Окт 082017
 

Балансные линейные передатчик и приемник аудиосигнала

Балансные драйвер и приемник линии — I

Род Эллиотт (ESP)
(Проект № 51)

Введение

Иногда бывает так, что просто невозможно избавиться от гула с частотой сети, что бы ни делали. Серьезной проблемой могут стать земляные петли, особенно при длинных межблочных соединениях (например, сабвуфера с блоком питания). По этой причине практически все профессиональное оборудование использует балансные линии, которые, если их правильно выполнить, полностью устраняют этот гул.

С помощью данного простого проекта вы тоже сможете получить балансные линии, просто преобразуя несимметричные входы и выходы вашего Hi-Fi устройства в балансные, а затем обратно в небалансные на другом конце. Вы даже сможете схитрить и подключить к сигнальным кабелям удаленный источник питания. Профессионально это называется «Фантомным питанием» и используется для питания микрофонов и другого низковольтного оборудования. Показанная в данной статье версия на самом деле обеспечивает дифференциальное питание. Хотя она и не столь же хороша, как настоящая схема фантомного питания +48 В, но она работает и представляет собой интересный эксперимент (если не что-то иное).

Обратите внимание, что балансные межблочные соединения не звучат «лучше» традиционных небалансных соединений, если только шум не является проблемой, решаемой с помощью балансных линий. Балансные соединения полезны между отдельными блоками (например, предусилителем и усилителем мощности), если слышен гул. Однако, если гула нет, то пользы от них не будет. Нет необходимости использовать балансные соединения от источников плавающего сигнала, таких как микрофоны, однако, это обычная практика, потому что эти источники традиционно балансны, независимо от того, нужно это вам или нет.

Описание

Прежде чем мы начнем, кратко опишем стандартную (небалансную) и балансную линии. Небалансная линия — это та, которую вы применяете на Hi-Fi, используя обычно RCA-разъем и подавая сигнал через коаксиальный кабель. Внутренняя жила передает сигнал, а внешняя оплетка является экраном, предотвращающим попадание радиочастотных помех и общего сетевого фона на сигнальный провод.

Это всё прекрасно, за исключением одной маленькой детали — экран также должен проводить сигнал! Он обеспечивает обратный путь для тока, необходимый во всех электрических соединениях — в противном случае ток отсутствует и система, вероятно, будет просто мягко (или громко) гудеть без какого-либо полезного сигнала.

Проблема с электрическим током (так же, как и с водой и с большинством людей) заключается в том, что он всегда течет по пути наименьшего сопротивления, поэтому при соединении двух частей оборудования, скорее всего, будут слышны сигнал плюс шум из-за неправильно выполненной цепи заземления. Такое происходит, когда обе части, кроме соединения с сетевой землей, имеют также и свои заземленные (с нулевым напряжением) точки, соединенные через экраны сигнальных проводов.

В некоторых случаях можно отключить заземление на одном конце кабеля, а некоторые отключают также и заземление (безопасность!). Оба приема обеспечивают одинаковый результат, но отключение сетевого заземления чрезвычайно опасно. К сожалению, результат не всегда получается тот, на который можно было бы надеяться. ВЧ-помехи могут стать намного сильнее, а кроме них начинают проявляться и другие шумы, ранее отсутствовавшие.

Напротив, балансное соединение использует для сигнала два провода (подобно телефонной схеме), передающих сигналы, равные в каждом проводе по амплитуде, но противоположные по фазе. Удаленный балансный приемник воспринимает только сигнал с противоположными фазами, а любой сигнал, совпадающий по фазе (синфазный), подавляется. ВЧ-помехи и другие шумы будут одинаково восприняты обоими проводами кабеля и поэтому будут в совпадающей фазе (синфазны). Поэтому они будут подавлены приемником. Таким образом, можно иметь длинные межблочные соединения, причем экран заземлен только с одного конца. Это сокращает контур заземления, а балансное соединение гарантирует, что к усилителю (-ам) передается только необходимый сигнал.

Очень важно, чтобы два сигнальных провода были скручены вместе и чем чаще шаг скрутки, тем лучше. Экран защищает от излишнего влияния радиочастотных и других помех и конечный сигнал должен быть свободным от шума и гула. Экран выполняет ту же функцию, что и в несимметричной схеме, но там менее эффективен из-за того, что обычно служит в качестве возвратного пути сигнала, из-за чего любой сигнал помехи становится частью полезного сигнала.

