Балансная схемотехника давно вышла из разряда сугубо профессиональной и стала обязательным атрибутом техники High-End. Не так давно понятие «балансный» стало активно применяться к наушникам и усилителям для наушников. Чтобы понять, что же это такое и аналогичная ли схемотехника у балансных аудиокомпонентов, у профессиональных и компонентов High-End, проведем сеанс реверс-инжиниринга и проследим путь сигнала от балансных наушников до выходного каскада ЦАПа, из которого мы получаем аналоговый сигнал.
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.
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.
Небалансный кабель
Небалансный кабель имеет два провода: сигнал и «земля», он пропускает только одну копию сигнала. Из-за того что есть только одна копия сигнала, этот кабель легко подвержен наводкам. Обычно длина таких кабелей не превышает 6 метров, ими соединяют примочку, гитару и гитарный усилитель.
Взгляд изнутри: под прорезиненной внешней защитой небалансного кабеля находится экранирующая оплетка, представляющая собой сетку из тонких медных проволок, которой обернут основной сигнальный провод. Экранирующая оплетка может быть различных видов, у каждой их которых есть свои плюсы и минусы в способности оказывать различный эффект на шум и помехи.
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.
Что такое балансный и небалансный вход
Балансный вход представляет собой симметричную трансляцию сигнала по паре кабелей от одного устройства к другому. Один провод транслирует сигнал в противофазе относительно второго кабеля. Также присутствует 2-ий проводник симметричной связующей линии – нейтральный кабель, называемый «землей» сигнальной. Преимущество представленного соединения, относительно несимметричных лучей – сверхвысокая помехоустойчивость.
Стало возможно получать устойчивый сигнал связи без каких-либо помех в случае, если активная звукозаписывающая аппаратура находится на удаленном расстоянии. Так, можно отдалить устройство на несколько десятков метров и качество акустики при этом останется высоким. Балансовые линии незаменимы в профессиональной музыкальной сфере (концертные сцены, звукозаписывающие помещения), когда необходимо обеспечить безупречное качество звучания.
схема балансных и не балансных входов
Следующее преимущество такого входа, как принято считать – стандартизированное определение выходных/входных характеристик устройств, например, уровней электросигналов, сведенных к 0 дБ, сопротивления. Эти параметры имеют большое значение также в профессиональной сфере, например, при замене аппаратуры разных производителей. В обычной ситуации требуется корректировка сигнальных уровней, при балансном входе этого делать не нужно.
Если на распределительном оборудовании находятся XLR-разъемы, это указывает на симметричное соединение. А вот «сквозная» это симметрия или она образуется посредством специальных схемных разрешений, точно определить нельзя. «Сквозной» подход (от источника сигнала до выходного каскада аудиоусилителя симметрия элементов подключенного оборудования сохранена) встречается редко. Как правило, он присущ дорогой аппаратуре известных брендов.
При небалансовом входе используется 2 проводника – по одному сигнал передается, по другому кабелю ток возвращается в обратном направлении. Необходимо помнить, что ток может циркулировать только по замкнутому кругу, значит, требуется создать своеобразный виток (источник-приемник), однако при этом не исключены помехи. В одной ситуации, когда, например, к усилителю подключаются колонки, сопротивление и приемника, и источника сравнительно небольшое. Здесь будет слышна только очень сильная, мощная помеха.
Если кабель коротковат (межблочник), к тому же он экранирован («земля» проходит по кабельной оплетке), лишние шумы также обычно отсутствуют. А вот при наличии очень длинного микрофонного провода, в котором амплитуда сигнала измеряется в милливольтах, уровень наводки равен уровню сигнала, искаженного звучания не избежать.
Степени совершенства
Из этого можно сделать один крайне интересный вывод: устройство с балансным выходом для наушников не обязательно должно быть балансным на всей протяженности звукового тракта. В ситуации с Schiit Audio Jotunheim можно проследить всю схемотехнику и увидеть собственными глазами, что это устройство — действительно балансное от начала и до конца. Но ничто не мешает сделать USB-ЦАП с балансным усилителем для наушников на одной стереофонической микросхеме ЦАПа и с небалансным трактом внутри. Достаточно установить на выходе два мостовых усилителя, и вот мы уже имеем балансный выход для наушников на небалансном устройстве. Отсюда возникает вполне логичный вопрос: имеет ли это смысл или же является бесполезным суррогатом?
