Балансное подключение

Между двумя мирами

Принцип работы балансного предусилителя применительно к Hi-Fi-системе в целом понятен. В XLR разъем приходят три сигнальных проводника «плюс», «минус» и «земля». Сигнал попадает в симметричный тракт и после усиления оказывается на выходе с тем же самым трехконтактным разъемом. Все выглядит логично, но что происходит в начале и в конце звукового тракта? К балансному усилителю мощности класса Hi-Fi подключаются колонки с двумя, а не тремя контактами. У балансных наушников также используется по два, а не по три контакта на каждый канал. Источник сигнала тоже не обязательно будет балансным. Как работает балансная схема в этом случае?

Каждый выходной усилитель усиливает одну полуволну сигнала, а складываются они в динамике наушников Схемотехника оконечного балансного усилителя в целом аналогична остальным, только в финале акустика или наушники подключаются к «плюсовому» и «минусовому» выходам, а «земля» попросту не используется. Соответственно, один канал балансного усилителя мощности — это эквивалент двух каналов в небалансном включении. Более того, схема подключения нагрузки получается точно такая же, как при работе усилителя в мостовом режиме.

Две симметричных зоны позади разъемов — это не два стерео-канала, а два балансных канала. Почувствуйте разницу! В качестве примера реализации входов балансного усилителя рассмотрим опциональные модули апгрейда, которые можно интегрировать в балансную схемотехнику усилителя Jotunheim. Один из них — USB-ЦАП, и глядя на плату нетрудно заметить, что его схемотехника также полностью балансная.

Два ЦАПа и два симметричных канала после них В нем используются две микросхемы ЦАПа, каждая из которых воспроизводит «плюсовое» и «минусовое» плечо одного канала, а далее следует узнаваемый симметричный аналоговый тракт. Второй опциональный модуль — фонокорректор, и тут уже возникают вопросы. Фонокорректор по умолчанию имеет небалансные входы, но на плате фонокорректора мы видим симметричный балансный тракт. Как это происходит?

Небалансный вход с помощью операционных усилителей превращается в балансный, далее по той же схеме Подобно тому как балансный сигнал можно превратить в небалансный, используя лишь «плюсовое» плечо сигнала, можно создать виртуальную среднюю точку между «плюсом» и «землей» небалансного сигнала, и тем самым дать начало балансному тракту.

Принцип действия[править | править код]

Небалансный (несимметричный, линейный) сигнал передаётся по двум проводникам: один проводник — информационный, другой — земля. Это обязательное и достаточное условие для протекания электрического тока по замкнутой цепи. Данный способ передачи сигналов отличается исключительной простотой реализации, однако не способен противостоять помехам на физическом уровне (в качестве одного из немногих практических решений применяют экранирование таких линий).

Балансный сигнал использует для передачи три проводника: два информационных (прямой и инверсный) и одну землю. Электрический импеданс информационных проводников по отношению к земле сбалансирован (то есть равен), что нашло отражение в названии. Сигналы по двум информационным проводникам балансной линии передаются в противофазе с равной амплитудой относительно земли.

Приёмник балансного сигнала вычитает из прямого сигнала инверсный, в результате помехи, синфазно наведённые на такую линию, вычитаются, а полезный сигнал увеличивается по амплитуде в два раза. Существенное отличие балансной линии от обычной дифференциальной пары — в обязательном наличии земляного проводника и соблюдении равных импедансов пар «плюс—земля» и «минус—земля», что, во-первых, сохраняет равные амплитуды прямого и инверсного сигнала на всём протяжении линии и на входе приёмника, во-вторых, позволяет применять дополнительные методы контроля и исправлений искажений сигнала.

Четыре контакта

О балансных наушниках мы знаем два факта. Первый — балансными могут стать обычные наушники, если к ним подключить специальный кабель. Более того, даже наушники изначально не заявленные производителем как балансные, превращаются в таковые при использовании соответствующего кабеля стороннего производителя. Как правило, речь идет о внутриканальных наушниках или полноразмерных с Y-образным подключением кабеля, у которых динамики левого и правого каналов не связаны общим «минусовым» кабелем. Примеров тому может быть масса, начиная от High-End наушников типа Audeze и Astell&Kern AK T5p, включая добротные модели Hi-Fi вроде Sennheiser HD660 и заканчивая копеечными «затычками» QKZ с Aliexpress.

