Что такое симметричный выход
Что такое симметричный выход
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.
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.
Основы звукотехники. Несимметричное и симметричное соединения
Несимметричное соединение (Unbalanced)
Это простейшая из всех возможных схема соединения, которую все неоднократно видели в школе на уроках физики – источник тока и прибор соединены друг с другом двумя проводами. Электричество идет к прибору по одному проводу и уходит от него по другому, прибор работает. Все просто. И дешево. Но если брать в расчет нежелательные сигналы (помехи), которые могут возникать в кабеле, все становится не таким простым.
Если рядом с такой простейшей системой начать разговаривать по мобильному телефону или где-то поблизости окажется силовой кабель, электромагнитные волны от телефона и магнитные поля кабеля начнут наводить электрические сигналы в проводах нашей несимметричной схемы. Если при таких обстоятельствах прибором в схеме является, например, микрофон, аудитория будет «порадована» жужжанием и визгом. Поэтому несимметричное соединение – это не всегда лучшее соединение. Чем длиннее несимметричный кабель, тем больше вероятность возникновения помех, поэтому не рекомендуется использовать несимметричный кабель длиной более 3 метров. Такой вид кабеля можно часто увидеть в домашней аудио-аппаратуре (в непрофессиональных комплектах звуковой техники в основном все кабели несимметричные).
Симметричное соединение (Balanced)
Что же делать, если посторонние сигналы возникают в кабелях и проводах? Существует два выхода – либо убрать все источники электромагнитных возмущений от нашей схемы (задача практически невыполнимая), либо использовать для соединения симметричный кабель. Отличие симметричного кабеля – в наличии дополнительного провода (жилы). Т.е. в кабеле имеются положительный, или «горячий» провод (по нему сигнал передается без изменений) и отрицательный, или «холодный» провод (по нему идет тот же сигнал, но в противофазе). Вместе они называются сигнальный провод. При этом становится возможным сравнивать напряжение между положительным и отрицательным проводами. Как только рядом появляется мобильный телефон или силовой кабель (внешние источники помех), они начинают влиять на сигнал в двух проводах симметричного кабеля совершенно одинаково. На входе на принимающее устройство из положительного сигнала вычитается отрицательный, при этом помехи вычитаются сами из себя (компенсируются) и не оказывают влияния на исходный сигнал. Таким образом, сигнал передается без искажений. Стандартным соединением симметричных кабелей является трехконтактный XLR – разъем (положительный, отрицательный и заземляющий провода).
Следует помнить, что симметричный кабель не устраняет исходный уровень шума, он только позволяет избавиться от дополнительных шумов, которые возникают при передаче сигнала. Симметричные кабели стоят значительно дороже и используются главным образом для профессиональной звуковой техники в случае необходимости передачи слабых сигналов и передачи сигнала на большие расстояния.
Схемы включения ДУ
Можно выделить четыре схемы включения ДУ: симметричный вход и выход, несимметричный вход и симметричный выход, симметричный вход и несимметричный выход, несимметричный вход и выход.
Схема включения ДУ симметричный вход и выход приведена на рисунке 5.7 и в особых комментариях не нуждается, такая схема включения применяется при каскадировании ДУ.
Рисунок 5.7. Схема включения ДУ «симметричный вход и выход»
Схема включения ДУ несимметричный вход и симметричный выход рассматривалась ранее (см. рисунок 4.9).
Схема включения ДУ симметричный вход и несимметричный выходприведена на рисунке 5.8.
Рисунок 5.8. Схема включения ДУ «симметричный вход — несимметричный выход»
Такая схема включения ДУ применяется в случае необходимости перехода от симметричного источника сигнала (либо симметричного тракта передачи) к несимметричной нагрузке (несимметричному тракту передачи). Нетрудно показать, что дифференциальный коэффициент усиления при таком включении будет равен половинеKU диф при симметричной нагрузке. Вместо резисторов Rк в ДУ часто используют транзисторы, выполняющие функции динамических нагрузок. В рассматриваемом варианте включения ДУ целесообразно использовать в качестве динамической нагрузки так называемое токовое зеркало, образованное транзисторами VT3 и VT4 (рисунок 5.9).
