Obwód zrównoważony
Obwód zbalansowany to zespół obwodów elektrycznych do użytku z linią zbalansowaną lub z samą linią zbalansowaną. Linie zrównoważone są powszechną metodą przesyłania wielu rodzajów elektrycznych sygnałów komunikacyjnych między dwoma punktami na dwóch przewodach. W symetrycznej linii dwie linie sygnałowe mają dopasowaną impedancję, aby zapewnić, że zakłócenia indukowane w linii są w trybie wspólnym i mogą być usunięte na końcu odbiorczym za pomocą obwodów z dobrym tłumieniem w trybie wspólnym . Aby zachować równowagę, bloki obwodów, które łączą się z linią lub są połączone w linii, również muszą być zrównoważone.
Linie zrównoważone działają, ponieważ zakłócający hałas z otaczającego środowiska indukuje równe napięcia szumów w obu przewodach. Mierząc różnicę napięcia między dwoma przewodami po stronie odbiorczej, odzyskuje się oryginalny sygnał, a szum jest odrzucany. Każda nierówność w szumie wywołanym w każdym przewodzie jest zaburzeniem równowagi i spowoduje, że szum nie zostanie w pełni odrzucony. Jednym z wymagań dotyczących równowagi jest to, aby oba przewody znajdowały się w równej odległości od źródła szumu. Często osiąga się to poprzez umieszczenie drutów jak najbliżej siebie i skręcenie ich ze sobą. Innym wymaganiem jest to, aby impedancja względem ziemi (lub dowolnego punktu odniesienia używanego przez detektor różnicy) była taka sama dla obu przewodów we wszystkich punktach wzdłuż linii. Jeśli jeden przewód ma wyższą impedancję w stosunku do uziemienia, będzie miał tendencję do indukowania większego szumu, niszcząc równowagę.
Równowaga i symetria
Obwód zrównoważony zwykle wykazuje symetrię swoich elementów wokół linii poziomej w połowie odległości między dwoma przewodami (przykład na rysunku 3). Różni się to od tego, co zwykle rozumie się przez obwód symetryczny, który jest obwodem pokazującym symetrię jego elementów wokół linii pionowej w jej punkcie środkowym. Przykład obwodu symetrycznego pokazano na rysunku 2. Obwody przeznaczone do użytku z liniami symetrycznymi często projektuje się tak, aby były zarówno symetryczne, jak i symetryczne, jak pokazano na rysunku 4. Zaletą symetrii jest to, że ta sama impedancja jest prezentowana na obu portach i że obwód ma taki sam wpływ na sygnały przesyłane w obu kierunkach na linii.
Równowaga i symetria są zwykle kojarzone odpowiednio z odbitą poziomą i pionową symetrią fizyczną, jak pokazano na rysunkach od 1 do 4. Jednak symetria fizyczna nie jest koniecznym wymogiem dla tych warunków. Konieczne jest jedynie, aby impedancje elektryczne były symetryczne. Możliwe jest zaprojektowanie obwodów, które nie są fizycznie symetryczne, ale mają równoważne impedancje, które są symetryczne.
Zbalansowane sygnały i zbalansowane obwody
Zbalansowany sygnał to taki, w którym napięcia na każdym przewodzie są symetryczne względem masy (lub innego odniesienia). Oznacza to, że sygnały są odwrócone względem siebie. Obwód zrównoważony to obwód, w którym obie strony mają identyczne charakterystyki transmisji pod każdym względem. Zrównoważona linia to linia, w której dwa przewody będą przenosić zrównoważone prądy (to znaczy równe i przeciwne prądy), gdy przyłożone zostaną zrównoważone (symetryczne) napięcia. Warunek równowagi linii i obwodów będzie spełniony w przypadku obwodów pasywnych, jeśli impedancje będą zrównoważone. Linia i obwód pozostają zrównoważone, a korzyści z tłumienia szumów w trybie wspólnym nadal mają zastosowanie, niezależnie od tego, czy zastosowany sygnał sam jest zrównoważony (symetryczny), zawsze pod warunkiem, że generator wytwarzający ten sygnał utrzymuje równowagę impedancji linii.
