音频平衡不平衡的终极介绍.doc

本贴来自:http:/www.headphoneclub.com/bbs/viewthread.php?tid=143902转帖卡座论坛一个很有营养的帖子-平衡与不平衡接口转换终极解构隔壁卡座论坛里的一篇好文，作者是卡座论坛超级斑竹acdc2000网友，acdc2000网友是前中央电视台首席录音师-马宁先生，马先生无论是在音响发烧还是专业领域，一直都是大家也是我本人十分敬重的一位前辈，马先生这篇文章解决了我长期以来对平衡，非平衡工作原理以及转换上的一些疑问，绝对是终极解惑帖。在征求马先生的同意之后，特将此文转帖至耳机俱乐部，希望对大家有所帮助。这是原帖的链接：http:/www.kazuo.com.cn/viewthread.php?tid=113609&extra=page%3D1以下是原文部分：（特别声明，本文经马先生许可，在耳机俱乐部转载，如需另外转载，请直接联系acdc2000网友。）在音频设备当中，历来就有平衡和不平衡二种接口。到底是先有平衡接口的呢，还是先有不平衡接口的呢？应该是先有非平衡接口的。第一节平衡接口的来历    平衡传输线最早是来自最早期的电话线（早到啥时候？应该是刚有电灯电话的时候，在坐的没人见过了）。当时的电话音频信号，电平很低（最早期的电话机，是没有放大电路的。电子管的出现比电话晚好多），如果使用普通屏蔽线长距离传输的时候，很容易受到干扰。因此，就采用了平衡式传输。       平衡式传输，电缆包括屏蔽层，屏蔽层内有二根电线。当时的电话都是采用直流供电的炭精话筒，本身不平衡（一个地，一个信号端），因此在电话机，电话机房之间，都采用变压器隔离。变压器隔离的同时，也就将电话信号输出变成了平衡的。变压器的次级就接在电缆的二根芯上。其中，跟源电位相同的叫热端，另外一端就叫冷端。（见图1）。图1.jpg (42.21 KB)2010-7-26 22:07图1    从图1，可以看得很清楚。有用的音频信号，是在两根芯线之间传输，跟屏蔽层（地线）没有关联。二根芯线上的信号，电压相等，相位相反。而干扰信号造成的干扰电压，则是电压相等，相位也相等。由于平衡传输系统对两根芯线之间的电压差才有传输作用，对同相位的干扰电压没有传输作用（因为干扰电压是建立在地和二根芯线之间的，而不是建立在二根芯线互相之间的），故此，平衡传输系统，对传输过程中混入的干扰视而不见，只传输有用信号，因此，平衡传输系统得到了广泛的应用。      而不平衡接口，信号则在信号端和地线二端传输。干扰电压会之间跟有用信号电压叠加在一起，无法彻底根除。当年的电话线传输中，使用的隔离变压器，阻抗统一为600，为能够传输最大功率（要注意，重复一次，那个时候没有有源放大器，所以线路需要考虑减少传输功率的损失，现在这一点早已被抛诸脑后了，现在的传输线，我们只要求传输电压即可），所有端口阻抗需要匹配。因此在电话线路中，所有地方的阻抗都是600。三个概念以下内容，有些干了一辈子音响工程的，音频器材维修的，到退休的时候都没有真正搞清楚，只在脑子里有一笔糊涂账，时不时就将好多相似概念，相似单位混为一谈，或者避而不谈，只说dB，没有后面的东西了。这些概念就是dBm的概念为建立电话线路上传输电压的统一标准，人们提出了dBm的概念。规定，0dBm=0.775V(rms)。为什么0dBm0.775V呢？那就是因为，最初的0dBm，是以电话线上传输一毫瓦强度的电功率信号时所对应的信号电压。当功率是0.001W，电阻600的时候，根据P= 的公式，由于P=0.001，R=600，因此V=0.774596V(rms)。dBm后面的那个m，就是毫瓦的那个m。dBu的概念dBu采用与dBm同样的电压标准，但是不考虑功率，只考虑电压。因此你可以认为dBu是跟阻抗（源阻抗，负载阻抗）无关的电平单位。它的数字跟dBm一样，所以0dBu=0.775V，+4dBu=1.228VdBV的概念在非平衡的场合，使用dBV单位的时候也比较多。dBV的概念很简单，直接对电压有效值取对数，1V(rms)就是0dBV，因为1的对数值等于0，就是这么来的。所以，以后要再说起什么平衡输出电平啊，VU表对应的输出电平之类的时候，麻烦您说清楚到底是dBm,dBu还是dBV，它们是不同的哦！平衡与不平衡接口的标准电平对于专业音频设备，平衡接口的统一信号电压是，当接口（无论输入还是输出）电平是机器的0VU的时候，端子的电平必须是+4dBu（相当于1.228Vrms）对于专业音频设备的非平衡接口（例如大二芯耳机插口），一般情况下标准的信号电压是-10dBV，相当于0.3V（精确值是0.3162V）左右。对家用音频设备的接口随便您，没标准！