Идея этого проекта состоит в том, чтобы предложить несколько вариантов и помочь в создании окончательного решения. Его нельзя рассматривать, как полное и окончательное решение само по себе. Есть много переменных факторов — слишком много, чтобы можно было с полной уверенностью сказать, что это СМОЖЕТ предотвратить гул и все другие помехи. Возможно, но вполне вероятно, что для получения желаемых результатов потребуются некоторые эксперименты.

Обратите внимание, что для передатчика и приемника важно использовать резисторы с точностью 1% (или даже лучше). Если для подстройки точного коэффициента усиления вы используете подстроечный резистор, то можно использовать резисторы даже с 5% точностью и тогда вы сможете отрегулировать схему для получения максимального подавления синфазной составляющей, однако, я всё-таки рекомендую использовать 1% металлопленочные резисторы. За небольшую дополнительную плату вы получаете гораздо более высокую стабильность и низкий уровень шума.

Балансный линейный передатчик
Рис. 1-1 Балансный линейный передатчик

Передатчик использует сдвоенный операционный усилитель, один из которых служит для буферизации сигнала, а другой — для буферизации и инвертирования. За счет этого создается балансный выходной сигнал, т.е. когда на одном выходе сигнал отклоняется в положительную сторону, то на другом он отклоняется на точно такую же величину в отрицательную сторону. Резисторы на 220 Ом на выходе обеспечивают стабильность с любой нагрузкой, а также используются для небольшого ослабления сигнала. Размах выходного сигнала от передатчика (по обоим проводам) составляет удвоенное напряжение входного сигнала.

Балансный линейный приемник
Рис. 1-2 Балансный линейный приемник

Приемник содержит дополнительный резистор (R0) на 3,3 кОм между входами, чтобы помочь сбалансировать входной сигнал вследствие незначительной неодинаковости сопротивлений между отдельными жилами кабеля. Конденсатор на 220 пФ предназначен для высокочастотной фильтрации и ослабления любых высокочастотных наводок на проводники кабеля. Любой синфазный сигнал, поступающий с обоих проводов на приемник, представляет собой сигнал одинаковой полярности; при этом шум обычно подавляется и остается только полезный сигнал.

Остальная часть схемы представляет собой традиционный балансный входной каскад. Эта конкретная конфигурация известна, в частности, тем, что относительно земли имеет неравные входные импедансы. Резистор на 3,3 кОм устраняет этот разбаланс (во всяком случае, уменьшает), а конденсатор на 220 пФ помогает на более высоких частотах. Можно было бы использовать и более сложную схему (известную как измерительный усилитель), но для этого потребовалось бы три операционных усилителя и для данной задачи она обеспечила бы несколько реальных преимуществ. Однако, что интересно и, возможно, неожиданно, но неравные импедансы не создают проблем в 99% случаев.

При выбранном значении конденсатора затухание сигнала составляет около 0,2 дБ на частоте 20 кГц. Если вам не нравится эта идея — уменьшите его номинал до 100 пФ. Так как 0,2 дБ обычно на слух незаметны, это кажется незначительной потерей, особенно, если схема используется, например, для сабвуфера с самостоятельным питанием. В этом случае даже есть положительный момент: если увеличить номинал до 10 нФ, это снизит полосу частот передаваемого сигнала до 1,9 кГц по уровню минус 3 дБ.

При показанных на схеме номиналах есть очень небольшой общий коэффициент усиления (передатчик + приемник), составляющий чуть менее 1,3 дБ. Это вряд ли будет проблемой. Схема предназначена для подачи максимального уровня сигнала на балансный кабель, а любое его ослабление должно осуществляться в приемнике. Такой прием снизит любой шум в полезной полосе частот. Если вам нужно изменить коэффициент усиления, необходимо одновременно изменить номиналы обоих резисторов R10 и R11 — они должны быть строго одинаковыми. Например, увеличение обоих до 15 кОм обеспечит общий коэффициент усиления 4,8 дБ, а уменьшение до 4,7 кОм даст общее усиление около минус 5,3 дБ.

