1. 差分信号基础：什么是差分信号，为什么用差分？

做EMC整改这么多年，我经常被问到：“差分信号到底神在哪里？”

其实说白了，差分信号就是一对等长、等宽、反向驱动的走线。一根送正信号，另一根送负信号。接收端只看它们的差值。就这么简单。

1.1 差分信号长什么样？

我们平时用得最多的是单端信号——一根线对地。比如3.3V的TTL，高电平就是3.3V，低电平就是0V。差分信号不一样，它用两根线，电压值对地可能都在1.65V左右浮动，但这两根线的电压方向永远相反。

举个具体的例子：

• 发送“1”时：P线 = 1.8V，N线 = 1.5V，差值 = +0.3V
• 发送“0”时：P线 = 1.5V，N线 = 1.8V，差值 = -0.3V

接收端的差分放大器只认这个差值，对两根线上的共模干扰（比如同时被噪声响高0.1V）直接忽略。这就是抗干扰的根本。

我在项目中遇到过不少新手把差分对画成两根独立的单端线，结果EMI测试直接超标。嗯，差分对必须紧耦合。

1.2 差分信号 vs 单端信号 — 一张表看懂

参数	单端信号	差分信号
走线数量	1根	2根（等长等宽紧邻）
参考平面	依赖地平面	互相对称，可降低对地参考依赖
抗共模干扰	弱（噪声直接叠加在信号上）	强（共模噪声被差分放大器抑制）
对外辐射	强（单端回路大，容易形成天线）	弱（紧耦合场对消，共模辐射受控）
典型电平	LVTTL 3.3V/5V	LVDS 350mV、USB 400mV、HDMI 500mV

你想想看，单端信号的地回路就是整块地平面，高频电流会在地平面上形成很大的电流环路，辐射问题就来了。差分对呢？两条线一正一反，电流回路极小，近场辐射可以在空间上相互抵消。

1.3 为什么大家都爱用差分？——三个硬理由

理由一：天然的抗共模噪声能力

我年轻的时候做一块板子，USB 2.0抖得厉害。后来发现是电源纹波干扰了单端数据线。换成差分USB，同样电源环境，误码率降了两个数量级。差分放大器对共模增益趋近于0，只放大差模。这是物理层面的优势。

理由二：对外辐射小，天生适合EMC

差分对两根线电流方向相反，产生的磁场互相抵消。只要两根线走得很近（紧耦合），对外呈现的等效环路面积几乎为零。我在EMI实验室测过，同样的100MHz时钟信号，单端辐射峰值比差分高8~12dBμV/m。

理由三：低电压摆幅 + 高速度

差分信号不需要很大的电压摆幅。LVDS（低压差分信号）摆幅只有350mV左右，功耗低，但速率可以跑到Gbps级别。为什么？因为摆幅小，边沿斜率相同的情况下，达到稳态的时间更短。这是现代高速接口（USB、HDMI、PCIe、SerDes）都选差分的原因。

1.4 你必须搞懂的两个“模”——差模 vs 共模

咱们做EMC整改，经常听到“差模辐射”、“共模辐射”。这两个概念都建立在差分信号的基础上。

• 差模（Differential Mode）：两根线上大小相等、方向相反的信号分量。这是我们想传递的数据。
• 共模（Common Mode）：两根线上大小相等、方向相同的信号分量。这是我们不想要的干扰或失配产物。

差分信号在理想情况下只有差模分量。但现实世界中——线长不等、线宽不同、参考平面不连续、接收端输入阻抗不平衡——都会产生共模分量。共模分量一旦形成，就不会被差分放大器抑制了，反而会通过线缆向外辐射。这就是我们这门课要解决的问题。

我记得有一次给客户看一块HDMI板子，差分布线很标准，但EMI在720MHz处猛跳。查了半天，发现是接收端芯片内部的差分端接电阻阻值偏差了5%，导致共模转化。从此我养成习惯：差分对的外围匹配电阻精度必须用1%或更高。

1.5 知识结构图：差分信号的核心脉络

下面这张图能帮你把刚才讲的东西串起来。我特意把信号分解、辐射机制、设计关注点都放在一个框架里。

1.6 关于差分信号，我还要提醒你几件事

1. 不是所有差分对都能随便走。 我见过有人把USB D+和D-画在板子两面，中间隔了内层地。那你看到的是两根走线对地各自形成环路，差分对完全失去紧耦合，辐射超级加倍。差分对的参考平面一定要连续，且两根线尽量在同一层。
2. 共模抑制不是万能的。 差分放大器能抑制共模，但抑制能力受限于共模抑制比（CMRR）。一旦共模分量频率超过放大器带宽，抑制效果会陡降。所以光靠接收端是不够的，必须在源头和PCB走线阶段就控制共模生成。
3. 差分阻抗你必须算。 常见差分阻抗：USB 2.0要求90Ω差分，HDMI要求100Ω，LVDS要求100Ω。用SI9000或者Polar算一下，别凭感觉设线宽线距。