单端与差分信号：电路连接图与实物样例
一、电路连接图
1. 单端信号连接图
┌─────────────────────────────────────────────┐
│ 发送端 (Transmitter) │
│ ┌───────────┐ │
│ │ │ │
│ │ 逻辑信号源 │───────┐ │
│ │ (Logic) │ │ │
│ └───────────┘ │ ┌─────────────┐ │
│ ├───→│ 驱动器/缓冲器 │ │
│ 控制信号│ └─────────────┘ │
│ │ │ │
│ │ ▼ │
│ ┌────┴─────┐ │
│ │ 单端驱动器 │ │
│ │ (SE Driver)│ │
│ └────┬─────┘ │
│ │ │
│ │ 信号线 │
└──────────────────────┼─────────────────────┘
│
│ 单根导线
│ (可能带屏蔽层)
│
┌──────────────────────┼─────────────────────┐
│ 接收端 (Receiver) │
│ ┌────┴─────┐ │
│ │ 单端接收器 │ │
│ │ (SE Receiver)│ │
│ └────┬─────┘ │
│ │ │
│ ┌────┴─────┐ │
│ │比较器/缓冲器│ │
│ │ (Comparator)│ │
│ └────┬─────┘ │
│ │ │
│ ┌────▼─────┐ │
│ │ 逻辑输出 │ │
│ └──────────┘ │
│ ▲ │
│ │ │
│ ┌────┴─────┐ │
│ │ 参考地 │ │
│ │ (GND) │←─────┐ │
│ └──────────┘ │ │
└───────────────────────────────────┼───────┘
│
┌─────────────┴─────┐
│ 公共地回路 │
│ (可能受噪声影响) │
└───────────────────┘
典型单端传输系统：
发送芯片 ────[信号线]───→ 接收芯片
│ │
[GND]───────────────────[GND]
2. 差分信号连接图
┌─────────────────────────────────────────────┐
│ 发送端 (Transmitter) │
│ ┌───────────┐ │
│ │ │ │
│ │ 逻辑信号源 │───────┐ │
│ │ (Logic) │ │ │
│ └───────────┘ │ ┌─────────────┐ │
│ ├───→│ 编码/预加重 │ │
│ 原始数据│ └─────────────┘ │
│ │ │ │
│ │ ▼ │
│ ┌────┴─────┐ │
│ │ 差分驱动器 │ │
│ │ (Diff Driver)│ │
│ └────┬┬─────┘ │
│ ││ │
│ ││ P线 (+) │
│ ││ N线 (-) │
└──────────────────────┼┼─────────────────────┘
││
││ 差分对
││ (紧密耦合的双绞线)
││
┌──────────────────────┼┼─────────────────────┐
│ 接收端 (Receiver) │
│ ┌────┴┴─────┐ │
│ │ 差分接收器 │ │
│ │ (Diff Receiver)│ │
│ └────┬┬─────┘ │
│ ││ │
│ ▼│ │
│ ┌─────┴─────┐ │
│ │ 减法器 │ V_out = P - N │
│ │ (Subtractor)│ │
│ └─────┬─────┘ │
│ │ │
│ ┌─────▼─────┐ │
│ │ 比较器/放大器 │ │
│ │ (Comparator)│ │
│ └─────┬─────┘ │
│ │ │
│ ┌─────▼─────┐ │
│ │ 时钟恢复 │ │
│ │ 解码/均衡 │ │
│ └─────┬─────┘ │
│ │ │
│ ┌─────▼─────┐ │
│ │ 逻辑输出 │ │
│ └──────────┘ │
└───────────────────────────────────────────┘
典型差分传输系统：
发送芯片
├─[P线: +V/2]───────────────┐
│ │
└─[N线: -V/2]───────────────┤
↓
接收芯片 ────[差分接收器: P-N]──→ 逻辑输出
二、实际电路示例
示例1：RS-232（单端）与RS-485（差分）对比
RS-232（单端）典型电路：
MAX232/MAX3232
┌───────────────┐
TTL TX ──►│T1IN │T1OUT───► RS-232 TX (单端 +3V to +15V)
│ │
TTL RX ◄──│R1OUT │R1IN◄──── RS-232 RX (单端 -3V to -15V)
│ │
│ 电荷泵电容 │
└───────────────┘
│ │
GND +5V
RS-485（差分）典型电路：
MAX485/SN65HVD72
┌───────────────┐
TTL TX ──►│DI │A───────────┐ 差分对
│ │ ├────► 双绞线
│ │B───────────┤
TTL RX ◄──│RO │ │
│ │ │
│DE (使能发送) │ │ 终端电阻
│RE (使能接收) │ │ 120Ω
└───────────────┘ │
│ │ │
GND +5V └────┐
│
GND
示例2：LVDS差分传输电路（典型应用）
发送端 (LVDS Driver) 接收端 (LVDS Receiver)
┌─────────────────┐ ┌─────────────────┐
│ LVDS驱动器 │ │ LVDS接收器 │
│ SN65LVDS31 │ │ SN65LVDS32 │
│ │ │ │
TTL──►│DIN │Y───────►│A │OUT──►TTL
│ │ │ │
│ EN │YB──────►│B │
│ │ │ │
└─────────────────┘ └─────────────────┘
│ │ │ │
GND +3.3V GND +3.3V
传输线特性：
├────100Ω差分阻抗────┤
│ 等长、等距、平行布线 │
└───────────────────┘
三、实物样例
1. 单端信号实物示例
a) USB Type-A 电源引脚（单端）
实物：USB接口的VCC和GND引脚
用途：供电（5V直流）
特点：明显的单端特性，VCC相对于GND提供电能
b) 耳机插孔（3.5mm音频）
实物：TRS插头（Tip-Ring-Sleeve）
连接：左声道（单端）、右声道（单端）、地（共用）
照片特征：三个金属接触段，中间用绝缘环隔开
c) GPIO排针（树莓派/Arduino）
实物：标准2.54mm排针
典型连接：
Pin1: 3.3V/5V (电源，单端)
Pin2: GPIO信号 (单端)
Pin3: GND (参考地)
...
