Балансный вход за $6 или как обойтись без трансформаторов. Балансные соединения и разъёмы

Обычная, небалансная система для передачи электрического аудиосигнала состоит из единственного выхода, уровень сигнала на котором меняется относительно земли. Обычно сигнал подаётся с выхода источника на вход усилителя по центральной жиле коаксиального , а экран в виде оплётки или фольги служит землёй и также до определённой степени защищает центральный проводник от помех.
Шум, возникающий благодаря помехам от внешних источников, добавляется к сигналу в момент его прохождения по проводу, поскольку любой по своей сути является антенной. Соответственно, на вход усилителя попадает сигнал, являющийся суммой шума и изначального сигнала.
Уровень таких шумов может быть столь небольшим, что их невозможно услышать на фоне сигнала. Однако в некоторых ситуациях они значительно громче. На уровень шума влияет масса факторов, таких как длина кабеля (чем он длиннее, тем больше шума соберёт), эффективность экранирования и определённые характеристики среды, в которой он проложен.
Балансная система немного более сложная. Вместо одного проводника и экрана между источником сигнала и усилителем там используется два проводника и экран. Один проводник несёт основной сигнал, в то время как другой несёт инвертированный (сдвинутый по фазе на 180 градусов). Вместе их называют дифференциальным сигналом.
Когда дифференциальный сигнал проходит по проводам, он также собирает шум, как и обычный, небалансный сигнал. Но по приходу к усилителю, к обоим сигналам дифференциальной пары, положительному и отрицательному, оказывается добавленным примерно одинаковый шумовой сигнал. Несмотря на то, что два сигнала от источника сдвинуты по фазе на 180 градусов друг относительно друга, шум в обоих проводах является синфазным.
Эти (дифференциальная пара) подключаются к дифференциальному усилителю, который вычитает сдвинутый по фазе сигнал из исходного. (На диаграмме эти сигналы помечены как "А+" и "А-" соответственно.) После обработки усилителем, на выходе получается A-(-A)=2A. Так как в обоих проводах шум был в одной и той же фазе, то он вычитается сам из себя. Это означает, что уровень полезного сигнала удваивается, а шум теоретически уменьшается до нуля.

Хотя таким образом в могут быть внесены другие типы шума, например, фазовые искажения, балансные линии вышеописанным методом очень хорошо убирают общие для обоих проводников наводки.
Также для избежания замкнутых цепей в заземлении, многие аудиоинженеры не подсоединяют экран на обоих концах линии, ограничиваясь одним, обычно - микшерной консолью. Обычно большинство проблем с фоном и наводками в сложных аудиосистемах объясняется неправильным или неполным заземлением.

Конечно, далеко не вся аудиоаппаратура поддерживает балансные линии, и во многих случаях необходимо подсоединить устройство с обычными, небалансными выходами к устройству с балансными входами, или наоборот. В подобных случаях лучше всего следовать инструкциям производителей аппаратуры.
Существуют и универсальные способны соединения таких устройств. Простейший из них таков: подсоедините положительный сигнал балансного разъёма к сигналу (центральной жиле) небалансного коннектора. Отрицательный сигнал балансного разъёма подсоедините к земле небалансного. Экран балансного разъёма также подсоедините к земле небалансного разъёма, или, если это вызвало увеличение фонового шума, оставьте неподключенным на стороне устройства с небалансным выходом.
Наконец, при соединении балансных и небалансных устройств может потребоваться преобразование уровня сигнала, поскольку для небалансных линий принят уровень, характерный для бытовой аппаратуры (-10dbV), а большинство балансных линий рассчитаны на уровень сигнала, используемый в профессиональной аппаратуре (+4dbu).

В профессиональной аппаратуре для балансных линий используется два типа разъёмов:

XLR Connector

Разъём XLR произошёл от разъёма Cannon "X Series", который удовлетворял всем требованиям работников аудиоиндустрии, за исключением того, что не защёлкивался в гнезде и мог быть разъединён. После перестановки контактов и добавления защёлки новый коннектор был назван Cannon "XL Series".
Позже, разъём типа "мама" был модернизирован так, чтобы контакты находились внутри упругого резинового уплотнителя. Получившийся коннектор был назван Cannon "XLR Series". Вскоре он стал индустриальным стандартом и был скопирован большинством производителей разъёмов. Официально он был принят как стандарт AES в 1982 году со следующим расположением контактов:

1/4" TRS разъём (Phone Connector)

Для типичного балансного соединения с использованием 1/4" TRS разъёмов необходимо соединить положительный сигнал с кончиком коннектора, отрицательный - с кольцом, и экран - с экраном.