Вот так (буквально) подается сигнал на правый и левый канал наушников при балансном подключении. Для передачи сигнала используются по два контакта из трех Второй факт — балансный кабель и выход балансного усилителя имеют не три, а четыре контакта. Причина все та же — у каналов нет и не должно быть общих проводов. И вновь, можно найти немало примеров и среди техники High-End, и среди бюджетного китайского Hi-Fi. В качестве примеров можно привести усилители Bryston BHA-1F как High-End решение, хорошим примером среднебюджетного Hi-Fi является Musical Fidelity MX-HPA, а ультрабюджетный класс вполне можно оценить по SMSL SAP-10.

Ценность баланса

Разницу между балансным и небалансным подключением я услышал с первых же нот. Балансное подключение звучит громче, оно дает более широкую звуковую сцену, больше «воздуха» и лучшую детализацию. Бас становится существенно более четким, упругим и собранным. На его фоне небалансное звучит более кучно, тональный баланс темнее, главным образом, за счет уменьшения количества и прозрачности верхних частот. Басовый диапазон менее разборчив и контролируется не так хорошо.

Балансный усилитель дорогого стоит!

Разница в ширине сцены и ощущении пространства такова, что на некоторых записях с не сильно выраженными стереофоническими эффектами возникает ощущение, что небалансное подключение дает монофонический звук. Столь же ощутима разница в детальности. В целом смена типа подключения дает впечатление, будто ЦАП поменяли на один класс выше.

Но можно и недорого…

При использовании Schiit Audio Jotunheim у меня сложилось ощущение, что в балансном подключении сцена уж очень широка, а в центре недостает плотности и телесности. Такое же ощущение возникает, когда акустика стоит слишком широко. Справедливо предположить, что такой эффект может возникать вследствие специфики взаимодействия наушников и усилителя. На связке ЦАПа Schiit Audio Yggdrasil и усилителя Schiit Audio Ragnarok этот эффект оказался менее выражен.

И золотая середина в этом жанре имеется

Тем не менее, меня посетила мысль о том, что разделение каналов, которое так хорошо проявляет себя в системе с акустикой, далеко не всегда актуально при работе с наушниками. Поэтому ответ на вопрос о полезности полностью балансного тракта я, пожалуй, оставлю открытым.

Близость к истине

В ходе тестирования я нашел песню, которая идеально подходит демонстрации этой разницы в звучании: «Everything» – Wasis Diop из саундтрека фильма «Афера Томаса Крауна». Моменты, где бэк-вокалисты выдают нечто вроде «оу-оу-о» в левом и правом канале перекликались с основным вокалом.

Без переходников обладателю балансных наушников никак не обойтись

На балансном подключении громкость, слышимость и разборчивость основного и бэк-вокала практически равнозначны, а бэк-вокалисты располагались широко

На небалансном внимание фокусируется на основном вокале, который звучит четче, бэк-вокалисты находятся ближе к центру и растворяются где-то в общем музыкальном фоне

Фирменный кабель от наушников Sennheiser. Чтобы вы не подумали, что балансные наушники — удел твикеров, самодельщиков и прочих энтузиастов

Определить, какой из двух вариантов больше соответствует истине помогла референсная система из ЦАП Schiit Audio Yggdrasil, усилителя Schiit Audio Ragnarok и акустики Sonus Faber Olympica III. На совершенно различных по характеру записи треках звуковая сцена, которая выстраивалась при балансном подключении наушников, максимально близка к той, которую я слышал при прослушивании музыки с помощью акустики.

Схема распайки стандартных кабелей

Схема распайки симметричного XLR соединения штекер-гнездо

Схема распайки симметричного микрофонного кабеля

Схема распайки несимметричного микрофонного кабеля

Схема распайки кабеля для линейного моно сигнала

Схема распайки кабеля для линейного стерео сигнала

К РАЗДЕЛАМ КАТАЛОГА

НОВОСТИ

Новая серия TAURUS2 от компании PCE (Австрия)

Представляем новые силовые разъемы SCHUKO TAURUS2 для подключения однофазного оборудования. Корпуса разъемов выполнены из ударопрочной твердой резины. Герметизация кабеля осуществляется уплотнителем, выполненным, как часть корпуса.Подробнее Все новости

В чем разница между балансным и небалансным кабелем?