Рисунок 5.9. Схема ДУ с токовым зеркалом
При подаче на базу транзистора VT1 положительной полуволны гармонического сигналаUвх1, в цепи транзистора VT3 (включенного по схеме диода) возникает приращение тока ΔIк1. За счет этого тока возникает приращение напряжения между базой и эмиттером VT3, которое является приращением входного напряжения для транзистора VT4. Таким образом, в цепи коллектор-эмиттер VT4 возникает приращение тока, практически равное ΔIк1, поскольку в ДУ плечи симметричны. В рассматриваемый момент времени на базу транзистора VT2 подается отрицательная полуволна входного гармонического сигналаUвх2. Следовательно, в цепи его коллектора появилось отрицательное приращение тока ΔIк2. При этом приращение тока нагрузки ДУ равно ΔIк1+ΔIк2, т.е. ДУ с отражателем тока обеспечивает большее усиление дифференциального сигнала. Необходимо также отметить, что для рассматриваемого варианта ДУ в режиме покоя ток нагрузки равен нулю.
При несимметричном входе и выходе работа ДУ в принципе не отличается от случая несимметричный вход — симметричный выход. В зависимости от того, с какого плеча снимается выходной сигнал, возможно получение синфазного или противофазного выходного сигнала, как это получается в фазоинверсном каскаде на основе ДУ (см. подраздел 4.4).
Усилитель балансный и небалансный
Когда вы совершенствуете свою аудиосистему в намерении получить идеальное звучание вы рано или поздно обратите внимание, что в самом дорогом Hi-Fi сегменте на усилителях присутствуют разъемы XLR. Их наличие косвенно может означать тот факт, что усилитель построен по балансной схеме.
Соответственно существуют балансные схемы усиления и небалансные, по другому — симметричные (balance) и несимметричные (unbalance).
Что это такое, почему и для чего будет разбираться.
Итак вы видите на усилителе разъем XLR. 
XLR-входы ожидают сигнала от источника. Чисто практически вы можете понять, что для этого нужен специальный кабель:
Кабель XLR мама-папа (female-male) — мама на фото слева.
и соответствено у источника — сд-проигрывателя или ЦАП выход также желательно, чтобы был XLR (почему — об этом позже).
ЦАП с XLR-выходом
Европа:
, а для америки:
И важно здесь следующее, что по одному + идет нормальный сигнал, а по второму его зеркальное отображение. По пути сигнал набирает помех из за кабеля, но в конце они будут самоуничтожены.
При обратном инвертировании пики помех на «плюсовом» и «минусовом» сигнале при объединении сами себе и убавят до нуля.
Обратите внимание — изначально сигнал тем же цапом раздваивается (если цап балансный) и на выход идет по 2 штырьку сам сигнал, по третьему штырьку его инвертированная копия, а 1-й — земля.
И в таком «раздвоенном» виде сигнал и должен дойти до усилителя.
Теперь несложно сделать вывод, что если бы у нас был 1 сигнал+земля, как на стандартных RCA-кабелях (тюльпанчиках), то дальше мы усиливаем этот сигнал усилителем и выдаем на динамики. Такой метод усиления называется несимметричный, т.е. небалансный (unbalance).
Плюсы небалансного усилителя подключенного через RCA кабель (тюльпачиками) — это стандартный метод коммутации, так подключено 90-95% всей домашней аудио-техники и это самый распространенный метод усиления (небалансный).
Минусы — кабель набирает помех на своем пути и передает их в усилитель. Производители создали прекрасные схемы и небалансные усилители звучат уже настолько хорошо, что лучшего звука можно и не захотеть вовсе.
Но вернемся и чисто теоретически — посмотрите, у нас 2 сигнала, один из которых инвертированный. Мы его без изменений по кабелю с XLR-разъемом передаем на усилитель.
Так как у нас 2 сигнала в одном канале, то усилитель нам нужен (логично), какой то другой. Нужен усилитель который бы усилил оба сигнала.
Посмотрим на эту схему (один канал)
Такое усиление называется балансным. Мы видим, что обычный сигнал с плюсового входа и минусового входа усиливается отдельно. При сложении инвертированного и неинвертированного сигнала помехи, что набрались по пути следования сигнала взаимно уничтожаются. Кроме того сам сигнал при объединении становится в 2 раза сильнее. А это означает, что сигнал имеет ощутимо лучшее динамическое разрешение, не имеет помех и удваивает скорость реакции на аудиосигнал.
Т.е. потенциально балансный усилитель лучше по скорости и динамическому разрешению. Потенциально, потому что все зависит от схемы и примененных транзисторов в аппарате.
Логично и то, что балансный усилитель будет стоить дороже небалансного.
Но я обращу внимание еще на один неизученный момент — сегодня если вы видите сзади на усилителе разъемы XLR, то это вовсе не значит, что усилитель балансный.