Балансные (симметричные) соединения устанавливаются в профессиональной звуковой аппаратуре там, где они ликвидируют дополнительные наводки возникающие в длинных соединительных проводниках.

Всем нам хорошо знаком "свист" эстрадного микрофона, если он достаточно близко расположен к громкоговорителям - это есть электроакустическое возбуждение звукового тракта. Потому для минимизации внешних негативных воздействий (на резонансных частотах) и физической длинны межблочных кабелей применяются балансные схемы и конструкции: разъёмы, проводники, усилители мощности, источники электрических звуковых колебаний.

Совершенно очевидно - в бытовых аудио изделиях, где межблочные проводники имеют минимально возможную длину, у таких конструкции нет преимуществ, а наоборот - есть существенные недостатки, связанные с шумом дополнительных элементов и глубокими общими обратными связями .

Рассмотрим классические конструкции и схемы включения операционных усилителей применяемых в балансных и небалансных изделиях. Из схемы видно - организовать балансный выход сложнее чем вход.

Полностью балансная конструкция выглядит так - общая цепь обратной связи снимает усиленный звуковой сигнал с громкоговорителя и подаёт его обратно на аналоговый вход источника сигнала. Вместо того, чтобы сокращать путь прохождения основного звукового сигнала, полуволны составного звукового сигнала (с разной скоростью и коэффициентом усиления) перемножаются, что вызывает асимметрию полуволн и активизирует негативное динамическое сопротивление на краях частотного диапазона, тем самым устраняя специфические наводки в длинных межблочных проводниках.

В результате обратно-кругового, инертно-ограничительного процесса уменьшается усиление на краях слышимого диапазона, это вызывает неравномерность амплитудно-частотной характеристики и сокращает гармонический состав звукового спектра на всех частотах. Благодаря этому, на полностью балансном усилителе мощности небалансные и балансные входы воспроизводят звук приблизительно одинаково - плохо. Однако есть "грубый" выход из положения - эквалайзер. Который выравнивает полосу частот за счёт увеличения амплитуды сигнала, на "проваленной" частоте, увеличивая практически все искажения звука .

В идеальной - балансной конструкции необходимо точно согласовывать все противофазные каскады усиления и блоки многочисленной коммутации, а также разные источники сигналов и многообразные соединительные кабели, что с практической точки зрения нереально. Здесь альтернативная установка глубокой ООС является единственным применяемым схемотехническим решением, что сильно ограничивает частотно скоростные характеристики всей конструкции. Но зато есть возможность использовать мало качественные и дешёвые компоненты, так как звук заранее "придавлен" схемотехникой и в установке дорогих деталей нет необходимости.

Совершенно очевидно - все балансные соединения в домашней High End Audio аппаратуре не нужны, а их широкое применение обусловлено чисто коммерческом подходом. Другое дело профессиональная техника. Но даже здесь, классические и джазовые произведения исполняются натурально или на небалансной аппаратуре. Примитивный рок и попса - вот прерогатива балансных изделий.

Аудио конструкция которая работает в однотактном режиме усиления без ООС является полностью небалансной, так как нет второго плеча усиления.

Если к небалансной аппаратуре подключить балансные соединения, то качество звуковоспроизведения заметно изменится в худшую сторону. Дополнительные элементы увеличивают путь прохождения сигнала и добавляют собственные шумы. При этом, вся небалансная система обычно построена на высококачественных деталях, так как нет искусственных балансёров - ограничений (ООС) и противофазных каскадов усиления, что предъявляет к компонентам повышенные звуковые требования. К тому же, небалансная конструкция (с первого взгляда) схемотехнически простая, но в серийном производстве относительно сложная и дорогая, это ограничивает производителей и рекламодателей.

Отметим - профессиональные музыканты натуралисты и звукорежиссеры не признают балансные конструкции, а применяют небалансную аппаратуру собственного изготовления, отдавая предпочтения коротким соединениям и маленьким акустическим залам. Примеры самые банальные: Джо Сатриани, Джон Кребб, Йозеф Селдак, Колин Вонфор, Рей Матирсон, Алексей Никитин и т.д. И куча других конструкторов и исполнителей не применяют балансные соединения, отдавая приоритет качеству, а не количеству звука.

