USB D+、D-差分信号线电平范围详解

USB(通用串行总线)作为目前最主流的接口标准之一，其数据传输的核心依赖于D+和D-两条差分信号线。差分传输的优势的在于能有效抑制共模噪声、提升抗干扰能力，而电平范围的规范则是保障不同厂商设备互通、传输稳定的基础。不同USB版本(如USB 2.0、USB 3.x)、不同工作模式(低速、全速、高速)下，D+和D-的电平范围存在差异，且并非以单一线路的电平直接表示逻辑，而是通过两条线路的电平差值实现信号传输。

USB 2.0是目前应用最广泛的版本，其定义了三种工作模式，不同模式下D+、D-的电平规范各有不同，且均以3.3V逻辑电平为基础参考。低速模式(传输速率1.5Mbps)和全速模式(传输速率12Mbps)的电平范围一致，均采用单端电平结合差分对比的方式定义信号状态。在这两种模式下，差分信号的高电平状态定义为D+电压大于2.8V、D-电压小于0.3V;差分信号的低电平状态则相反，为D-电压大于2.8V、D+电压小于0.3V。其中，0.3V以下可视为低电平阈值，2.8V以上可视为高电平阈值，发送端输出的高电平最高不超过3.6V，低电平最低不低于0V，确保信号的清晰识别。

除了常规的差分高低电平，USB 2.0还定义了两种特殊的单端电平状态，用于实现设备复位、状态识别等功能。单端0状态(SE0)是指D+和D-的电压均小于0.3V，这种状态通常用于传输复位信号，当SE0状态持续10ms以上时，设备将触发复位操作，恢复到默认未配置状态;单端1状态(SE1)则是指D+和D-的电压均大于2.8V，这是一种无效状态，在正常USB通信中不会故意生成，若出现该状态，通常意味着通信链路存在故障。

USB 2.0的高速模式(传输速率480Mbps)与低速、全速模式的电平规范差异较大，其核心原因是高速传输下需要降低信号摆幅，减少传输延迟和噪声干扰。高速模式下，不再采用单端3.3V电平，而是以差分电压摆幅为核心定义，发送端输出的差分信号电压摆幅典型值为400mV，最小值为360mV，最大值为440mV，即D+与D-之间的电压差值需维持在这个范围内。同时，高速模式对共模电压也有明确要求，共模电压(即D+和D-电压的平均值)需控制在0.75V至1.3V之间，避免共模电平漂移导致接收端误判。接收端的灵敏度要求为最小可检测差分电压100mV，确保即使在信号衰减后，仍能准确识别差分信号。

需要注意的是，USB差分信号线的电平状态并不直接对应逻辑“0”或“1”，而是通过电平跳变与否来映射数据。USB 2.0采用NRZI(不归零反转)编码方式，逻辑“0”对应差分线电平发生跳变(即D+和D-的电平状态互换)，逻辑“1”对应差分线电平保持不变。这种编码方式便于接收端提取时钟信息，但为了避免长串“1”导致的接收器失锁，会引入位填充技术，每当检测到连续6个“1”，会自动插入一个额外的“0”，这一过程也会影响D+、D-的电平变化规律，但不会改变其核心电平范围。

USB 3.x版本作为USB 2.0的升级版本，向下兼容USB 2.0的电平规范，同时新增了一对高速差分接收线和一对高速差分发送线，用于实现更高速率的传输。USB 3.x新增的差分信号线，其电平规范与USB 2.0高速模式类似，差分信号电压摆动典型值为0.5V，最小值为0.2V，最大值为0.6V，通过降低摆幅进一步提升传输速率，同时保持良好的抗干扰能力。无论是USB 2.0还是USB 3.x，D+和D-的电平范围都需要严格遵循规范，否则会导致设备无法识别、数据传输丢包、传输速率下降等问题。

此外，USB设备的速度识别也与D+、D-的电平状态密切相关。主机默认会在D+和D-线路上设置15kΩ的下拉电阻，而从机则通过不同位置的上拉电阻标识自身速度类型：高速和全速设备会在D+线路上设置1.5kΩ的上拉电阻，使D+电平被拉至3.3V左右，主机检测到这一电平后，会识别为高速或全速设备;低速设备则在D-线路上设置1.5kΩ的上拉电阻，使D-电平被拉至3.3V左右，主机据此识别为低速设备。这种通过电平状态实现的速度识别机制，是USB接口向后兼容的关键。

总结来说，USB D+、D-差分信号线的电平范围并非固定不变，而是随USB版本和工作模式变化，核心规范围绕差分电平差值、单端电平阈值、共模电压等参数展开。USB 2.0低速和全速模式以3.3V为基础，差分高低电平分别对应D+/D-的2.8V与0.3V对比;高速模式采用低摆幅差分电平，核心为360mV至440mV的差分电压摆幅;USB 3.x新增差分线延续低摆幅设计，同时兼容USB 2.0的电平规范。理解这些电平范围规范，不仅能帮助我们更好地掌握USB通信原理，也能为USB接口电路设计、故障排查提供重要参考。