Посмотрите, что можно сделать:
Да, мы объединили землю и минус и получили стандартное RCA. Во многих усилителях с XLR-разъемами на стороне усилителя просто замкнуты 1 и 3 ножка и вы думаете, что обладаете балансным аппаратом, а на самом деле вы используете небалансный.
Но почему так делается, это дурилово или что?
Продолжаем разбираться на примере замечательного усилителя Yamaha P2100 обладающего очень высоким разрешением, контролем и скоростью. Я скажу так, мне лично, лучше, чем этот аппарат звучит по обычным RCA уже не надо — меня все устраивает — и пространство и разрешение и скорость, но в нем же есть и XLR-разъемы!
Эффект на звук при подключении усилителя мощности Yamaha P2100 Professional я уже наблюдал в системе знакомого, когда мы переключали провода с XLR (балансные) на RCA (небалансные).
Источником являлся ЦАП с балансным выходом Youlong и соответственно звук с него подавался на Yamaha P2100 на XLR разъем.
Результат от XLR был очень заметен — явно более высокое разрешение. Этого нельзя было незаметить, так как разница не на уровне ощущений, а явная — совершенно отчетливо вырастало разрешение, улучшалась локализация инструментов, становилось звучание более объемным (трехмерным).
Недавно мне задавали вопрос о том, являются ли входы XLR (и соответственно сам усилитель Yamaha P2100) на самом деле балансными, так как над ними есть надпись unbalance, что означает несемметричный, т.е. небалансный.
Но ниже этих XLR разъемов располагались небалансные RCA и можно было предположить, что надпись касается их, так как выше были еще сообщения.
Кроме того явно слышалась разница между переключением с XLR-разъемов на RCA — RCA были по звуку замазаннее, с меньшим разрешением.
Так как звучание P2100 мне нравилось и я не особо потому интересовался такими высокими материями, то слушал в свое удовольствие, но желание расставить точки над i заставило меня открыть сервис гид на Yamaha P2100, чтобы выяснить это из первоисточника. И первое, что я увидел на схеме:
Да-да, 1 и 3 замкнуты. Т.е. как-бы балансный цап не старался разделяя сигнал, уже на входе Yamaha P2100 все его старания идут лесом превращая все в обычное небалансное соединение типа RCA, а следовательно откуда там взяться двум усилительным контурам, если уже на входе нет балансного сигнала.
Ок, хорошо, но каким образом тогда звучание ставится явно лучше по XLR-подключению.
Вы можете сказать, что «показалось» и так далее, но дело не в этом. Я повторил эксперимент уже в своей системе из Yamaha P2100 + балансный цап на Sabre9018 (2xMuse8920 + 2xAD797 + 2 R-Core) + Diatone DS-77Z.
Я сразу скажу на возможные претензии, что акустика не помпезная и тд, я мог бы подключить JBL4312 например или какие то другие прекрасные АС, что у меня есть, но я уже много раз убеждался, что Diatone DS-77Z обладает колоссальным музыкальным разрешением и идеальной локализацией инструментов, да и просто они чертовски здорово играют.
Итого, я подключил, как выяснилось, небалансную Yamaha P2100 по XLR-кабелю и совершенно явственно услышал разницу. опять выросло и без того беспредельное музыкальное разрешение, локализация и объемность. Аж дочка спросила — «Папа, что ты сделал, что стало лучше?»
Явно увеличилась трехмерность и разрешение.
Какое-то время я пребывал в недоумении, так как не мог сразу объяснить эффект — небалансное усиление по балансному XLR-кабелю звучало лучше — ну это же полный бред. Причем эффект фиксировался в двух разный аудиотрактах у двух разных людей.
Не буду нагнетать интригу, ибо обладаю аналитическим умом и решение данной загадки минуты 2-3 заставило меня поразмышлять.
Обратите внимание на часть описания цап XiangSheng DAC-05a:
Да, по балансному (XLR) выходу напряжение выше, нежели по небалансному (RCA) — конечно это зависит от конкретных реализаций в изделие, но тем не менее. В моем цапе на Sabre9018, в Youlong и в упомянутом выше XiangSheng DAC-05a напряжение через XLR ощутимо выше. 9 вольт, а не стандартные 1-2 вольта для небаланса (RCA).
Логично, что усилитель должен переварить такое высокое напряжение, как 9 вольт, и обладая XLR-разъемами усилитель, даже если он не балансный готов это сделать (опять конечно зависит от конкретного изделия). Если же вы подадите 9 вольт на вход RCA, то услышите сильно зашкаленный искаженный звук, как минимум, если что-то не сгорит (тут я не специалист).