Прежде чем мы начнем детальное изучение различий двух видов кабеля, стоит понять, что находится внутри каждого из них.

Небалансные кабели

Если снять с небалансного кабеля прорезиненную внешнюю защиту, то перед глазами предстанет экранирующая оплетка, в английском языке именуемая «Braided Shield». Экранирующая оплетка представляет собой сетку из тонких медных проволок, обернутую вокруг небольшого основного сигнального провода. Такая оплетка бывает разных видов: однослойная, двухслойная и французская. Каждый из видов экранирования оказывает различный эффект на поступающий шум, устраняя его сильнее или слабее.

Во время ремонтных работ поврежденного небалансного кабеля достаточно аккуратно размотать экранирование и отвести его в сторону, чтобы по окончанию ремонта замотать сигнальный провод обратно.

Балансные кабели

Под прорезиненной защитой балансного (линейного) кабеля скрывается куда больше внутренностей в отличие от небалансных проводов.

В зависимости от качества кабеля, внутри могут находиться или экранирующая оплетка (как у небалансных кабелей) или дополнительный слой защиты из фольги. Получается, что внутри кабеля находятся два проводника и земля.

Аккуратно размотав экранировку кабеля, перед нами предстают два сигнальных провода — Плюс (за рубежом именутся «Positive» или иногда «Hot») и Минус («Negative»). При этом не стоит думать, что два провода дают стереосигнал, как это происходит у RCA-кабелей. Плюс и Минус — это два небалансных провода (внутри все та же медная оплетка и сигнальный кабель), объединенных между собой и связанных с землей.

Оба вида — балансный и небалансный кабель — имеют экранирование, что позволяет им останавливать поступающий извне шум, появляющийся от взаимодействия с сигнальным или сигнальными проводами. Именно шум является той ложкой дегтя в бочке меда отличного аудиосигнала, к которому каждый из нас стремится.

Существует два вида шумов, возникающих во время работы с аудиосигналом и звукозаписи — радиочастотные помехи (Radio Frequency Interference или сокращенно RFI) и электромагнитные помехи (Electromagnetic Interference или EMI). Если доносящийся из динамиков шум состоит из высоких частот, то это радиочастотные помехи. Если из динамиков идет низкочастотный гул — перед нами электромагнитные помехи.

Суть балансных кабелей

Принцип работы балансного кабеля прост. Поступающий через балансный кабель сигнал проходит по двум сигнальным кабелям — плюсу и минусу. Через плюс проходит неизмененный сигнал, в то время как через минус проходит аудиосигнал с инвертированной фазой.

Допустим у нас имеются два кабеля. Через один из них (назовем его Канал 1) передается некий аудиосигнал с активной формой волны, как у большинства звуков, а второй кабель (Канал 2) передает полностью идентичный сигнал. Таким образом мы имеем ситуацию удвоения сигнала. Тем не менее, если мы возьмем Канал 2 и пустим по нему аудиосигнал с инвертированной фазой одновременно с нормальным сигналом в Канале 1, то на выходе мы не услышим ничего, кроме тишины. Тишина появится из-за исключения двух зеркально отраженных звуковых волн между собой и появлению ровной волны без всплесков (как у тишины).

Теперь рассмотрим подобную ситуацию в рамках прохождения сигнала через балансный кабель. Представим, что через оба сигнальных провода (Плюс-Канал 1 и Минус-Канал 2) поступает одинаковый сигнал. Сигналы находятся в противофазе, при этом инвертированный сигнал, проходящий через Минус-Канал 2, вычитается из основного сигнала, проходящего через Плюс-Канал 1. В дополнение к этому, полезный сигнал из кабеля Плюс-Канал 1 увеличивается по своей амплитуде вдвое.

Проходя через второй коннектор XLR, негативный сигнал инвертируется снова, попросту добавляясь к сигналу в Плюс-Канале 1. Помехи, возникшие в Минус-Канале 2 также инвертируются в этот момент. Хитрость заключается в том, что шум в Минусе полностью идентичен помехам в Плюсе, а значит они взаимоисключают друг друга из сигнала, создавая тишину, пока полезный сигнал проходит дальше.