2. 差分信号实物示例
a) USB 2.0数据线（差分对）
实物特征：
- 内部有4根线：红(VCC)、黑(GND)、绿(D+)、白(D-)
- D+和D-是差分数据对
- 通常双绞在一起以减少干扰
- 绿色和白色线长度严格匹配
肉眼识别：打开USB-A接头可以看到4个金属触点
触点排列：1:VCC(红) 2:D-(白) 3:D+(绿) 4:GND(黑)
b) 以太网电缆（Cat5e/Cat6）
实物特征：
- RJ45水晶头，8根线（4对双绞线）
- 每对双绞线是一个差分信道：
* 橙白/橙：TX+/TX-（发送）
* 绿白/绿：RX+/RX-（接收）
* 蓝白/蓝：备用
* 棕白/棕：备用
典型T568B接线：
1: 橙白 ── TX+
2: 橙 ── TX-
3: 绿白 ── RX+
4: 蓝 ── (备用)
5: 蓝白 ── (备用)
6: 绿 ── RX-
7: 棕白 ── (备用)
8: 棕 ── (备用)
c) HDMI线缆（多组差分对）
实物特征：
- 19针连接器，内部多组差分对
- 包含：
* 3组TMDS差分对（用于视频数据）
* 1组TMDS时钟差分对
* DDC（I²C单端）
* CEC（单端控制）
* +5V电源和地
TMDS差分对工作：每对传输1位/时钟周期的10位编码数据
d) 专业音频XLR连接器（平衡音频）
实物特征：
- 3针圆形连接器
- 针1：屏蔽/地
- 针2：热端（+，同相信号）
- 针3：冷端（-，反相信号）
工作原理：
发送端：将单端音频转为差分
接收端：将差分转回单端，同时抑制共模噪声
3. PCB设计实物对比
单端信号布线（DDR内存）：
照片特征：
- 多条平行走线
- 长度匹配通过"蛇形线"实现
- 参考平面完整
- 终端电阻在接收端
差分信号布线（PCIe/USB3.0）：
照片特征：
- 成对出现的走线
- 两条线始终保持等宽、等间距
- 两条线长度严格匹配（偏差<5mil）
- 周围有"禁布区"避免其他信号靠近
- 终端通常集成在芯片内部
四、快速识别技巧
如何判断是单端还是差分：
-
看线对数量：
-
单端：一根信号线+一根地线（可能多地线共享）
-
差分：总是成对出现，一对线传输一个信号
-
-
看连接器引脚：
-
单端：VCC/GND/SIGNAL分开
-
差分：通常标记为+/-, P/N, D+/D-
-
-
看PCB布线：
-
单端：可以单独布线
-
差分：两条线紧挨着，等长等距
-
-
看传输距离：
-
单端：通常短距离（<1m）
-
差分：可以很长（以太网100m，RS-485 1200m）
-
-
看速度规格：
-
单端：通常<100Mbps（DDR例外）
-
差分：通常>100Mbps到数十Gbps
-
五、实际测量对比
示波器测量对比：
单端信号测量： 差分信号测量：
通道1：信号线 通道1：P线 (+)
通道2：地线 通道2：N线 (-)
数学函数：Ch1 - Ch2（显示差分信号）
数学函数：(Ch1 + Ch2)/2（显示共模噪声）
波形特征： 波形特征：
- 以地为参考 - P和N互补
- 可能有地弹噪声 - 共模噪声同时出现在P和N上
- 整体偏移可能变化 - 差分信号稳定，不受地噪声影响
通过以上电路图、实物示例和对比，大家应该能够清晰地区分单端和差分信号在物理实现上的不同，并在实际项目中做出正确的选择。
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