У компании "Audio Note" вообще звуковоспроизводящие (естественно небалансные, мощностью 20-40 ватт конструкции) стоят от 100 000$, что ещё раз подтверждает выше и нижесказанное. Чистое и хорошее стоит денег, и никакие балансные ухищрения для особо высококачественного воспроизведения звука не нужны!

Если фирма (для бытового применения) выпускает свои изделия на балансной основе то - это уже не Hi-End, а дешёвый Hi-Fi, в худшем своём проявлении. Дело в том, что технически изготовить полностью балансную конструкцию проще и в сотни раз дешевле, чем неcимметричную. Отсюда и любовь - к балансным изделиям.

Балансный вход/выход – балансная схема подключения означает симметричную (осевая симметрия относительно линии связи) передачу сигнала от устройства к устройству по двум проводникам, в одном из которых сигнал подаётся в противофазе, по отношению к первому. Третий проводник симметричной (балансной) линии связи –сигнальная земля (нейтраль, общий провод).
Суть такого соединения – повышенная, по сравнению с несимметричными линиями, помехоустойчивость. Балансные линии позволяют реализовать помехоустойчивую связь при значительном (десятки метров) удалении блоков звуковоспроизводящей аппаратуры, что наиболее актуально при профессиональном использовании.
Второй выигрыш (как принято считать) однозначное, стандартизированное, определение входных/выходных параметров устройств, как то: сопротивления (импедансы) и уровни электрических сигналов, приведенные к 0дБ. Опять же, это актуально для профессионального использования, когда при замене устройств разных производителей не требуется коррекция (поправка) уровней.
Наличие на коммутационных панелях аппаратуры XLR разъёмов косвенно указывает, что соединение симметричное. Сквозная ли симметрия, или на уровне преобразования при помощи специальных схемных и конструктивных решений, однозначно сказать невозможно. «Сквозной» подход, когда симметрия всех устройств сохраняется от источника до выходного каскада усилителя мощности, как правило, в очень дорогих конкретных комплектах конкретной фирмы производителей, крайне редок.
В общем случае, применяются преобразователи, особенно в части входов. Реализовать симметричный выход проще, чем вход.

Практический опыт оценок на слух указывает на отсутствие выигрыша (в звуке) XLR соединений по отношению к RCA (несимметричная связь). Кроме того, мнение ряда «специалистов», что балансные линии нивелируют влияние кабелей на характер звука – ложно. Есть различия в звучании одного и того же комплекта, при подключении по балансным входу/выходу при подключении различными типами (марками, моделями) кабелей. В истинности данных утверждений, Вы, можете сами убедиться в наших салонах.
И получить собственное представление, что есть что.

Что касается внутренней симметрии усилителей, можно сказать лишь, что это зависит от взгляда разработчика. Любой усилитель может быть симметричным, частично симметричным (покаскадно симметричным), асимметричным. На сегодняшний день существует тенденция строить усилители по симметричной схеме. В общем случае, выходной каскад (каскад усиления мощности) усилителей класса А не является симметричным, а класса АВ(В) - является. Входные каскады, как правило, строятся по дифференциальной схеме, реже по дифференциально-симметричной, ещё реже по недифференциально-симметричным - параллельным, и т.п.

Вопрос «дифференциальных схем» мы поясним, если Вы укажете, в каком контексте с данным термином столкнулись. Вопрос слишком «широк», для объяснения вне контекста.
Впрочем, и вопрос симметричности усилителей – целая философия. Так что… вряд ли стоит углубляться в вопросы схемотехники, к прояснению собственного подхода это не приведёт. Слушайте музыку – это единственно верное решение. В этом, мы Вам поможем.

Балансными разъемами, как правило, оснащаются High End-аппараты. Соединение это обладает массой преимуществ, но стоит недешево. Современные микросхемы помогают найти компромиссное решение.

Принято считать, что балансные входы и выходы - атрибуты сугубо техники класса High End. Разъемы XLR можно увидеть в усилителях и CD-проигрывателях аудиофильских фирм Accuphase, Burmester, Krell, Mark Levinson, Luxman и др. Симметричные линии широко используются в профессиональной аудиотехнике, в схемах усиления малых сигналов и при необходимости передавать сигнал на большие расстояния. Как правило, организация балансных линий сопряжена с большими затратами, поскольку требует либо качественных трансформаторов, либо дифференциальных усилителей и хитрых инверторов, способных работать на реактивную нагрузку. А как самому сделать такое подключение?