Можно также обеспечить максимально возможное подавление синфазной составляющей за счет замены R10 подстроечным резистором. Я предлагаю использовать постоянный резистор на 8,2 кОм с последовательно включенным многооборотным подстроечным резистором на 5 кОм. Чтобы сбалансировать схему, вы просто применяете генератор и милливольтметр (или всего лишь батарейку АА и мультиметр, потому что приведенная схема работает по постоянному току). Когда она будет идеально сбалансирована, то напряжение на её выходе будет равно нулю (как по постоянному току, так и по переменному). Возможно, вы захотите еще больше ограничить диапазон изменения сопротивления подстроечного резистора, поскольку он очень чувствителен. С резисторами на 10 кОм, как показано, легко измеримо изменение сопротивления всего на 10 Ом. Подавление синфазной составляющей будет составлять около минус 68 дБ при неравенстве сопротивлений резисторов всего 10 Ом. Резисторы с точностью 1% могут иметь несовпадение номиналов до 100 Ом, поэтому очевидно, что сопротивление резистора является критичным фактором.

Если параллельно резистору R10 поставить резистор на 390 кОм, то тогда их общее сопротивление будет составлять 9,75 кОм и последовательно можно будет использовать многооборотный подстроечный резистор на 500 Ом. Суммарное изменение сопротивления теперь уменьшено до ± 250 Ом (± 2,5%), поэтому вы должны использовать 1% резисторы и предпочтительно согласовать их сопротивление с помощью мультиметра. Схема по-прежнему будет чувствительна и немного сложновата в настройке, но вы легко сможете получить коэффициент подавления синфазной составляющей до 80 дБ.

Соедините оба сигнальных входа вместе и подключите между ними и землей аккумулятор или аудиосигнал. Вращением оси подстроечного резистора добейтесь 0 В на выходе — сигнал синфазной составляющей теперь полностью подавлен. Как правило, без подстройки, как описано выше, эта схема обеспечит подавление синфазной составляющей около 40 дБ, но подстройка позволит вам значительно улучшить это значение. Теоретически подавление синфазной составляющей может быть бесконечным, но если сопротивления сбалансированы в пределах ± 1 Ом, можно ожидать 80 дБ или даже более. Я тестировал и проверял это с помощью операционного усилителя NE5532, и получал коэффициент подавления синфазной составляющей лучше 80 дБ, хотя и очень критично в настройке.

Хотя эта пара передатчиков и приемников, вероятно, позволит использовать неэкранированные межблочные соединения, я этого делать не рекомендую. Используйте высококачественный экранированный двойной микрофонный кабель. Обычно заземление экрана должно выполняться на конце приемника, но в некоторых случаях вы можете обнаружить, что подавление шума лучше, если заземлен конец передатчика. Необходимо экспериментирование и нередко будут заземлены оба конца. Есть один, нередко хорошо работающий, трюк — это подключить «плавающий» конец экрана к земле с помощью многослойного керамического конденсатора на 100 пФ.

Дифференциальное питание (для экспериментатора)

Этот блок можно использовать с сигнальными проводниками, по которым также передается и питание для приемника. Мы можем использовать обычное фантомное питание (с использованием источника 48 В), но легче применить дифференциальное питание с напряжениями на сигнальных проводах + Ve и – Ve. Основная схема показана на Рис. 1-3. Она может пригодиться для снижения подавления синфазной составляющей и очень важно, чтобы источник питания было полностью бесшумным, иначе оно станет частью сигнала! При апробации этого метода используйте опцию подстройки, чтобы можно было обслуживать резисторы, через которые на сигнальные проводники поступает питание. Балансировка с помощью батареи будет невозможной и потребуется использовать генератор сигналов — с разделительными конденсаторами по каждой сигнальной линии.

В этой конфигурации резистор R0 должен быть удален. Я настоятельно рекомендую, чтобы выходной соединительный конденсатор использовался с выхода Out приемника, так как вполне вероятно, что из-за токов утечки конденсатора произойдет некоторое смещение потенциала постоянного тока.

