一文搞懂单端信号、差分信号的定义和区别

单端信号和差分信号是两种不同的信号传输方式，主要区别在于信号参考基准和传输特性：

单端信号

单端信号以地为参考基准，信号通过一根导线传输，与地之间的电平差决定信号逻辑状态。例如，高电平表示逻辑“1”，低电平表示逻辑“0”。 ‌

差分信号

差分信号通过两根等长、等宽、紧密靠近的导线传输，两路信号振幅相等、相位相反。接收端比较两线电压差值判断逻辑状态，例如两线电压分别为3V和-3V时，差分信号表现为“1”;若两线电压均为0V，则表现为“0”。 ‌

主要区别

‌参考基准‌

单端信号以地为基准，差分信号以两线电压差为基准，不受两地电势差异影响。 ‌

单端信号传输时需保证两地电势相近，否则会导致逻辑判断错误;差分信号对两地电势差异容忍度较高。 ‌

‌抗干扰能力‌

差分信号通过两根线抵消外部干扰(如电磁干扰)，抗干扰能力更强;单端信号易受环境噪声影响。 ‌

差分信号还能有效减少电磁辐射(EMI)，适合高速、长距离传输。 ‌

‌布线要求‌

差分信号需严格等长、等宽布线，占用更多PCB空间;单端信号只需单根线，成本更低。 ‌

在芯片管脚间距受限时，单端信号更具优势。 ‌

‌适用场景‌

低频、短距离场景(如普通电子设备信号传输)多采用单端信号;

高频、长距离或高精度需求场景(如高速总线、工业自动化)更倾向使用差分信号。 ‌

一、单端信号

单端信号是相对于差分信号而言的，单端输入指信号由一个参考端和一个信号端构成，参考端一般为地端。

单端信号的特点

1.传输距离有限：由于单端信号只通过单个的传输线路传输，信号传输时会遇到传输距离 (传输线路长度)限制，这会使信号传输质量下降，从而导致信号失真、噪声干扰等。

2.千扰较大: 单端信号传输过程中会遇到各种T扰，如电磁场干扰、信号叠加千扰等。这些干扰因素会使单端信号传输的质量受到很大的影响，从而影响到整个系统的性能。

3.支持的带宽有限：由于单端信号在传输时只经过一个导线，所以它们的支持带宽相对较低。

4.价格较为便宜或是免费： 单端传输是目前大部分的通信设备的基本传输方式，使用范围非常广泛。

二、差分信号

严格意义上来说，所有的电压信号都是“差分”的，因为一个电压总是相对另一个电压而言。但大部分情况下，我们会把“地”作为电压基准点，从而测得另一个电压值，这种信号被称为单端信号。由于是和“地”做比较，单端信号在PCB上的表现通常只有一根导线。

差分传输是一种信号传输的技术，区别于传统的一根信号线一根地线的做法(单端信号)，差分传输在这两根线上都传输信号，这两个信号的振幅相等，相位相反。在这两根线上传输的信号就是差分信号。

差分信号的特点1.抗噪声和千扰：差分信号可以有效抵御一些环境中的电磁噪声和千扰信号，因为它们只关心差分信号的变化而不关心绝对值变化，而千扰信号对于差分信号的两个输入端口都是等效的。

2.支持的带宽宽：由于差分信号需要两条导线传输，所以它们的支持带宽相对较高，因此可以在高速数据传输、高速信号处理和高分辨率图像传输等方面发挥重要作用。

3.精度高： 差分信号在进行信号传输时，可以保证信号的精度高和可靠性强。

4.价格较高：相比较单端信号，差分信号及其传输设备的价格比较昂贵。

差分探头

常见差分信号1. USB：通用串行总线(Universal Serial Bus，USB)，是连接计算机系统与外部设备的一种串口总线标准，也是一种输入输出接口的技术规范，被广泛地应用于个人电脑和移动设备等信息通讯产品，并扩展至摄影器材、数字电视(机顶盒)、游戏机等其它相关领域。USB协议定义由两根差分信号传输数字信号，阻抗为90欧姆。对于高速数字信号的完整性来说，控制差分信号的阻抗非常重要，因为差分阻抗影响差分信号的眼图、信号带宽、信号抖动和信号线上的干扰电压。相关推荐：USB3.0 信号完整性测试及USB3.0 TX & RX案例分享USB产品信号完整性测试-USB眼图测试

2. MIPI：移动行业处理器接口( Mobile Industry Processor Interface ) ，MIPI联盟定义了一系列手机内部接口标准，如摄像头接口CSI、显示接口DSI、射频接口、麦克风接口等。专门在高速模式下采用低振幅信号摆幅，针对功率敏感型应用量身定做。采用差分信号传输，传输线差分阻抗100欧姆。相关推荐：【案例分享】启威测实测案例带你了解MIPI-CSI信号一致性测试

3.HDMI：高清晰度多媒体接口(High Definition Multimedia Interface)，是一种数字化音视频接口技术，适合影像传输的专用型数字化接口，它由4对差分线组成。相关推荐：【案例分享】HDMI 2.1 Source端信号完整性测试案例，附HDMI 2.1眼图测试报告【案例分享】什么是HDMI 1.4 ?启威测实测案例带你了解 HDMI 1.4 信号测试!