А я уже упоминал, что большее напряжение — это большее динамическое разрешение, поэтому нет ничего удивительного, что даже в варианте, когда мы используем бутафорский «псевдобаланс», но с настоящего балансного источника, то получаем явную прибавку в качестве звука. Звучание получает большее музыкальное разрешение, большую трехмерность, и еще более лучшую локализацию, хотя казалось бы уже «куда лучше»? При возврате на RCA-подключение картинка смазывается и это ощутимо.
Задание для КБ РММ – симметричный выход (1 онлайн
sunet
Victor Buruiana, 1959
Задание для КБ РММ – симметричный выход
Предлагаю всем кто разбирается в схемотехнике и разрабатывает для себя или для других студийные приборы первое задание для обсуждения – схема симметричного выходного каскада.
Известно что большинство источников сигнала по природе своей несимметричны, также как и большинство схемотехнических решений по обработке звукового сигнала. Поэтому при разработке студийных приборов приходится вначале сигнал преобразовывать из симметричного в несимметричный, а на выходе прибора преобразовывать сигнал обратно в симметричный. Необходимость применения симметрии предлагаю здесь не обсуждать, это отдельная тема для разговора. Даже те кто как и я не являются сторонниками симметричного соединения, в определенных ситуациях вынуждены его применять. Электронное преобразование симметрии в несимметрию (входной каскад) практически не имеет вариантов и представляет собой дифференциальный усилитель на оперционном усилителе ( ОУ ), если не считать старую схему на трансформаторе. А вот выходной каскад преобразующий сигнал из несимметричного в симметричный не однозначен как кажется и доказательство тому большое число применяемых схемных решений. Раньше для этого использовался трансформатор, который решает сразу несколько задачь – симметрирование, гальваническую развязку, согласование импеданса и как бонус ограничение частотного спектра, но. он дорог, подвержен наводкам и сегодня сравнительно редок. С появлением ОУ появилась дополнительная возможность создания выходного симметричного каскада.
На рис.1 приведена самая простая и распротраненная (благодаря своей дешевизне) схема симметрирования на ОУ. Добавляется всего один ОУ и подобная схема является очень модной особенно в микшерных консолях, где подобных выходов много. В студийном же оборудовании экономить не стоит – главное звук, а потому столько простая схема не является хорошим выбором. Ее главный недостаток – при замыкании выводов 1 и 2 разъема XLR выход предыдуших каскадов может выйти из строя если примененные там элементы (чаще всего также ОУ) не имеют защиты по выходу. Кроме того при этом сигнал на выводе 3 также пропадет. Зачем нужно замыкать выводы 1 и 2? Это произойдет если подключить к симметричному выходу вход несимметричного прибора. Как правило в таких приборах (особенно если разъем TRS) это соединение сделано, ибо в противном случае прибор с трансформатореым выходом работать не будет (один вывод вторичной обмотки окажется в воздухе). Конечно можно написать в паспорте что в кабеле это соединение необходимо разомкнуть, но известно что паспорта мало кто читает. а потом если человек купил фирменный симметричный кабель и соденил эти два прибора, он уверен что все должно работать.
На рис.2 приведена схема в которую добавлен еще один буферный ОУ. Если ОУ А1, А2 имеют большой допустимый выходной ток и хорошую защиту по выходу ( например NE 5532 ), то замыкание контактов не приведет к серьезным проблеммам, однако не знаю сколь долго допустимо такое состояние. Ведь оно может длиться и 10 лет. Кроме того включение ОУ в положительном и отрицательном плечах различаются.
Схема на рис.3 снабжена еще одним буферным ОУ и токоограничительными резисторами R5, R6. По идее здесь все абсолютно симметрично и ток ограничен до максимального долгосрочно допустимого (резистор на 220. 470 Ом). Но с другой стороны здесь одно плечо (как и в схема на рис.1) имеет на один каскад больше, а значит на самых высоких частотах будет некоторая временная разница, хотя на аудиочастотах она видимо несущественна.
Итак предлагаемые для обсуждения вопросы:
1. Какая схема правильнее?
2. Нужны ли токоограничительные резисторы R5, R6?
3. Нужны ли разделительные конденсаторы С2, С3?
4. Если есть С2, С3, то нужны ли разрядные резисторы R3, R4?
При этом предлагаю:
1. Не исходить из соображений исключительно экономии места и ресурсов, главное – звук.
2. Не обсуждать необходимость симметрии
3. Не обсуждать потребителя, который всегда прав.