Дифференциальное питание
Рис. 1-3 Дифференциальное питание

Эта технология уменьшает напряжение на операционном усилителе приемника, а также уменьшает максимальный уровень сигнала. Определить точные потери мощности и максимальный уровень сигнала вы сможете, только экспериментируя. Те тесты, которые я провел, показывают, что не следует ожидать больше, чем около 1 В RMS, но вы можете получить и больше, в зависимости от типа операционного усилителя, используемого в приемнике. Резисторы питания также нагружают передатчик и несколько уменьшают его выходную мощность. Для управления схемой из-за низкоимпедансной нагрузки вам придется использовать операционные усилители NE5532 или OPA2134. Каждый операционный усилитель передатчика имеет эффективную нагрузку менее 750 Ом.

Возможно, вы захотите также поэкспериментировать с маломощным операционным усилителем в качестве приемника, поскольку это позволит обеспечить более высокое напряжение питания и большую амплитуду сигнала до уровня возникновения искажений. Как показано на схеме, выходное напряжение предполагает нагрузку 3 мА. Я настоятельно рекомендую не использовать TL072 для приемника, поскольку они не любят низкого напряжения и источник может легко перегрузить входы. Все операционные усилители серии TL0xx имеют инверсию выходной полярности, если превышен предел синфазного напряжения.

Обратите внимание, что значение номиналов резисторов 1,5 кОм столь же критично, как и в обвязке операционных усилителей. Они должны иметь точность 0,1% или даже лучше, иначе подавление синфазной составляющей будет скомпрометировано.

В этой конфигурации экран должен быть подключен с каждого конца, но один его конец может быть заземлен с использованием резистора 10 Ом, который следует шунтировать конденсатором 100 нФ. Опять же, необходимо провести эксперименты, чтобы определить, какой конец должен иметь «твердую» землю. Убедитесь, что разъемы поляризованы так, чтобы питание невозможно было подключить неправильно. При необходимости, для обеспечения защиты от обратной полярности, могут быть добавлены диоды. Они должны стоять параллельно конденсаторам фильтров приемника (C + Ve и C – Ve), поскольку последовательное соединение еще больше уменьшит напряжение (и так не очень большое с самого начала, поэтому его дальнейшее снижение было бы нецелесообразным).

Общая АЧХ дифференциального питания и обеих схем
Рис. 1-4 Общая АЧХ дифференциального питания и обеих схем

На графике АЧХ показан измеренный частотный отклик дифференциальной линии с балансным линейным драйвером (Рис. 1-1) и приемником (Рис. 1-2). Отклонение сигнала составляет минус 1 дБ на частотах 10 Гц и 30 кГц, что весьма неплохо, учитывая общую простоту схем.

Я бы предполагал, что наиболее вероятным применением этой схемы будет использование её для удаленного сабвуфера, в котором может быть очень неудобно располагать дополнительный источник питания. Я не могу сказать, что полностью доволен её конструкцией, но она действительно работает. Фантомное питание на +48 В было бы лучше, но вряд ли слишком многие конструкторы захотят этим заморачиваться.

Использование многожильного кабеля и подходящих разъемов позволит вам подавать электропитание на отдельные провода в кабеле, а дополнительная стоимость кабеля и разъемов, скорее всего, будет компенсирована более простой схемой и лучшими характеристиками. Однако, это может быть не всегда возможно, следовательно, остается дифференциальное питание. Обратите внимание, что это не то же самое, что и фантомное питание и его нельзя использовать при попытке подключить фантомные микрофоны.

Балансные передатчик и приемник — II

Род Эллиотт (ESP) / Уве Бейс

Обновлено 01 апреля 2002 г.

(Проект № 87)

Введение

Данная статья является, в сущности, обновлением статьи, приведенной выше, по этому вопросу и включает в себя некоторые идеи с целью стимулирования дальнейших мыслей в данном направлении. Это особенно касается последнего подраздела («Hey! That’s Cheating») — все жаждут, чтобы балансные выходы были бесплатными и вы можете сделать это (ну, в любом случае, достаточно близко приблизиться к низкой стоимости).

Балансный передатчик и приемник, описанные в Проекте 51, работают очень хорошо, но в сложных условиях они оба недостаточно оптимальны. Уве написал статью (опубликованную на Audio Pages), в которой описывается активный балансный передатчик, имеющий параметры, почти равные трансформатору. Существуют интегральные микросхемы, которые делают (почти) то же самое, по принципу обратной связи для выравнивания уровней от каждого операционного усилителя передатчика.