Obwody sterujące i odbiorcze
Istnieje wiele sposobów prowadzenia zbalansowanej linii i wykrywania sygnału. We wszystkich metodach, dla ciągłej korzyści z dobrej odporności na zakłócenia, istotne jest, aby obwód zasilający i odbiorczy utrzymywały równowagę impedancji linii. Istotne jest również, aby obwód odbiorczy wykrywał tylko sygnały różnicowe i odrzucał sygnały w trybie wspólnym. Nie jest istotne (choć często tak jest), aby przesyłany sygnał był zrównoważony, czyli symetryczny względem masy.
Bilans transformatora
Koncepcyjnie najprostszym sposobem podłączenia do linii zrównoważonej są transformatory na każdym końcu, jak pokazano na rysunku 5. Transformatory były pierwotną metodą wykonywania takich połączeń w telefonii, a przed pojawieniem się aktywnych obwodów były jedynym sposobem. W aplikacji telefonicznej są one znane jako cewki powtarzające się . Transformatory mają dodatkową zaletę polegającą na całkowitym odizolowaniu (lub „unoszeniu się”) linii od prądów doziemnych i pętli uziemienia , co jest niepożądaną możliwością w przypadku innych metod.
Strona transformatora zwrócona w stronę linii, w dobrej jakości konstrukcji, będzie miała uzwojenie ułożone w dwóch częściach (często z dostarczonym środkowym zaczepem ) , które są starannie wyważone, aby zachować równowagę linii. Uzwojenia po stronie linii i po stronie sprzętu są bardziej użytecznymi koncepcjami niż bardziej typowe uzwojenia pierwotne i wtórne podczas omawiania tego rodzaju transformatorów. Na końcu wysyłającym uzwojenie po stronie linii jest uzwojeniem wtórnym, ale na końcu odbierającym uzwojenie po stronie linii jest uzwojeniem pierwotnym. Przy omawianiu obwodu dwuprzewodowego pierwotna i wtórna przestają mieć jakiekolwiek znaczenie, ponieważ sygnały płyną w obu kierunkach jednocześnie.
Uzwojenie transformatora po stronie urządzenia nie musi być tak dokładnie wyważone. W rzeczywistości jedna noga po stronie sprzętu może być uziemiona bez wpływu na równowagę linii, jak pokazano na rysunku 5. W przypadku transformatorów obwody wysyłające i odbiorcze mogą być całkowicie niezrównoważone, a transformator zapewnia równowagę.
Aktywna równowaga
Aktywną równowagę uzyskuje się za pomocą wzmacniaczy różnicowych na każdym końcu linii. Implementacja tego wzmacniacza operacyjnego jest pokazana na rysunku 6, możliwe są inne obwody . W przeciwieństwie do wagi transformatorowej, nie ma izolacji obwodów od linii. Każdy z dwóch przewodów jest napędzany przez obwód wzmacniacza operacyjnego, który jest identyczny, z wyjątkiem tego, że jeden jest odwracający, a drugi nieodwracający. Każdy osobno generuje sygnał asymetryczny, ale razem napędzają linię sygnałem symetrycznym. Impedancja wyjściowa każdego wzmacniacza jest równa, więc zachowana jest równowaga impedancji linii.
Chociaż nie jest możliwe stworzenie izolowanego napędu z samymi obwodami wzmacniacza operacyjnego, możliwe jest stworzenie pływającego wyjścia. Jest to ważne, jeśli jedna z gałęzi linii może zostać uziemiona lub podłączona do innego napięcia odniesienia. Uziemienie jednej odnogi linii w obwodzie z rysunku 6 spowoduje zmniejszenie napięcia linii o połowę, ponieważ teraz tylko jeden wzmacniacz operacyjny dostarcza sygnał. Aby uzyskać płynne wyjście, wymagane są dodatkowe ścieżki sprzężenia zwrotnego między dwoma wzmacniaczami operacyjnymi, co skutkuje bardziej złożonym obwodem niż na rysunku 6, ale nadal pozwala uniknąć kosztu transformatora. Pływające wyjście wzmacniacza operacyjnego może unosić się tylko w granicach szyn zasilających wzmacniacza operacyjnego. Izolowane wyjście można uzyskać bez transformatorów z dodatkiem optoizolatorów .