三、单端信号和差分信号的优缺点比较

1.差分信号在抗千扰方面优于单端信号，但差分信号需要2个传输导线，所以单端信号在价格更为便宜方面胜出。

2.差分信号可以传输更宽的带宽，所以差分信号适合在高速通信方面使用，单端信号则更适用于低速通信。

3.单端信号传输距离有限，差分信号传输长度通常较长，可以在较长的距离内进行传输。

4.如需在电路中采用差分信号，则需要使用专门的差分晶体管、差分运算放大器等器件，价格较高。

差分信号和单端信号在信号传输原理、抗干扰能力、时序定位、布线要求及应用场景等方面存在显著区别。下面我将详细阐述这两者的不同之处：

信号传输原理

‌单端信号‌：单端信号采用导体与参考地之间的电位差进行信息传递，即信号由一个参考端(通常为地端)和一个信号端构成。其核心在于依赖信号线与地线之间的电压差传递信息。

‌差分信号‌：差分信号采用双线互补传输模式，即在这两根线上都传输信号，且这两个信号的振幅相等、相位相反。信号接收端通过比较这两个电压的差值来判断发送端发送的逻辑状态。

抗干扰能力

‌单端信号‌：单端信号易受电磁干扰和地电位差的影响，抗干扰能力相对较弱。当地电位发生波动或存在电磁干扰时，信号质量可能会受到影响。

‌差分信号‌：差分信号具有较强的抗干扰能力。由于两根信号线靠得很近且信号幅值相等、极性相反，因此干扰噪声一般会等值、同时被加载到两根信号线上，而其差值为0，即噪声对信号的逻辑意义不产生影响。此外，差分信号还能有效抑制电磁干扰(EMI)。

时序定位

‌单端信号‌：单端信号的时序定位可能受阈值电压与信号幅值电压之比的影响较大，因此不太适合低幅度的信号。

‌差分信号‌：差分信号的接受端是两根线上的信号幅值之差发生正负跳变的点，作为判断逻辑0/1跳变的点，时序定位更为准确。

布线要求

‌单端信号‌：单端信号的布线相对简单，通常只需一根信号线和一根地线。然而，在电路板面积紧张的情况下，单端信号可能更具优势，因为它可以只使用一根信号线，而地线可以走地平面。

‌差分信号‌：差分信号在电路板上的布线要求更为严格。差分走线必须是等长、等宽、紧密靠近且在同一层面的两根线。这样的布线要求增加了布线的复杂性和成本。

应用场景

‌单端信号‌：单端信号因其结构简单、成本较低而广泛应用于低速、短距离通信场景。例如，I²C总线、SPI接口和UART/RS232等常见接口就采用了单端信号传输方式。

‌差分信号‌：差分信号则更适用于高速、长距离通信场景以及需要强抗干扰能力的应用。例如，USB3.0、HDMI等高速接口就采用了差分信号传输技术。

01信号基本分类◉ 单端信号定义

单端信号，与差分信号相对，是由一个参考端和一个信号端共同构成的输入方式，其中参考端通常接地。

差分传输，作为一种独特的信号传输技术，显著区别于传统的单端信号传输方式。在差分传输中，两根线上都承载着信号，这两个信号的振幅保持一致，而相位则相反。这种在两根线上同时传输的信号，便构成了所谓的差分信号。

差分信号在抗干扰能力方面表现出色。由于干扰噪声会同时加载到两根信号线上，且其差值为零，因此这种噪声对信号的逻辑意义不构成实质影响。其次，差分信号能有效抑制电磁干扰(EMI)。两根等幅、等长的信号线紧靠在一起，与地线形成的电磁场相互抵消，从而减少了对外界的电磁干扰。此外，在时序定位方面，差分信号也表现出色。其接收端基于两根线上信号幅值的差异进行逻辑判断，相较于单端信号以阈值电压为跳变点的方式，具有更高的准确性。

然而，差分信号也存在一定的局限性。当电路板空间有限时，单端信号只需一根线即可，而差分信号则需两根紧密靠近、等长且同层的线，这可能在一些情况下限制了其应用。此外，在芯片管脚间距较小的情况下，单端信号可能更易实现。

02信号传输差异◉ 单端信号传输特点

单端信号的传输方式简单且经济实惠，适用于许多低频电平信号的传输。在传输过程中，一根导线连接两端的接地线即可完成信号传输。然而，这种方式的缺点在于其抗干扰能力相对较弱。特别是在不同应用领域中，地电势差和地一致性的问题会逐渐显现。

◉ 差分信号传输特点

差分信号在传输过程中展现出显著的优势。它通过两根导线同时传输信号，使得这两个信号相对于地电压的电平差成为关注焦点。当地电势发生变化时，这两个信号会同时上下浮动，从而保持差分电压的稳定性。此外，差分信号在传输过程中还具有更强的驱动能力和抗干扰能力。当传输距离较长时，差分信号能够更好地保持信号质量，并减少对其他设备的干扰。

差分信号在模拟信号传输中确实具有诸多优势，如桥式应变片式力传感器等应用场合。然而，在使用过程中，我们需要注意一个关键问题——共模电压范围。若共模电压过高，可能会对信号传输造成干扰或损坏设备。

在实际应用中，我们需要确保差分信号的两根导线都通过适当电阻连接到系统地，以保持稳定的共模电压。此外，对于单端转差分的转换问题，通过反向跟随器等电路进行实现时，需要注意差分信号的放大倍数及电路的稳定性。

在理解和应用差分信号时，我们需要纠正一些常见的误区。例如，差分信号并非简单地被放大两倍，而是通过巧妙地处理两根导线上的电压差异来传输信息。因此，在实际应用中，我们需要根据具体需求和场合来选择合适的信号传输方式。

认为差分走线必须紧密相邻是一种误解。虽然相近的差分走线可以增强其耦合，但这并非绝对必要。在得到充分屏蔽的情况下，差分走线即使间距较远，也能有效抵御外界干扰。此外，增大与其他信号走线的间距是一种基本方法，因为电磁场能量随距离的平方递减。