Несмотря на то, что Уве пошел на существенные усложнения, чтобы его схема максимально соответствовала трансформатору, она недостаточно проста, чтобы хорошо работать и, кроме того, требует резисторов 0,1% точности и широкополосных операционных усилителей.

Загляните на сайт ESP в «методику упрощения», которую я стараюсь использовать везде, где могу. В результате получается передатчик (в частности), который очень хорош и вполне приемлемо соответствует параметрам трансформатора. Он не идеален, но стабилен и не требует никаких корректировок или точного подбора компонентов (резисторы с точностью 1% обеспечат погрешность отклонений и баланса в стандартном режиме максимум 1/100 или 40 дБ).

Использование резисторов с более точным допуском сопротивления и хороших или даже высокоточных операционных усилителей даст схему с отличными параметрами, которая будет очень близка к схеме симметричного трансформатора, но без его соответствующей цены. АЧХ выходного сигнала плоская, по крайней мере, до 50 кГц, распространяющаяся в диапазоне низких частот до постоянного тока (как показано). Если необходимо, для ограничения низкочастотного диапазона могут быть использованы конденсаторы.

P87A — приемник Mk II

Схема приемника приведена на Рис. 2-1 и, как показано, не имеет никакой защиты от радиочастотных помех. Эта конфигурация несколько лучше, чем показанная в оригинальной статье (выше) и обеспечивает точно равное полное сопротивление каждой из балансных линий в кабеле. Это относится также и к оригинальной версии, но лишь в том случае, если источник сигнала также балансный.

Активный балансный приемник
Рис. 2-1 Активный балансный приемник

Резистор с маркировкой «*» (R7) может быть исключен, тогда схема будет иметь коэффициент усиления, равный 2. Установка этого резистора увеличит коэффициент усиления, но не повлияет на входные импедансы или характеристики баланса. Минимальный коэффициент усиления для этой схемы равен 1,5 (если R6 и R7 исключены) и увеличивается до 2 при установке R6. Если R6 убрать, то резистор R7 настройки усиления по-прежнему работает, причем, с номиналом 10 кОм обеспечивает коэффициент усиления 3,5, а с номиналом 1 кОм — 21 (26 дБ).

ЦоколевкаПоказана стандартная цоколевка сдвоенного операционного усилителя (вид сверху). Всегда следует использовать шунтирующий конденсатор (обычно керамический или полиэфирный на 100 нФ), установленный между выводами 4 и 8, как можно ближе к каждой корпусу операционных усилителей. Рекомендуется всегда ставить шунтирующий конденсатор для предотвращения возможного высокочастотного самовозбуждения даже при использовании «медленных» операционных усилителей. На всех приведенных схемах показаны сдвоенные операционные усилители. На вывод 4 подается напряжение питания отрицательной полярности, на вывод 8 — положительной. Напряжение питания должно быть между ±9 В и ±15 В, хотя некоторые операционные усилители могут удовлетворительно работать при напряжении питания до ±5 В.

Точно такую же схему, как показанную в исходном проекте, можно использовать и для входов данной версии. Одно из возможных соединений показано на Рис. 2-2. Оно практически идентично конфигурации, приведенной в Проекте 51, и обеспечит очень высокий уровень шумоподавления.

Цепь дополнительного входного фильтра для приемника
Рис. 2-2 Цепь дополнительного входного фильтра для приемника

Все еще остаются необходимыми резисторы на 10 кОм (R1 и R2) на землю; эта цепь уменьшит коэффициент усиления чуть более, чем на 7 дБ. Для меньшего затухания используйте резисторы меньшего значения, но помните, что по мере уменьшения ослабления, уменьшается также и помехоустойчивость. Самым низким номиналом резисторов, которое я бы рекомендовал, будет 1 кОм, они вызовут минимальное ослабление (около 1,6 дБ). C1 может быть увеличен, если это необходимо, но если его номинал будет слишком высоким, это может вызвать снижение полосы частот источника сигнала.

