较大电流环路，辐射强。	低。P和N线电流方向相反，磁场相互抵消；电场也因极性相反而部分抵消。	差分
EMI敏感性	高。容易受外部电磁场干扰。	较低。外部干扰多以共模形式出现，会被抑制。	差分
功耗	低。只需要驱动单线对地电容。	较高。需要驱动两条线，且通常需要更大的摆幅来获得足够的差分电压。	单端
电路复杂度	简单。只需一个驱动器/接收器，引脚少。	复杂。需要差分驱动器和接收器，引脚多。	单端
成本	低。线材、连接器、芯片成本都更低。	高。需要成对布线、精密匹配、专用芯片。	单端
电压摆幅	较大（如CMOS：0V至Vcc）。	较小（如LVDS：~350mV差分）。允许更低的工作电压。	视应用而定
时序精度	一般。受地电位波动影响。	高。边沿由差分过零点决定，对共模噪声不敏感，边沿更陡峭。	差分
参考点依赖	严重依赖稳定的地电位。地弹会直接导致误码。	不依赖。只要共模电压在接收器允许范围内即可。	差分

三、 为什么不同连接线采用不同方式？

选择单端还是差分，本质上是在性能、成本和复杂性之间权衡。

采用单端信号的场景及原因：

1. 低速控制信号（GPIO、I²C、UART、开关量）

   • 原因：速度低（通常<1MHz），噪声容限大，成本敏感。简单可靠。

2. 板内短距离通信（芯片间距离<10cm）

   • 原因：噪声环境相对可控，地平面完整，性能足够且成本最低。

3. 高密度互连（存储器接口：DDR的某些信号、Flash接口）

   • 原因：引脚数量巨大，差分方案会使引脚和布线翻倍，不切实际。通过精心设计电源/地系统和时序来保证完整性。

4. 电源和模拟地

   • 原因：本身就是参考电位，必须单端。

采用差分信号的场景及原因：

1. 高速串行总线（USB、PCIe、SATA、HDMI、MIPI）

   • 原因：速率极高（Gbps级别），必须最大限度地抑制噪声和EMI，差分是唯一选择。

2. 长距离传输（RS-485、工业现场总线、专业音频XLR）

   • 原因：穿越复杂电磁环境，地电位差异大。差分能抑制共模噪声，允许数百米传输。

3. 精密测量（ADC输入、传感器信号、医疗仪器）

   • 原因：需要提取微弱的有效信号（如心电图EEG），必须抑制电源噪声和环境干扰。

4. 射频与微波（天线馈线、射频前端）

   • 原因：天然平衡结构，辐射模式可控，损耗相对低。

四、 典型应用场景深度解析

场景1：USB（差分）

• 为什么用差分：USB 2.0达到480Mbps，必须抵抗计算机内部强烈的开关噪声。差分对（D+/D-）提供强抗扰度，同时低辐射避免干扰其他设备。

• 替代可能：如果改用单端，在同样速率下，误码率会极高，无法使用。

场景2：I²C（单端）

• 为什么用单端：速度慢（标准模式100kbps，快速模式400kbps），通常在同一板上通信，多设备连接简单（开源漏极结构），成本极低。

• 局限：距离通常小于1米，且总线上电容不能太大。

场景3：以太网（差分）

• 双绞线本身就是差分传输的典范：

  • 原因1：每一对双绞线（如橙白/橙）构成一个差分对。双绞使两条线暴露在干扰中的情况几乎相同（共模）。

  • 原因2：长距离（可达100米）穿越各种环境，地电位差可能很大。差分完全无视地电位差。

  • 原因3：高速（千兆以太网）需要极佳的信号完整性。

场景4：DDR内存（混合）

• 有趣的现象：DDR使用单端信号进行高速数据传输（>3200Mbps）。

• 为什么能行：

  1. 极短的走线：严格控制在板内，长度匹配。

  2. 完整参考平面：多层板提供完整的电源和地平面。

  3. 精密的时序系统：采用源同步时钟（DQS），时钟随数据一起传输，抵消了部分延迟差异。

  4. 终端技术：使用片上终端（ODT）匹配阻抗。

• 为什么不用差分：数据线宽度可能达到64位，差分会使引脚和布线数量翻倍，成本不可接受。

五、 现代设计趋势

1. “差分化”趋势：随着速度提升，许多传统单端接口正被差分替代。例如：

   • LVDS取代LVCMOS用于板内高速视频传输。

   • MIPI D-PHY（差分）取代传统RGB并行（单端）用于显示屏接口。

2. 伪差分/地参考差分：

   • 如HDMI的TMDS：虽然是差分对，但接收端会参考地，兼具一些单端特性。

3. 单端信号的差分处理技术：

   • 对关键单端信号（如时钟），会采用差分走线然后一端接地的方式，获得差分布线的抗干扰好处，但节省一个驱动器。

总结

选择依据	优先单端	优先差分
速度	< 50-100 Mbps	> 100 Mbps
距离	板内，< 0.5米	板间或长距离，> 0.5米
噪声环境	清洁，控制良好	嘈杂，工业环境
EMI要求	宽松	严格（FCC/CE认证）
精度要求	一般	高精度测量
成本敏感度	非常敏感	相对不敏感
引脚/布线资源	紧张	充足

核心思想：单端是“默认选项”，简单经济；差分是“性能选项”，当单端无法满足需求时启用。 优秀工程师懂得在何时选择何种方案，并知道如何让单端信号在恶劣条件下也能可靠工作（通过良好的接地、屏蔽、滤波等）。