Симметричная схема является схемой для использования с симметричной линией или самой симметричной линией. Симметричные линии - это распространенный метод передачи многих типов сигналов электрической связи между двумя точками по двум проводам. В симметричной линии две сигнальные линии имеют согласованный импеданс, чтобы гарантировать, что помехи, наведенные в линии, являются синфазными и могут быть устранены на приемном конце схемой с хорошим подавлением синфазных помех . Для поддержания баланса блоки схемы, которые сопрягаются с линией или подключены к ней, также должны быть сбалансированы.
Сбалансированные линии работают, потому что мешающий шум из окружающей среды вызывает одинаковое шумовое напряжение в обоих проводах. Путем измерения разницы напряжений между двумя проводами на приемном конце исходный сигнал восстанавливается, а шум устраняется. Любое неравенство шума, наведенного в каждом проводе, является дисбалансом и приводит к неполному подавлению шума. Одно из требований к балансу состоит в том, чтобы оба провода находились на одинаковом расстоянии от источника шума. Часто это достигается размещением проводов как можно ближе друг к другу и их скручиванием.все вместе. Другое требование состоит в том, чтобы полное сопротивление относительно земли (или любой контрольной точки, используемой детектором разности) было одинаковым для обоих проводников во всех точках по длине линии. Если один из проводов имеет более высокое сопротивление относительно земли, он будет иметь более высокий индуцированный шум, нарушая баланс.
Баланс и симметрия
Симметричная схема обычно демонстрирует симметрию своих компонентов относительно горизонтальной линии посередине между двумя проводниками (пример на рисунке 3). Это отличается от того, что обычно подразумевается под симметричной схемой, которая представляет собой схему, демонстрирующую симметрию своих компонентов относительно вертикальной линии в ее средней точке. Пример симметричной схемы показан на рисунке 2. Цепи, предназначенные для использования с симметричными линиями, часто проектируются как симметричные, так и симметричные, как показано на рисунке 4. Преимущества симметрии состоят в том, что на обоих портах и что схема одинаково влияет на сигналы, идущие в обоих направлениях по линии.
Баланс и симметрия обычно связаны с отраженной горизонтальной и вертикальной физической симметрией соответственно, как показано на рисунках 1–4. Однако физическая симметрия не является необходимым требованием для этих условий. Необходимо только, чтобы электрические импедансы были симметричными. Можно спроектировать схемы, которые не являются физически симметричными, но имеют эквивалентные симметричные импедансы.
Симметричные сигналы и симметричные схемы
Симметричный сигнал - это сигнал, в котором напряжения на каждом проводе симметричны относительно земли (или какой-либо другой ссылки). То есть сигналы инвертируются относительно друг друга. Сбалансированная схема - это схема, в которой две стороны имеют идентичные характеристики передачи во всех отношениях. Симметричная линия - это линия, в которой два провода будут нести сбалансированные токи (то есть равные и противоположные токи) при подаче сбалансированных (симметричных) напряжений. Условие баланса линий и цепей будет выполнено в случае пассивной схемы, если импедансы сбалансированы. Линия и цепь остаются сбалансированными, и преимущества подавления синфазного шума продолжают действовать, независимо от того, является ли подаваемый сигнал сам по себе сбалансированным (симметричным), всегда при условии, что генератор, генерирующий этот сигнал, поддерживает баланс импеданса линии. [1]
Схема проезда и приема
Есть несколько способов, которыми можно управлять симметричной линией и обнаруживать сигнал. Во всех методах для сохранения хорошей помехоустойчивости важно, чтобы управляющая и принимающая цепи поддерживали баланс импеданса линии. Также важно, чтобы приемная схема обнаруживала только дифференциальные сигналы и отклоняла синфазные сигналы. Не обязательно (хотя это часто бывает), чтобы передаваемый сигнал был сбалансированным, то есть симметричным относительно земли.
Трансформаторный баланс
Концептуально самый простой способ подключения к симметричной линии - через трансформаторы на каждом конце, показанные на рисунке 5. Трансформаторы были первоначальным методом создания таких подключений в телефонии, и до появления активных схем это был единственный способ. В приложении телефонии они известны как повторяющиеся катушки . Трансформаторы обладают дополнительным преимуществом, заключающимся в полной изоляции (или «плавающей») линии от земли и токов контура заземления , что является нежелательной возможностью при использовании других методов.