Благодаря этому, помехи и шумы оказываются замкнуты внутри кабеля, что приведет к их исчезновению.

При выборе первого микрофонного или Jack-кабеля, наверное, каждый задавался вопросом: какой выбрать, балансный или небалансный, и в чем отличие? Начинающему музыканту не всегда понятна разница, принцип работы и преимущества того или иного кабеля. Попытаемся разобраться в этом вопросе и осветить тему максимально доступно и всесторонне.

Балансные и небалансные кабели отличаются строением. Но как распознать их, не вскрывая кабель? Если вы посмотрите на гитарный кабель с разъемом jack, то на штекере небалансного кабеля вы увидите кольцо, которое делит его на две секции, соответствующие двум проводам внутри.Балансный же гитарный кабель имеет дополнительное кольцо и соответственно три секции на штекере и три провода внутри.

В чем же принципиальное отличие в передаче сигнала?

Немного о разъемах

На концах балансного аналогового кабеля можно найти один из трёх разъемов:

• XLR-“папа” (3 штыря) подключается к входу оборудования.

• XLR-“мама” (3 гнезда) подключается к выходу оборудования и микрофону.

• TRS (кончик, кольцо и гильза) подключается ко входу и выходу.

Каждый из разъемов имеет 3 точки контакта, которые передают сигналы с трёх проводов (плюс, минус и земля).

Небалансный кабель обычно имеет TS-коннектор, имеющий только две точки контакта и встречающийся на инструментальных/гитарных кабелях.

Балансная схема TRS:

• Кончик — плюсовой сигнал

• Кольцо — минусовой сигнал

• Гильза — заземление

Небалансная схема TS:

• Кончик — плюсовой сигнал

• Гильза — заземление

RCA (называемый также композитный, «тюльпан» и т.д.) кабель применяется для несимметричной передачи аналоговых сигналов линейного уровня, в основном от различных записывающих устройств.

Тестовые стенды

Для того чтобы проверить все наблюдения и теоретические выкладки на практике я отправился в шоурум Schiit Audio, где есть возможность послушать балансные устройства различного класса как с наушниками, так и с акустикой. Последнее было необходимым условием для выяснения, какой же способ подключения наушников дает звучание, наиболее близкое к тому, что мы слышим при прослушивании стереосистемы. Из имеющегося набора аппаратуры я выбрал усилитель Schiit Audio Jotunheim со встроеным ЦАПом и связку из ЦАПа Schiit Audio Yggdrasil и усилителя Schiit Audio Ragnarok, работающую как с наушниками, так и с акустикой Sonus Faber Olympica III. В роли проигрывателя и источника контента выступил мой ноутбук с Windows 10 и приложением Foobar2000.

В рамках одного производителя выстроить балансный тракт проще всего

Наушники ОРРО РМ-1 подключались фирменными кабелями — балансным и небалансным. Внешне они идентичны и отличаются только разъемом подключения к усилителю: привычный трехконтактный jack у небалансного и четырехконтактный XLR у балансного кабеля.

Балансный кабель

Балансные кабели позволяют организовывать длинные пролёты с минимальным количеством наводок. Внутри такого кабеля три провода, один из которых земля. Два других провода(плюс, именуемый «Positive» и минус, именуемый «Negative») – это копии одного и того же сигнала.

На входе сигнал разделяется и копируется в два провода, при этом в одном из проводов сигнала идёт в перевёрнутой фазе. Получается, что один и тот же сигнал идёт параллельно по двум проводом в противофазе. Как только сигнал доходит до конца кабеля, фаза одного из проводов снова переворачивается, и сигналы соединяются в одной фазе, поступая на оборудование, которое будет с этим сигналом в дальнейшем работать. Зачем нужно переворачивать фразу? Идея, на самом деле, гениальная. Два сигнала идут в кабеле в противоположной фазе. Они оба подвержены внешним помехам: радиосигналам,различным наводкам и т.д. Когда повторно фаза сигнала переворачивается, результирующий сигнал получается одной фазы, а шумы обоих сигналов находятся в этот момент в противофазе и поэтому полностью гасят друг друга, шум исчезает.