Прежде чем мы попытаемся ответить на этот вопрос, вспомним, откуда взялись и зачем вообще нужны балансные линии. Главное их достоинство - способность подавлять синфазную помеху, т.е. любые наводки извне при очень большой длине кабеля. Это важно, но в домашних условиях, где расстояние между компонентами не превышает нескольких десятков сантиметров (если только вы не размещаете моноблоки рядом с колонками), больше привлекает другое преимущество симметричного соединения. Дело в том, что изначально стандарт на него разрабатывался для звуковых студий, где сопротивление линии составляет 600 Ом. Столь малая величина обуславливает некритичность к индуктивности и емкости кабеля, и вот это как раз то, что нам нужно. Большинство хай-эндных аппаратов допускают как балансное включение через гнезда XLR, так и обычное, посредством RCA. Так вот, многолетний опыт прослушивания показывает, что в первом случае улучшается детализация звуковой картины и пространственные характеристики, звучание становится более точным, организованным. Симметричные линии будут очень полезны и там, где сигнал балансный изначально, например в однобитовых ЦАПах (см. публикации Андрея Маркитанова в предыдущем и нынешнем номерах) или фоно-корректорах с дифференциальным входом. Здесь просто нет смысла переводить сигнал в однотактный, а затем, в усилителе, снова в двухтактный. Кстати, об усилителях. Любой, кто хоть раз пытался сделать ламповый двухтактник, знает, как трудно собрать хороший фазоинвертор - с малыми искажениями на больших сигналах, с одинаковой АЧХ и выходным сопротивлением по плечам, хорошей симметрией при любых уровнях…

В большинстве случаев для решения перечисленных проблем используются трансформаторы, и именно это обстоятельство долго сдерживало применение балансных линий в домашней технике, и вот почему. Трансформатор, являясь абсолютно простым по сути и понятным устройством, очень трудоемок и сложен в изготовлении. Нужно хорошее железо для сердечника, лучше с добавками никеля или марганца, секционированная намотка и тщательная укладка провода чуть толще человеческого волоса. В противном случае транс будет обрезать частоты на краях звукового диапазона и крутить фазу сигнала, как ему заблагорассудится. Добавьте сюда необходимость двойного, а то и тройного экранирования, полностью ручную работу, и станет ясно, что цена приличного изделия будет очень высока. Например, пара межкаскадников Tango NC-22 стоит по каталогу около $400! Попытка использовать миниатюрные трансики из микрофонов или вынутые из списанных микшерных пультов ни к чему не приведет - в лучшем случае вы получите полосу 80 Гц - 13 кГц плюс большие искажения на амплитудах больше 0,775 В. Можно ли найти выход?

Рис. 1. Балансная линия с коэффициентом передачи К=1. Длина кабеля без ущерба для качества может достигать 150 м.

Можно, если вспомнить, что по сути своей трансформаторы - преобразователи импеданса, т.е. приборы, позволяющие оптимально согласовать источник сигнала с потребителем. При наличии двух идентичных обмоток они способны преобразовать однотактный сигнал в двухтактный. Такая необходимость, как уже говорилось, возникает довольно часто, поэтому многие производители полупроводников начали выпускать специализированные усилители - линейные драйверы и ресиверы. В спецификациях на такие микросхемы Burr-Brown и Analog Devices так и написано: «transformer like driver». Поскольку чипы этих фирм имеют практически идентичную схемотехнику и параметры, рассмотрим построение балансной линии на примере драйвера SSM2142 и ресивера SSM2143 от Analog Devices (рис.1). Почти точные аналоги от Burr-Brown - INA137 и DRV134. Основная их особенность - высокая точность «встроенных» сопротивлений, задающих коэффициент усиления. Она достигается лазерной подгонкой в процессе изготовления микросхем и составляет 0,005%, что абсолютно недостижимо при построении схемы на дискретных элементах. Благодаря этому подавление синфазной помехи в среднем составляет 100 дБ, а искажения в диапазоне частот 10 Гц - 100 кГц не превышают 0,0008%. Примечательно, что оба чипа обеспечивают все заявленные характеристики при амплитудах входного сигнала до 10 В.

Рис. 2. Упрощенная схема драйвера SSM2142. Этот крошечный чип способен раскачать предоконечный каскад усилителя.

