USB(通用串行總線)作為目前最主流的接口標(biāo)準(zhǔn)之一，其數(shù)據(jù)傳輸的核心依賴于D+和D-兩條差分信號(hào)線。差分傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)的在于能有效抑制共模噪聲、提升抗干擾能力，而電平范圍的規(guī)范則是保障不同廠商設(shè)備互通、傳輸穩(wěn)定的基礎(chǔ)。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-的電平范圍存在差異，且并非以單一線路的電平直接表示邏輯，而是通過(guò)兩條線路的電平差值實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸。

USB 2.0是目前應(yīng)用最廣泛的版本，其定義了三種工作模式，不同模式下D+、D-的電平規(guī)范各有不同，且均以3.3V邏輯電平為基礎(chǔ)參考。低速模式(傳輸速率1.5Mbps)和全速模式(傳輸速率12Mbps)的電平范圍一致，均采用單端電平結(jié)合差分對(duì)比的方式定義信號(hào)狀態(tài)。在這兩種模式下，差分信號(hào)的高電平狀態(tài)定義為D+電壓大于2.8V、D-電壓小于0.3V;差分信號(hào)的低電平狀態(tài)則相反，為D-電壓大于2.8V、D+電壓小于0.3V。其中，0.3V以下可視為低電平閾值，2.8V以上可視為高電平閾值，發(fā)送端輸出的高電平最高不超過(guò)3.6V，低電平最低不低于0V，確保信號(hào)的清晰識(shí)別。

除了常規(guī)的差分高低電平，USB 2.0還定義了兩種特殊的單端電平狀態(tài)，用于實(shí)現(xiàn)設(shè)備復(fù)位、狀態(tài)識(shí)別等功能。單端0狀態(tài)(SE0)是指D+和D-的電壓均小于0.3V，這種狀態(tài)通常用于傳輸復(fù)位信號(hào)，當(dāng)SE0狀態(tài)持續(xù)10ms以上時(shí)，設(shè)備將觸發(fā)復(fù)位操作，恢復(fù)到默認(rèn)未配置狀態(tài);單端1狀態(tài)(SE1)則是指D+和D-的電壓均大于2.8V，這是一種無(wú)效狀態(tài)，在正常USB通信中不會(huì)故意生成，若出現(xiàn)該狀態(tài)，通常意味著通信鏈路存在故障。

USB 2.0的高速模式(傳輸速率480Mbps)與低速、全速模式的電平規(guī)范差異較大，其核心原因是高速傳輸下需要降低信號(hào)擺幅，減少傳輸延遲和噪聲干擾。高速模式下，不再采用單端3.3V電平，而是以差分電壓擺幅為核心定義，發(fā)送端輸出的差分信號(hào)電壓擺幅典型值為400mV，最小值為360mV，最大值為440mV，即D+與D-之間的電壓差值需維持在這個(gè)范圍內(nèi)。同時(shí)，高速模式對(duì)共模電壓也有明確要求，共模電壓(即D+和D-電壓的平均值)需控制在0.75V至1.3V之間，避免共模電平漂移導(dǎo)致接收端誤判。接收端的靈敏度要求為最小可檢測(cè)差分電壓100mV，確保即使在信號(hào)衰減后，仍能準(zhǔn)確識(shí)別差分信號(hào)。

需要注意的是，USB差分信號(hào)線的電平狀態(tài)并不直接對(duì)應(yīng)邏輯“0”或“1”，而是通過(guò)電平跳變與否來(lái)映射數(shù)據(jù)。USB 2.0采用NRZI(不歸零反轉(zhuǎn))編碼方式，邏輯“0”對(duì)應(yīng)差分線電平發(fā)生跳變(即D+和D-的電平狀態(tài)互換)，邏輯“1”對(duì)應(yīng)差分線電平保持不變。這種編碼方式便于接收端提取時(shí)鐘信息，但為了避免長(zhǎng)串“1”導(dǎo)致的接收器失鎖，會(huì)引入位填充技術(shù)，每當(dāng)檢測(cè)到連續(xù)6個(gè)“1”，會(huì)自動(dòng)插入一個(gè)額外的“0”，這一過(guò)程也會(huì)影響D+、D-的電平變化規(guī)律，但不會(huì)改變其核心電平范圍。

USB 3.x版本作為USB 2.0的升級(jí)版本，向下兼容USB 2.0的電平規(guī)范，同時(shí)新增了一對(duì)高速差分接收線和一對(duì)高速差分發(fā)送線，用于實(shí)現(xiàn)更高速率的傳輸。USB 3.x新增的差分信號(hào)線，其電平規(guī)范與USB 2.0高速模式類(lèi)似，差分信號(hào)電壓擺動(dòng)典型值為0.5V，最小值為0.2V，最大值為0.6V，通過(guò)降低擺幅進(jìn)一步提升傳輸速率，同時(shí)保持良好的抗干擾能力。無(wú)論是USB 2.0還是USB 3.x，D+和D-的電平范圍都需要嚴(yán)格遵循規(guī)范，否則會(huì)導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法識(shí)別、數(shù)據(jù)傳輸丟包、傳輸速率下降等問(wèn)題。

此外，USB設(shè)備的速度識(shí)別也與D+、D-的電平狀態(tài)密切相關(guān)。主機(jī)默認(rèn)會(huì)在D+和D-線路上設(shè)置15kΩ的下拉電阻，而從機(jī)則通過(guò)不同位置的上拉電阻標(biāo)識(shí)自身速度類(lèi)型：高速和全速設(shè)備會(huì)在D+線路上設(shè)置1.5kΩ的上拉電阻，使D+電平被拉至3.3V左右，主機(jī)檢測(cè)到這一電平后，會(huì)識(shí)別為高速或全速設(shè)備;低速設(shè)備則在D-線路上設(shè)置1.5kΩ的上拉電阻，使D-電平被拉至3.3V左右，主機(jī)據(jù)此識(shí)別為低速設(shè)備。這種通過(guò)電平狀態(tài)實(shí)現(xiàn)的速度識(shí)別機(jī)制，是USB接口向后兼容的關(guān)鍵。

總結(jié)來(lái)說(shuō)，USB D+、D-差分信號(hào)線的電平范圍并非固定不變，而是隨USB版本和工作模式變化，核心規(guī)范圍繞差分電平差值、單端電平閾值、共模電壓等參數(shù)展開(kāi)。USB 2.0低速和全速模式以3.3V為基礎(chǔ)，差分高低電平分別對(duì)應(yīng)D+/D-的2.8V與0.3V對(duì)比;高速模式采用低擺幅差分電平，核心為360mV至440mV的差分電壓擺幅;USB 3.x新增差分線延續(xù)低擺幅設(shè)計(jì)，同時(shí)兼容USB 2.0的電平規(guī)范。理解這些電平范圍規(guī)范，不僅能幫助我們更好地掌握USB通信原理，也能為USB接口電路設(shè)計(jì)、故障排查提供重要參考。