不过一般情况下，家用音响器材的RCA接口的额定电压一般低者只有不到几十mV，高者则可以超过1V，完全是厂家自己决定的。由此可见，平衡接口与不平衡接口的电压，前者比后者高好多。所以当平衡输出给不平衡的时候，需要衰减。当不平衡输出给平衡的时候，需要放大。第二节平衡接口的内部结构以及接口转换变压器平衡接口    平衡接口来源于电话线路，由此隔离变压器是平衡接口不可或缺的东西。有了变压器之后，就可以把原先某一端给电源地之间的信号电压，隔离掉直流，并且变成变压器（初）次级二个端子之间的电压。因为变压器次级对地是绝缘的（也就是悬浮的），所以，信号电压是存在于变压器（初）次级的二个端子之间的，对地是没有任何电压的。所以，平衡接口如果其中一个端子断路的话，靠另外一个端子和地线，是得不到任何信号的。同样对于输入接口，如果平衡接口其中一端断路的话，信号也不能进入变压器的次级。在变压器平衡传输线路中，地线的作用只是提供屏蔽减少干扰，并且让一些设备有共同的参考地电位而已，它是不传输任何信号的。    早期的专业音频设备，无论是话筒，调音台，录音机，扩音机，效果器等等，输出输入界面无一不用变压器。例如Studer从最早期的电子管扩音机，到新型的DAT，CD机，调音台，乃至一些工作站相关的产品，都使用了变压器。变压器平衡接口的不平衡转换     看看电路图就明白了。对于变压器平衡接口来说，因为只有两个平衡端子之间才有信号电压，而不平衡接口只有信号端和地之间才有信号电压。所以要在平衡与不平衡之间转换，平衡的两个端子其中之一必须要跟地线连接，才能将输出信号建立在信号端与地线之间。考虑到系统的相位一致性原则，我们都是将平衡接口的低端（冷端）接地，高端（热端）接信号端。（图2，图3）图2.jpg (33.46 KB)2010-7-26 22:07图2图3.jpg (33.09 KB)2010-7-26 22:07图3    再考虑到平衡与不平衡之间电平的差异，当平衡出转换不平衡入的时候，可以插入一个大约10倍的衰减电路就可以了（图4）。图4.jpg (20.15 KB)2010-7-26 22:07图4    当使用衰减网络的时候，注意网络本身的阻抗，应该比其中任何一端的输入阻抗高10倍以上就差不多了。否则除了会使电平下降之外，还会使得整个系统的频率响应变差，因为变压器的阻抗是跟工作频率直接相关的。至于不平衡出转换平衡入的时候，有条件就应该增加不平衡输出端的电平，或者提升平衡输入端的灵敏度。在中间环节加额外的独立放大器是下策，主要是麻烦。图5，图6是Studer A80的平衡输入，输出接口相关电路。图5.jpg (91.01 KB)2010-7-26 22:07图5图6.jpg (53.75 KB)2010-7-26 22:07图6图7，图8则是A820的。二个机器相隔接近二十年，电路设计的思路也有很大的不同，但万变不离其宗图7.jpg (94.05 KB)2010-7-26 22:07图7无变压器有源平衡接口    在音频电路中，如果有了变压器，那么整个电路的性能瓶颈基本就在变压器上了。变压器会带来额外而且较大的失真，有限的频响，相对混乱的相位特性（也就是相位线性不好，而且在不同频率下的相位响应还不一样），以及引进额外干扰。这还不算优质变压器的成本，对金属材料的消耗。    故此，随着晶体管和集成电路（运放）的成熟，摆脱变压器是大部分电路设计者的理想和希望。随着元器件的进步，在功放中OTL，OCL，BTL等电路彻底抛弃了输出变压器。在专业领域，大部分厂家都摆脱了音频电路中的变压器。确实，用晶体管和运放组成平衡电路，实在是易如反掌。所以如果仅仅是出于得到平衡接口的目的的话，那么有源平衡电路实在是太容易了，而有源平衡电路在各方面的指标都远比变压器平衡的要好。所以，八十年代以后，大部分厂家（除少数欧洲厂家之外）都广泛在专业产品中，前到调音台，后到功放，全部使用有源平衡电路。有源平衡电路要跟不平衡转接，就不像变压器平衡接口那样，可以简单地千篇一律，将低端（冷端）接地就万事大吉了。先看看有源平衡输入电路吧。不平衡输出接有源平衡输入端的转换方法图9.jpg (146.84 KB)2010-7-26 22:07图9    图9是有源平衡输入电路，它基本上就是采用了运放的二个输入端子，直接对应平衡信号的高，低端。跟变压器平衡输入类似，当有源平衡作为输入方的时候，如果只接一个高端（热端）的话，会因为另外一端悬空，而使得运放电路的增益急剧下降（一般会下降到接近1，也就是0dB增益）。另外一方面，来自不平衡信源的输出端的不平衡输出本来信号电平就低，再加上不适当的转换令增益下降，结果，输入电平会小到基本无法使用的程度。因此，我们需要将有源平衡输入的低端（冷端）对地短路，这样，输入运放的增益将上升到比较接近原来的正常水平，因此电平的匹配问题也解决了一半。