Обратите внимание, что эта цепь не входит в состав печатной платы, потому что, если она будет использоваться, то ее следует установить непосредственно на разъем XLR. В идеале, если ожидается очень шумная среда, разъем XLR и фильтры будут в защищенном корпусе.

Передатчик Mk II (Идеальная версия)

Этот передатчик намного сложнее, чем версия Проекта 51, но это цена, которую вы платите за более высокие параметры. Вход небалансный и имеет входное сопротивление, равное 11 кОм. Он должен быть подключен к источнику с низким импедансом (например, выходу операционного усилителя), или же параметры ухудшатся.

При показанных на схеме номиналах компонентов коэффициент усиления равен 6 дБ при измерении от входа до между выходами + Out и – Out. В этой версии резисторы R13 и R14 не являются абсолютно необходимыми, но желательными. Они обеспечивают баланс выходной цепи и предотвращают возможность «запирания», когда выходы застревают на потенциалах питающих напряжений. При показанных номиналах такая ситуация весьма маловероятна, но предосторожность стоит очень незначительных усилий.

Активный балансный передатчик
Рис. 2-3 Активный балансный передатчик

Если какой-либо из выходов будет закорочен на землю при подключении к несимметричному входу, выходное напряжение станет всего на 0,4 дБ меньше, чем при работе в полностью балансном режиме. При заземлении одного из выходов исключается обратная связь к другому операционному усилителю, поэтому он обеспечивает (почти) полный размах, доступный обычно между выходами обоих операционных усилителей. Так работает трансформатор (без отвода от средней точки), поэтому поведение этой схемы намного ближе к характеристике трансформатора, чем «стандартная» балансная выходная схема.

Стоит отметить, что я видел вариант схемы по Рис. 2-3 (применявшийся в коммерческом продукте), без входного инвертора. Это приводит к тому, что на выходе выходной сигнал имел значительную синфазную составляющую (по фазе) и, фактически, это резко портит ее характеристики. Я понятия не имею, почему кто-то посчитал, что удастся избежать упрощения и как это было пропущено во время тестирования. Входной инвертор (U1A) абсолютно необходим, в противном случае схема хуже, чем бесполезна… в буквальном смысле.

1 апреля 2002 г. — Я протестировал приведенную выше схему с использованием сдвоенных операционных усилителей 1458 и 5% резисторов. Если схема собрана верно и не демонстрирует вредных привычек с самыми обычными операционными усилителями (в основном, сдвоенными 741) и обычными углеродными резисторами, то я точно знаю, что она будет работать при использовании лучших компонентов (см. Примечание ниже). Действительно, моя тестовая версия стабильна и на удивление точна, несмотря на низкие параметры деталей, используемых для проверки её работы. Поскольку перекрещенные обратные связи меньше оптимального значения (в силу того, что R7 и R9 в 1,2 раза превышают «правильное» значение, то есть, 39 кОм, а не 33 кОм), общая стабильность и частотная характеристика намного меньше зависят от значений компонентов и качества операционных усилителей. Я смог проверить, что даже с использованием операционных усилителей типа 741, спад АЧХ составил меньше 1 дБ на частоте 75 кГц.

Хотя приведенная выше схема работает точно так, как описано, в общем случае ее нельзя рекомендовать для нормального использования. С высокоскоростными операционными усилителями схема может (и, скорее всего, будет) самовозбуждаться, особенно при емкостной нагрузке (например, кабель), подключенной к выходам. Хотя она и была использована на коммерческой основе, результаты часто были менее успешными и эту схему используют лишь немногие коммерческие продукты. Как отмечено выше, по крайней мере одно коммерческое устройство применило только часть этой схемы, что делает ее в лучшем случае бесполезной.

Хотя это очень интересная схема, в действительности она даже близко не может эмулировать трансформатор, как это можно было бы себе представить. Версия балансного передатчика на печатной плате эту схему не использует по той простой причине, что не гарантируется стабильность. Кроме того, баланс импеданса чувствителен к точности компонентов, а баланс импеданса гораздо более важен, чем баланс сигналов.