Драйвер SSM2142 (рис. 2) стоит около 200 р. в розницу. Он имеет коэффициент усиления 2 (6 дБ) и создает два абсолютно идентичных клона выходного сигнала амплитудой до 10 В при сопротивлении нагрузки 600 Ом. Эта микросхема нечувствительна к ее реактивной составляющей и способна «прокачать» линию длинной до 150 м при сохранении идеальной формы меандра. С ее помощью легко реализуются многие конструкторские задумки. Например, заменив ею обычный ОУ на выходе CD-проигрывателя, легко получить качественный балансный выход. Автор с успехом применил SSM2142 в фазоинверторе лампового усилителя, подав сигнал с ее выходов непосредственно на сетки триода-драйвера 6Н7С. Где вы еще найдете фазоинвертор с линейной АЧХ вплоть до 1 МГц, абсолютно симметричный и с выходным сопротивлением 50 Ом? Чип легко раскачивает лампу даже при возникновении сеточных токов и ему нипочем емкость Миллера. Правда, есть и ограничения. Нужно помнить, что в выходных цепях SSM2142 не должно быть никаких корректирующих цепочек или резистивных делителей, в противном случае симметрия может нарушиться. При использовании драйвера в усилителе мощности следует избегать его охвата общей петлей ООС, поскольку возможно возбуждение на СВЧ. Лучше всего SSM2142 проявляет себя в триодных схемах, где ОС не нужна вообще. Еще одно лично опробованное применение чипа - организация балансного выхода у генератора ГЗ-102 для снятия характеристик лампового преда с входами XLR. Здесь любая попытка схитрить, закоротив одну из линий на землю или обход входного трансформатора, приводила к недостоверным результатам измерений.

Рис. 3. В ресивере SSM2143 сопротивления подогнаны с точностью до 0,005%.

Иногда возникает необходимость обратного преобразования, например для всевозможных регулировок и коррекции. В симметричном стереотракте для этого потребуются прецизионные счетверенные потенциометры и вдвое больше деталей, весьма недешевых. Поэтому часто балансный входной сигнал переводят в однотактный, корректируют, а на выходе возвращают ему исходный вид. Бывает, что нужно правильно включить ламповый однотактник в балансную линию. И в том, и другом случае может выручить ресивер SSM2143 (рис. 3), который, приняв симметричный сигнал, с минимальными искажениями и шумами преобразует его в обычный, причем коэффициент может быть 0,5 или 2, в зависимости от того, как скоммутированы ножки микросхемы. Есть у нее и еще одна полезная опция - возможность получения на выходе постоянного напряжения от -10 до +10 В. Таким образом, легко задать смещение на сетке лампы, подключив катод непосредственно к «земле». Для этого дополнительно потребуется малошумящий ОУ, например OP27 (рис. 4). SSM2143 легко справляется с емкостью нагрузки до 300 пФ и отдает в нее ток до 20 мА. Стоит один чип около 130 руб.

Рис. 4. Так можно получить постоянное напряжение на выходе SSM2143 в диапазоне ±10 В.

Теперь общее замечание для всех типов подобных микросхем. Как показал опыт, их звучание очень зависит от правильного питания, и экономия здесь себе в убыток. Все характеристики драйверов и ресиверов заявлены при напряжении питания ±18 В, но имеет смысл собрать два комплементарных стабилизатора на 15 вольт, либо на LM317/337, либо на дискретных элементах. Наилучшие результаты получались при питании от параллельных двухтактных стабилизаторов (если интересно, схему опубликуем). Попробуйте германиевые диоды в выпрямителе и конденсаторы Black Gate в фильтре, не пожалеете. Каждую ножку чипа, на которую подается «+» или «-», обязательно нужно шунтировать керамикой 0,1 - 0,47 мкФ и танталовым конденсатором-капелькой.

Наверное, имеет смысл остановиться и на этических вопросах. Многие «ламповые» аудиофилы даже не допускают мысли о применении микросхем в High End-трактах. Согласен, трансформаторы намного музыкальнее, поскольку не плодят бесконечного «хвоста» гармоник высших порядков. Но в данном случае за чистоту идеи приходится платить слишком дорого. Безусловно, если у вас в кармане 300 - 400 лишних баксов, я совершенно искренне рекомендую их потратить на изделия Tango, Tamura или MagneQuest. При наличии некоторого опыта транс можно намотать самому. А если нет ни того, ни другого, то пара крошечных чипов в корпусе DIP8 может оказаться очень полезной. По крайней мере, в большинстве случаев они звучат очень прилично, и их включение даже в самый «вылизанный» тракт не вызывает сколь-либо заметной деградации. В придачу вы экономите на кабелях, что подтверждено экспериментом - замена дорогого симметричного кабеля XLO обычной студийной витой парой длиной 6 м абсолютно не ощущалась.