Балансные кабели можно использовать для создания длинных пролётов по 50-60 м, при этом он практически не подвержен наводкам, однако стоит помнить, что длинный кабель сам способен «съедать» сигнал, особенно верхние частоты, что связано с его емкостью.

Что касается экранирования, то балансные кабели имеют экранирующую оплетку, как и балансные, а также дополнительный защитный слой фольги.

Экранирование позволяет защитить аудиосигнал от шумовых помех, которые бывают двух видов: радиочастотные помехи (RFI) и электромагнитные помехи (EMI). Их легко различить на слух: если шум состоит из высоких частот, то это радиочастотные помехи, если слышите низкочастотный гул, то это электромагнитные помехи.

Основные типы экранирования представлены в таблице

Сравнение с небалансным подключением[править | править код]

В сравнении с небалансным подключением балансное имеет два основных преимущества, обусловленные его техническими особенностями.

Первое преимущество — возможность передавать аналоговый сигнал без существенных искажений на значительно бо́льшие расстояния. Это, прежде всего, обусловлено в два раза большей разностью потенциалов между прямым и инверсным сигналом балансной линии в сравнении с разностью потенциалов между землёй и единственным сигналом небалансной линии. Если небалансное подключение позволяет получать чистый аналоговый сигнал без существенных искажений на расстояниях, на практике не превышающих 15—20 м, то при балансном подключении фактическая длина аналоговой линии может достигать 200 м и более.

Вторая особенность, тесно связанная с первой — лучшая в сравнении с небалансным подключением помехоустойчивость, которая достигается рядом факторов:

• передача полезной информации дифференциальным (противофазным) сигналом позволяет подавлять синфазные помехи, вызванные внешними наводками;
• наличие третьего проводника (земли) позволяет контролировать разницу между прямым и инверсным сигналом, детектировать помехи, возникающие в одной из двух информационных линий и различными способами снижать их влияние на полезный сигнал, например, за счёт усреднения прямого и инверсного принимаемых сигналов;
• бо́льшая разность потенциалов между прямым и инверсным дифференциальными проводниками в сравнении с разностью потенциалов между землёй и единственным сигналом небалансной линии позволяет получать более устойчивый к затуханию аналоговый сигнал с бо́льшим соотношением сигнал-шум.

Эти и другие особенности балансного подключения обусловили его применение в профессиональной аудиоаппаратуре. Применение балансного и небалансного подключений обычно разделяется следующим образом: небалансное подключение при межблочных соединениях в пределах одной стойки аудиоаппаратуры, а балансное соединение — для передачи на большие расстояния, например, от звукорежиссёрского пульта к усилителям мониторных громкоговорителей. Актуальность использования балансных линий очевидна в концертном оборудовании, специфика которого подразумевает достаточно длинные аудиолинии, проложенные в агрессивной, полной помех среде.

К недостаткам балансного подключения можно отнести использование дополнительного проводника и более сложную реализации принимающей и передающей аппаратуры.

Полная симметрия

А теперь предлагаю заглянуть внутрь балансного устройства. В качестве испытуемого возьмем уже знакомый нам Schiit Audio Jotunheim, который является полностью балансным предварительным усилителем, балансным усилителем мощности и имеет дополнительные модули в виде балансных ЦАПа и фонокорректора. Таким образом, мы можем наблюдать все возможные варианты балансного тракта.

Начнем с простого. Подключение к балансному усилителю происходит при помощи трехконтактных входов и выходов на разъемах XLR. Схема балансного соединения подразумевает наличие трех сигнальных проводников: «плюс», «минус» и «земля» (расположена посередине). Фактически мы видим удвоенную небалансную схемотехнику.

Как видите — у левого и правого каналов в балансном включении мало общего, а при небалансном они были бы связаны «земляным» проводом

В небалансной схеме полезный сигнал проходит между «плюсом» и «землей», а в балансном появляется еще одна сигнальная линия между «минусом» и «землей» —зеркальное отражение «плюсового» сигнала. Таким образом, удваивается амплитуда сигнала. Однако главный положительный эффект возникает благодаря тому, что различного рода помехи, проникающие в звуковой тракт извне, являются однополярными. Поэтому когда помеха приходит на «плюсовое» плечо в фазе, то в «минусовом» плече она оказывается в противофазе, и в итоге мы получаем взаимное погашение.