所以，简单一句话，有源平衡输入端的处理，可以像变压器平衡转换一样，将冷端对地短路就可以了。如果输入电平仍然太低的话，可以增加输入运放的放大倍数来解决，无需外接放大器。有源平衡输出端接不平衡输入端转换方法到了有源平衡的输出，问题就比较复杂了。看看图10，图10.jpg (129.96 KB)2010-7-26 22:07图10因为有源平衡的输出端子，信号不仅仅存在与高低端（冷热端）之间，同时也存在任何一个端子对地之间。如果依照变压器平衡转换的方法，将低端（冷端）对地短路的话，那么就等于将正负输出端其中一端对地短路，也就是输出短路。输出短路的后果，对专业设备来说影响是比较大的，因为绝大部分专业设备的输出阻抗极低（例如OTARI的几款开盘机，输出阻抗都低于10），接近功放的水平。一旦输出短路，将在一定程度上造成地线环路中出现明显的电位浮动（因为随着输出信号变化，电源电流因为负载短路而起伏很大，地电位由于电路板走线等原因，会有明显浮动）而造成信号失真。这还不算，某些机器（不是全部）有源平衡输出的设计，是采用两个对称而相位相反的运放，分别从对方的输出端取得负反馈信号，来抵消己方的失真（类似BTL功放，图11）图11.jpg (141.75 KB)2010-7-26 22:07图11你将其中一方对地短路了，另外一方就不能取得负反馈的信号；没有了来自对方的负反馈，自身的失真会明显增加，而且因为负反馈消失，运放的增益将大幅度上升，使得输出电平明显增加。因此转换之后，输出信号幅度变大，失真也加大。本来平衡端子的输出电平就高（相对不平衡来说），现在再进一步升高，后面的不平衡输入级肯定吃不消。所以，只要是有源平衡输出接口，改成不平衡的时候，只需要从高端（热端）和地引出信号到不平衡端，再视需要加入衰减网络就可以了。低端（冷端）应该悬空，置之不理，绝对不要画蛇添足！有源平衡接口的特点理论上，有源平衡电路作为输入端，其抗干扰的能力比变压器会略微差一点，因为运放的共模抑制比虽然可以达到60-80dB，但变压器的共模抑制比理论上却是无限大的。但是，配合有源平衡输出之后，因为现代专业音响设备的有源平衡输出的输出阻抗极低（一般都在10以下，足以推动喇叭放音），所以即使传输电缆很长，干扰很强烈，也很难对如此低阻抗的专业有源输出造成明显干扰。事实上，在有源超低阻抗输出时代，采用平衡电缆的意义已经很小了。以专业调音台，开盘机的平衡输出为例，采用普通单芯电缆作不平衡传输，百米传输对信号的损耗极小，而且基本不会带来干扰（不会比采用平衡接法差）。到今天专业设备之所以仍然使用平衡接口，对传统标准的尊重远远高于抗干扰的需要。只有在仍然采用低电平传输的模拟话筒部分，平衡传输的抗干扰功能才有一席之地。所以，理想的系统接口，应该是输出阻抗无限低（恒压源），输入阻抗无限高（零负载）。目前的有源平衡接口，基本能够做到这一要求。所谓要求阻抗匹配的说法，早就成为食古不化的典型。总结：（1）由不平衡输出（信源）接到平衡输入时，将平衡端的信号低端对地短路，高端接输出信号端。无需理会其他因素。（2）由平衡输出（信源）接到不平衡输入的时候，先搞清楚平衡输出端是采用变压器输出的，还是有源输出的。如果是变压器输出的（例如Studer的机器），将低端对地短路。如果是有源输出的，将低端悬空，信号来自高端和地线即可。（3）由不平衡输出（信源）接到平衡输入时，常常遇到电平不够的问题。（4）由平衡输出（信源）接到不平衡输入的时候，常常遇到电平太高的问题，这时候一般加一个10倍衰减网络就可以了。（5）很多专业设备，其输入和输出增益都是可调的（尤其是采用有源平衡接口的专业开盘录音机，DAT，功放等）。例如输入增益可以提升20dB，输出电平可以减小10dB之类。（注意！可调增益改变的只是电平，不是平衡非平衡）！因此，在一般情况下衰减网络也不一定需要。图12.jpg (389.6 KB)2010-7-26 22:07图13.jpg (135.36 KB)2010-7-26 22:07这里俺罗嗦了半天，主要是介绍平衡设备的接口电路，并且由此推论出适合各自接口的平衡不平衡转换方法。作为一个复杂的多设备系统，除了电平转换，平衡不平衡转换之外，还有很多其他问题，例如系统接地的问题。这些问题，以后再聊吧。注意，以上电路图，均为原理框图，并非真实电路！ 本帖最后由 skydogundead 于 2010-7-26 22:18 编辑 CD:Studer D740DAT:Studer D780收音头:Studer A176卡座:Studer A710 Sony 555ESALP:Revox B790MD:Denon DN-M1050R/Sony JA50ES