что такое балансный вход в усилителе
Есть ли преимущества у балансных усилителей для наушников?
Последнее время в дорогих плеерах и усилителях все чаще можно наблюдать специализированный выход для наушников под названием «балансный», предназначенный для «балансных» наушников. Зачем это нужно и с чем это едят?
Балансным или симметричным принято называть такую схемотехнику (или принцип передачи), при которой один канал передается сразу двумя потоками, где второй поток относительно первого передается в противофазе.
Работники музыкальной индустрии постоянно сталкиваются с коммутацией компонентов балансными кабелями, позволяющей эффективно бороться с помехами и наводками на кабель.
Работает это достаточно просто. Сигнал раздваивают и один из них инвертируют. Наводки и помехи одинаково копятся. В приемнике один из сигналов обратно инвертируют и после складывают. Полезный сигнал складывается и просто увеличивает свою амплитуду вдвое, а помехи взаимовычитаются. Польза при такой передачи данных очевидна — можно использовать кабели большой длины и при даже низком уровне сигнале мы не получаем заметных помех. Балансные кабели широко используются на расстояниях выше 2-5-х метров.
В домашних условиях балансные кабели редко нужны, т.к. на малых расстояниях наводок практически нет, а вот операция разделения, двойного инвертирования и сложения может дать больше искажений от увеличения активных элементов на пути сигнала.
Балансный кабель – это всегда минимум 3 проводника для одного канала (при трех контактах один провод общий).
Название «балансный усилитель» зародилось в мире персонального аудио как попытка продать усилитель в мостовом включении без ассоциации с концертным усилителем (в большинстве своем посредственного качества).
Формально схема усилителя выглядит так:
Визуально видна симметрия сигнала. Отсюда первое красивое «продажное» название «симметричный», а далее подхваченный термин из Про Аудио – балансный. Для технически подкованных людей, это как было, так и осталось – мостовое включение усилителя, когда два усилителя работают на один канал, удваивая напряжение.
Потребность в мостовом включении уходит корнями в особенности работы транзисторов и интегральных микросхем. В старые добрые «ламповые» времена основной проблемой получения высокой мощности был выходной ток – лампа могла выдавать высокое напряжение, но на выходе был сравнительно небольшой ток. Соответственно и сопротивление первых излучателей было высоким для наилучшего согласования. Для низкоомных динамиков требовалось ставить понижающие трансформаторы, преобразуя соотношение напряжения и тока при той же выходной мощности. Для подъема мощности при увеличении выходного тока активно практиковалось и включение нескольких усилителей параллельно. Уровень напряжения оставался прежним, а запас по току был выше.
У транзистора свойства оказались противоположны, уровень тока можно было получить большой, а вот диапазон напряжений (в котором схема работает линейно) ограниченным. Если поднять даташиты на большинство интегральных схем, то можно увидеть, что максимальные уровни напряжения ограничены на 12 или 25 В. Подставляя распространенные сопротивления в виде 4 и 8 Ом автоматически получаются предельные значения мощности усилителя с учетом мощности питания усилителя.
При широко распространенных динамиках в 4 и 8 Ом мощности транзисторных усилителей оказалось достаточно для большинства задач. Особняком выделяется концертная акустика, где требуется повышенная мощность, получить которую можно лишь увеличив напряжение. Чтобы уйти от ограничения в 12/25 В, используется мостовое включение. Знакомые с концертной техникой знают, что обычно доступно два режима у усилителя – стерео и более мощный моно «Brige».
В мостовом режиме усилителя есть свои особенности подключения наушников. При подключении наушников нельзя использовать общий провод от правого и левого каналов и минимальное количество контактов должно быть не менее четырех. Это очень важно, т.к. при подключении к усилителю нельзя использовать обычный кабель с трехконтактным штекером (включая и переходник).
Гнездо балансного усилителя Oppo HA-1
Так как наушники не используют кабели в палец толщиной, то вместо винтовых клемм обычно используют XLR разъемы: четырех контактный (самый распространенный на сегодня) или два трехконтактных. В портативных плеерах Hi-FiMan и Astel&Kern используется четырех контактный штекер (и у каждого производителя своя распайка).
Два трехконтактных балансных разъема у Abyss AB-1266
Так как разъемы провода с разъемами XLR называются «балансными» в Про Аудио, то и неудивительно, что название «балансный усилитель» накрепко утвердилось и в персональном аудио.
Вернемся к усилителям для наушников – зачем же такой режим повышенной мощности нужен?
Громкость
Есть ряд моделей наушников, которым нужен усилитель с высоким выходным напряжением, как у усилителей для колонок. Но усилители для колонок далеко не всегда можно использовать для наушников – с эстетической точки зрения нет гнезда для наушников с прямым выходом и уровень фоновых шумов, не уловимый из колонок, хорошо слышно в наушниках.
Качество
С позиции качества выигрыш так же есть, хотя по отношению к стоимости не всегда адекватен. Если взять два усилителя, к примеру в классе А, где искажения на низких амплитудах минимальны, то в балансном подключении мы можем получить аналогичное качество на высоком уровне громкости, нежели с того же усилителя, но в обычном режиме. Или на той же громкости в балансном режиме у усилителя будут ниже искажения, чем в обычном (ведь никто не требует слушать усилитель в режиме максимальной мощности?).
Дополнительно в балансном подключении происходит усреднение сигнала и это позволяет немного снизить расхождения характеристик между правым и левым каналом.
Здесь можно много спорить на тему, что лучше, использовать два усилителя в мостовом режиме, или при той же стоимости выбрать другое схемотехническое решение в «обычном» режиме (например на более дорогих компонентах или с большем количеством деталей).
Там, где речь идет исключительно о бюджетных устройствах, мостовые усилители активно применяются лишь концертной технике (приоритет громкости без оглядки на качество). В усилителях для наушников отдельные бюджетные мостовые усилители лишь ради высокой громкости в большинстве случаев лишены смысла.
В среднем классе балансные усилители представляют собой спорное решение, т.к. сильна конкуренция с обычными усилителями. Например, что лучше, Violectric V200 или V181? С разными моделями наушников вперед будет вырываться то одна, то другая модель.
Схема Violectric V181 (два стереоусилителя, один работает в противофазе)
А вот в дорогостоящих решениях мостовые усилители оправданы, где разработчик приходит к выводу, что усилитель в обычной схеме уже исчерпал свой запас по увеличению качества и дальше продвинутся можно лишь сделав «двойной» (мостовой) усилитель для использования в облегченном режиме. И конечно же в дорогостоящих решениях не подсчитывается скрупулезно каждая копейка за компонент и разработчик может сосредоточится исключительно на качестве звука, а не экономии производства.
Балансный усилитель Violectric V281
Не стоит недооценивать и предприимчивых маркетологов, которые могут сыграть на устоявшемся мнении «балансный усилитель – это вершина качества» и выкатить на рынок бюджетные модели, где каждый усилитель надо оценивать максимально критично.
Выводы
Балансный усилитель Violectric V181 и Audeze LCD-X
Преимущества у балансных усилителей есть.
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…
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%.
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.
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.