Единого представления о балансном разъеме у производителей усилителей и источников нет, поэтому производители наушников подстраиваются сразу под всех
Рассмотрим оба варианта работы. Во-первых, полностью балансная схемотехника имеет неоспоримое преимущество, выраженное в низком уровне искажений, которое обеспечивает симметричная схема. Во-вторых, в полностью балансном включении схемотехника симметрична от начала и до конца. Оба звуковых канала после ЦАПа или аналогового балансного входа не имеют общей «земли» и никак между собой не связаны, что гарантирует максимальное разделение каналов. В схеме, у которой только выходной каскад будет балансным (мостовым), разделение каналов окажется меньше, чем в полностью балансной схеме, но все же больше, чем в небалансной.
Наушники Sennheiser имеют два штатных кабеля: балансный (подключен, с большим «джеком») и небалансный (лежит рядом с маленьким 4-контактным «джеком»)
При этом в обоих вариантах используется сдвоенное включение усилителей, что подразумевает удвоение выходной мощности. Таким образом, для получения того же уровня громкости усилитель будет в два раза менее нагружен, нежели обычный. Двукратный запас мощности положительно отразится и на динамике звучания, и станет дополнительным средством повышения качества, ведь при малой нагрузке усилитель имеет меньший уровень собственных искажений и шумов, то есть будет звучать чище и детальнее.
Инженеры TEAC решили, что даже имея небалансный источник, грех не воспользоваться сдвоенными усилителями
Хорошим примером реализации выходов в балансном усилителе служит модель TEAC UD-503. Фирменная схемотехника позволяет максимально эффективно использовать все возможные варианты использования в любой ситуации. При балансном подключении тракт получается полностью балансным.
Балансную схемотехнику легко узнать в любом устройстве: все та же симметрия
При небалансном по-прежнему есть прибавка в качестве звучания балансных наушников благодаря фирменной технологии с активной «землей», когда сигнал превращается в балансный на входе усилителя мощности. Наконец, при подключении обычных трехконтактных наушников каждый канал усиливается в мостовом режиме.
Какой кабель выбрать?
Ориентируемся на цель и условия применения кабеля. Если вам необходимо подключить гитару, инструменты и другие устройства в линию и на небольшие расстояния (до 6 метров), то небалансные кабели вас вполне устроят. Помните главное правило: чем короче кабель – тем лучше, так как он менее подвержен наводкам. Но это не значит, что используя короткий кабель, вы можете играть рядом с радиоточкой и другими источниками электропиния, держитесь от них подальше, если хотите получить чистый сигнал на выходе.
Кабели длиной более 6 метров очень подвержены внешним наводкам, поэтому при такой длине используют только балансные кабели, которые обычно нужны для подключения микрофона. Именно микрофонный сигнал особо чувствителен к внешним помехам, поэтому сделайте свой выбор в пользу балансного подключения.
Нет универсального совета: балансный кабель лучше небалансного. Это не совсем так, и защищает не более эффективно от внешних помех. Просто всё зависит от задач подключения. Поэтому делать выбор в пользу того или иного типа кабеля нужно с учетом требований к предстоящей работе.
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.
Выводы
И теория, и практика дали, в общем-то, вполне очевидные вывод: балансное подключение наушников полезно. Я даже предположу, что с небалансным источником и балансным (мостовым) усилителем выигрыш в качестве звучания будет не менее ощутимым. Осталось провести полный апгрейд домашнего звукового тракта, включая модернизацию наушников, и вопрос можно будет считать закрытым.
Подготовлено по материалам портала «Stereo & Video», ноябрь 2017 г.
www.stereo.ru
Эту статью прочитали 15 769 раз
Статья входит в разделы:
Полезные советыИнтересное о звуке
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 перекликаясь 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.