Итак, если эта «идеализированная» схема настолько хороша (по крайней мере, теоретически), почему ее не используют более широко? Секретное слово здесь «теория». Хотя схема, безусловно, довольно хорошо себя ведет (как подтверждают мои тесты), она относительно сложна и, все-таки, не обеспечивает гальванической изоляции. Её единственным реальным преимуществом является то, что не меняется уровень сигнала при подключении к небалансному входу, но это всего лишь минимальное реальное преимущество. Она будет эмулировать трансформатор, если выходной импеданс будет фактически бесконечным для одного или другого выхода (относительно земли), но это не тот случай.

Следовательно, у вас есть значительное количество прецизионных резисторов, которые на самом деле не создадут схему, в любом случае правильно эмулирующую трансформатор. Это означает, что главная причина, по которой вы создали схему, не достигнута, поэтому нет оснований для ее сохранения. Если вам нужна гальваническая изоляция — вам нужен трансформатор, и никаких иных способов не существует. Следовательно, P87B (показано далее) является «традиционной» схемой.

P87B — Версия для печатных плат

Ниже приведена принципиальная схема версии для печатной платы. Попыток эмулировать трансформатор нет, потому что схема, показанная на Рис. 2-3, просто недостаточно стабильна с обычными кабелями (которые представляют собой емкостную нагрузку) и слишком сложна для использования.

PCB версия активного балансного передатчика
Рис. 2-3A PCB версия активного балансного передатчика

Как можно видеть, эта схема гораздо прямолинейнее, чем «идеализированная» версия, показанная на Рис. 2-3. Показан только один канал, второй использует вторую половину каждого сдвоенного операционного усилителя. Хотя эту схему можно рассматривать, как довольно серьезный компромисс, она соответствует почти всем коммерческим продуктам, предлагающим балансный линейный выход. Она также имеет то преимущество, что идеально подходит в качестве адаптера мостового усилителя мощности.

Советы по изготовлению

Для схем передатчика и приемника требуются точные резисторы с отклонением сопротивления не более 1%, иначе подавление синфазной составляющей будет неприемлемым. Даже с использованием резисторов с 1%-ным допуском наихудшее подавление синфазной составляющей составит всего лишь 40 дБ и, если вы сможете использовать свой мультиметр для подбора резисторов с более близким допуском, это улучшит параметры.

Хотя передатчик и приемник показаны (в основном) с резисторами номиналами 33 кОм и 10 кОм, соответственно, при необходимости они могут быть изменены. Можно использовать любые значения от 10 кОм до 100 кОм, но помните, что более высокие сопротивления резисторов создают больше тепловых шумов. Номиналы R7 и R9 на Рис. 2-3 передатчика примерно в 1,2 раза больше других резисторов — следующее значение вверх в ряду E12. Например, если вы повсюду решили использовать резисторы 22 кОм, то R7 и R9 будут иметь номинал 27 кОм. Также помните, что входной импеданс передатчика составляет 1/3 от используемого значения резистора. Таким образом, резисторы по 10 кОм будут обеспечивать входное сопротивление около 3 кОм.

Как показано на Рис. 2-3A, передатчик имеет входное сопротивление 10 кОм, (R102), но оно при необходимости может быть увеличено.

Обе схемы требуют балансного питания ± 12 В или ± 15 В (Проект 05 или аналогичный источник питания) и он должен быть свободен от шумов. Для некоторых операционных усилителей будут достаточными более низкие напряжения, поэтому проверьте техническое описание на них. Удостоверьтесь, что между шинами питания, как можно ближе к выводам питания операционных усилителей, размещены керамические конденсаторы по 100 нФ. Это особенно важно, если вы используете высокоскоростные операционные усилители.

Естественно, я рекомендую использовать имеющиеся у меня печатные платы (проекты 87A и 87B — см. Прайс-лист ESP). Они полностью протестированы, были успешно повторены многими конструкторами и, как известно, работают точно так, как описано.

Привет! Это жульничество

Наконец, для тех, кто хочет иметь действительно простой и дешевый балансный выход, попробуйте схему, показанную на Рис. 2-4. Теперь взгляните на нее снова — она совсем не балансная… не так ли?