Bilans impedancji
Jak wspomniano powyżej, możliwe jest prowadzenie zbalansowanej linii sygnałem single-ended i nadal utrzymywanie równowagi linii. Przedstawiono to w zarysie na rysunku 7. Zakłada się, że wzmacniacz napędzający jedną odnogę linii przez rezystor jest idealnym (tj. o zerowej impedancji wyjściowej) wzmacniaczem wyjściowym single-ended. Druga noga jest połączona z masą przez inny rezystor o tej samej wartości. Impedancja do masy obu nóg jest taka sama, a linia pozostaje zrównoważona. Wzmacniacz odbiorczy nadal odrzuca wszelkie szumy w trybie wspólnym, ponieważ ma wejście różnicowe. Z drugiej strony sygnał liniowy nie jest symetryczny. Napięcia na wejściu do dwóch nóg, V + i V - są podane przez;
Gdzie Z w jest impedancją wejściową linii. Te z pewnością nie są symetryczne, ponieważ V − jest znacznie mniejsze niż V + . Nie są nawet przeciwstawnymi biegunami. W aplikacjach audio V − jest zwykle tak małe, że można je przyjąć jako zero.
Zbalansowane do niezbalansowanego interfejsu
Obwód, którego szczególnym celem jest umożliwienie połączenia między obwodami zbalansowanymi i niezbalansowanymi, nazywany jest balunem. Balun może być transformatorem z jedną nogą uziemioną po stronie niezrównoważonej, jak opisano w sekcji dotyczącej równowagi transformatora powyżej. Możliwe są inne obwody, takie jak autotransformatory lub obwody aktywne.
Złącza
Typowe złącza używane w obwodach zbalansowanych obejmują złącza modułowe w instrumentach telefonicznych i szerokopasmowych danych oraz złącza XLR do profesjonalnego audio . Złącza telefoniczne z końcówką / pierścieniem / tuleją (TRS) 1/4 cala były kiedyś szeroko stosowane w ręcznych tablicach rozdzielczych i innej infrastrukturze telefonicznej. Takie złącza są obecnie częściej spotykane w miniaturowych rozmiarach (2,5 i 3,5 mm) używanych do niezbalansowanego dźwięku stereo; jednak , profesjonalny sprzęt audio, taki jak konsole mikserskie, nadal powszechnie wykorzystuje zbalansowane i niezbalansowane połączenia „na poziomie liniowym” z gniazdami telefonicznymi 1/4 cala.
Bibliografia
- Rod Elliot, Uwe Beis, „Zrównoważony nadajnik i odbiornik II” , Elliot Sound Products , 1 kwietnia 2002 r., Dostęp i archiwizacja 7 października 2015 r.
- AJ Peyton, V. Walsh, Elektronika analogowa ze wzmacniaczami operacyjnymi: książka źródłowa praktycznych obwodów , Cambridge University Press, 1993 ISBN 0-521-33604-X .
- Mike Rivers, „Zrównoważone i niezrównoważone połączenia” , Presonus , dostęp i zarchiwizowano 7 października 2015 r.
- G. Randy Slone, Elektryczność i elektronika , McGraw-Hill Professional, 2000 ISBN 0-07-136057-3 .
- Daniel M. Thompson, Zrozumieć dźwięk: maksymalne wykorzystanie projektu lub profesjonalnego studia nagraniowego , Hal Leonard Corporation, 2005 ISBN 0-634-00959-1 .
- Gabriel Vasilescu, Elektroniczny szum i sygnały zakłócające , Springer, 2005 ISBN 3-540-40741-3 .
- Jerry C. Whitaker, Podręcznik zasobów elektroniki , CRC Press, 2001 ISBN 0-8493-8353-6 .
- Jerry C. Whitaker, Główny podręcznik produkcji audio: przewodnik po standardach, sprzęcie i projektowaniu systemów , McGraw-Hill Professional, 2003 ISBN 0-07-140876-2 .