Вся суть балансной схемотехники: ведем параллельно положительные и отрицательные ветви сигнала и полностью устраняем все помехи при сложении сигналов на выходе

С точки зрения схемотехники один канал в балансном усилителе по сути своей представляет два обычных небалансных канала. Вместо одного транзистора или операционного усилителя, работающего между «плюсом» и «землей», используются симметричные пары транзисторов или операционных усилителей, один из которых работает в «плюсовом», другой в «минусовом» плече, а земля является средней точкой между ними. Условно говоря, мы можем взять один стереофонический усилитель и сделать из него монофонический балансный, усиливая «минусовое» плечо, скажем, левым каналом и «плюсовое» правым.

В цифровой балансной схеме используются два ЦАПа, оба канала одного заняты левым, а другого — правым каналом

Соответственно, заглянув внутрь балансного устройства, мы увидим два звуковых тракта с симметричным расположением элементов. Важный момент: в балансной схеме каждый канал имеет свою «землю», которая не связана с «землей» другого канала, в то время как в небалансной схеме «земля» общая и очень часто усиление обоих каналов происходит в одной микросхеме или одной лампе.

Как сделать балансные наушники из обычных

Существует 2 факта о балансных наушниках:

1. Обычные наушники, которые можно купить в любом маркете аудиоаппаратуры, можно легко превратить в балансовые. Даже если производитель заявил, что выпущенные им наушники не являются балансными, они становятся такими при присоединении хорошего кабеля другого изготовителя. Это относится к внутриканальным наушникам либо оснащенным Y-образным подключением провода – здесь канальные динамики не стянуты «минусовым» проводом.
2. Аудиовыход балансного усилителя и аналогичный кабель обладают 4-мя контактами. Каналы не сочленены общими проводами. Массу примеров можно найти среди обзоров оборудования High-End, китайского Hi-Fi.

Плеер с балансным выходом требует подключения наушников аналогичного типа, с которыми в комплекте обычно идут 2 кабеля. При подключении к нему простейших наушников звук может обернуться монофоническим, однако если некачественно сделана распайка. Производители пока не нашли универсальный вариант распиновки балансового выхода, поэтому, например, к плееру могут не подойти балансные наушники. Кроме этого, выход плеера может рассчитываться на «джек» в 2,5 мм, а наушники могут иметь «jack» в 3,5 мм.

При подключении Hi-Fi-оборудования и студийной аппаратуры используется симметричная передача аудиосигнала и интерфейс, защищенный от помех. Такое подключение требует использования кабелей trs или xlr, оснащенными по 3 токопроводящих кабеля для каждого канала. Для балансного подключения применяется по 2 провода на каждый канал.

разъёмы «джек» (TRS, TRRS)

Балансовые кабели для наушников оснащены 4-мя контактами каждый. Это позволяет присоединять один наушник к выходу балансного усилителя независимо от другого наушника. При индивидуальном подключении наушников правого и левого каналов оборудование становится балансным, однако необходимо использовать специальный кабель. На вход усилителя можно подавать балансный и несимметричный сигнал.

Для балансового подключения наушников необходимы:

• наушники с раздельным подключением каналов;
• провод балансный, оборудованный специальными разъемами;
• усилитель балансовый;
• если усилитель оснащен специальными входами, можно добавить балансный источник.

Во время аудиозаписи через микрофон не обойтись без наушников – они позволяют контролировать весь процесс. Подавляющее большинство звуковых карт оснащено специальным разъемом или несколькими разъемами для наушников. Подключение к аудиоинтерфейсу не составляет труда – следует состыковать наушники с оборудованием через гнездо формата jack 6,3. Если в наушниках нет такого штекера, можно использовать переходник.

Похожие записи:

Как выставить зажигание с помощью стробоскопа? Сигнализация действия защиты и автоматики Подключение потолочного светильника со светодиодами Маркировка smd компонентов: кодовые обозначения Как сделать веб-приложение для вашего собственного bluetooth low energy девайса? Как подключить усилитель в машине