Возможный простейший балансный выход
Рис. 2-4 Возможный простейший балансный выход

Теперь, прежде чем вы все испугаетесь, давайте посмотрим, что происходит. Основной трюк с балансной схемой заключается в том, что приемник должен «видеть» одинаковый импеданс на каждом из входов. На самом деле это не очень важно, если есть сигнал на любом или обоих проводах (действительно, это просто ожидание с нашей стороны), но даже если желаемый сигнал находится только на одном проводе, любой индуцированный шум по-прежнему будет синфазным и будет, по-прежнему, находиться в одной фазе по обоим проводам. Шум подавляется в любом случае, а сигнал усиливается, чего мы того и желаем.

Да, это обман, но он работает. По-видимому, этот трюк используется в некоторых бюджетных концертных микшерах, а также в некоторых очень хорошо известных фантомных микрофонах (хотя, насколько я знаю, они не используют цепь Цобеля R4C1 — она, кстати, необязательна). Сигнал меньшей амплитуды, чем можно было бы ожидать (большинство балансных схем передатчиков имеют эффективный коэффициент усиления + 6 дБ), но это, как правило, не является проблемой. В случае микрофона сигнал такой же, как и в любом случае и с линейным выходом достичь дополнительного усиления 6 дБ обычно не является проблемой. Усилитель, как показано на Рис. 2-4, требует только двух резисторов по 10 кОм в обратной связи (10 кОм от выхода до неинвертирующего входа –Ve (т.е. НЕ вывода –Ve питания) и 10 кОм от неинвертирующего входа –Ve на землю.

В большинстве случаев эта схема будет работать так же хорошо, как и истинная балансная выходная цепь, по той простой причине, что все-таки является истинной балансной схемой. С точки зрения балансной входной схемы (приемника) эта компоновка обеспечивает точно такое же качество сигнала, как если бы схема была полностью (по сигналу) балансной, кроме того, что сигнал имеет размах –6 дБ по сравнению со схемой с действительно балансным выходом, что редко вызывает какие-либо ограничения. Хотя для балансирующей цепи показаны резисторы на 150 Ом, они могут быть изменены, если это необходимо (я предлагаю хотя бы минимум 100 Ом). Обычно я ожидаю, что показанные значения подойдут практически для всех применений (эффективное выходное сопротивление составляет 300 Ом).

В некоторой степени предсказуемо сигнал подается только на один вывод, поэтому нужно правильно подключать кабель, если он поступает на небалансный вход (но это как раз то, что следует рассматривать, как необходимое условие для всех концертных и студийных работ). Резисторы должны быть достаточно большого номинала, чтобы полностью обеспечить выходной импеданс операционного усилителя. Это гарантирует максимально точное совпадение импедансов каждой линии.

Предостережения — выходной импеданс операционного усилителя должен иметь плоскую АЧХ до достаточно высокой частоты, что не часто наблюдается у «дешевых и жизнерадостных» устройств. Я предлагаю использовать высокоточный операционный усилитель для обеспечения низкого выходного импеданса даже на самых высоких частотах. Необязательная цепь Цобеля поможет обеспечить правильную балансировку линии на всех частотах, включая радиочастоты, но не может гарантировать идеальные результаты с помощью любого операционного усилителя. Очень хорошим выбором является освященный временем NE5534 (или сдвоенный NE5532). Эти операционные усилители по-прежнему популярны по очень веской причине — у них отличные характеристики. Здесь столь же важна, как и для любой из более сложных версий, точность номиналов резисторов. Минимально допустимым допуском является 1%.

Во всех симметричных интерфейсах учитывается баланс импеданса. Не существует (и никогда не было) требований к балансу сигнала. Не имеет значения, являются ли уровни сигнала одинаковыми или радикально отличающимися (включая одну линию без сигнала вообще). Напротив, несоответствия импеданса на всего лишь несколько Ом достаточно, чтобы резко снизить коэффициент подавления синфазной составляющей.

Вдохновение

Эта новая проектная статья была вдохновлена Уве Бейсом и на страницах сайта опубликована его статья о (почти) идеальном балансном передатчике. Хотя материал здесь несколько «не соответствует теме» его подхода, вдохновение экспериментировать и попробовать различные методы пришло с его подачи. Я рекомендую прочитать полную статью, так как она очень хорошо объясняет работу балансного передатчика, показанного на Рис. 2-3 и даст вам представление о приверженности некоторых людей (в данном случае, Уве) к продвижению их понимания аналоговой электроники.