На стороне трансформатора, обращенной к линии, в качественной конструкции обмотка будет уложена из двух частей (часто с центральным отводом ), которые тщательно сбалансированы для поддержания баланса линии. При обсуждении этих типов трансформаторов обмотки со стороны линии и со стороны оборудования являются более полезными понятиями, чем более обычные первичные и вторичные обмотки. На передающем конце обмотка на стороне линии является вторичной, но на стороне приема обмотка на стороне линии является первичной. При обсуждении двухпроводной схемы первичная и вторичная цепи вообще перестают иметь какое-либо значение, поскольку сигналы идут сразу в обоих направлениях.
Боковая обмотка трансформатора не требует такой тщательной балансировки. Фактически, одна ветвь стороны оборудования может быть заземлена, не влияя на балансировку линии, как показано на рисунке 5. С трансформаторами передающая и принимающая схемы могут быть полностью разбалансированы с помощью трансформатора, обеспечивающего балансировку. [2]
Электронный баланс
Электронный баланс, или активный баланс, достигается с помощью дифференциальных усилителей на каждом конце линии. ОУ реализация этого показан на рисунке 6, другие схемы возможно. В отличие от трансформаторного баланса, здесь нет изоляции схемы от линии. Каждый из двух проводов приводится в действие схемой операционного усилителя, которые идентичны, за исключением того, что один инвертирующий, а другой не инвертирующий. Каждый из них производит несимметричный сигнал индивидуально, но вместе они управляют линией симметричным симметричным сигналом. [3] [4] Поскольку токи в двух линиях равны и противоположны, это имеет дополнительное преимущество, заключающееся в том, что излучаемые сигналы компенсируют друг друга, за исключением ближнего поля проводников, тем самым уменьшая перекрестные помехи на другие проводники.
Хотя невозможно создать изолированный привод только с помощью схемы операционного усилителя, можно создать плавающий выход. Это важно, если одна ветвь линии может быть заземлена или подключена к другому источнику опорного напряжения. Заземление одной ветви линии в схеме на рис. 6 приведет к уменьшению напряжения в сети вдвое, поскольку теперь сигнал выдает только один операционный усилитель. Для достижения плавающего выхода требуются дополнительные пути обратной связи между двумя операционными усилителями, что приводит к более сложной схеме, чем на рисунке 6, но все же позволяет избежать затрат на трансформатор. Выход плавающего операционного усилителя может плавать только в пределах направляющих питания операционного усилителя. [5] Изолированный выход может быть получен без трансформаторов с добавлением оптоизоляторов . [6]
Баланс импеданса
Как отмечалось выше, можно управлять симметричной линией с несимметричным сигналом и при этом поддерживать линейный баланс. Это показано на рисунке 7. Усилитель A считается идеальным (то есть с нулевым выходным сопротивлением) несимметричным выходным усилителем. Он подключается через резистор к одной ноге линии. Другая нога подключается через другой резистор того же номинала. Сопротивление к земле обеих ветвей одинаковое, и линия остается сбалансированной. Приемный усилитель по-прежнему подавляет любые синфазные помехи, поскольку имеет дифференциальный вход. С другой стороны, линейный сигнал не сбалансирован. [7] Напряжения на входе двух ветвей, V + и V - выражаются в виде;
Где Z in - входное сопротивление линии. Они явно несимметричны, поскольку V - намного меньше V + . Это даже не противоположные полярности. В аудиоприложениях V - обычно настолько мал, что его можно принять за ноль. [8]
Сбалансированное преобразование в несбалансированное
Схема, предназначенная для преобразования между сбалансированным и несбалансированным форматами, называется балуном. Балун может быть трансформатором с одной ногой, заземленной на несимметричной стороне, как описано в разделе баланса трансформатора выше. Возможны и другие схемы, например автотрансформаторы или активные цепи. [4]
Разъемы
Общие разъемы, используемые с симметричными схемами, включают модульные разъемы на телефонных инструментах и широкополосных данных, а также разъемы XLR для профессионального звука . 1/4-дюймовые телефонные разъемы наконечник / кольцо / рукав (TRS) когда-то широко использовались на ручных коммутаторах и другой телефонной инфраструктуре. Такие разъемы теперь чаще встречаются в миниатюрных размерах (2,5 и 3,5 мм), используемых для несбалансированного стереозвука; однако профессиональное звуковое оборудование, такое как микшерные пульты, по-прежнему обычно используют симметричные и несимметричные соединения «линейного уровня» с 1/4-дюймовыми гнездами.
Рекомендации
Библиография
- Род Эллиот, Уве Бейс, "Сбалансированный передатчик и приемник II" , Elliot Sound Products , 1 апреля 2002 г., доступ и архивирование 7 октября 2015 г.
- А. Дж. Пейтон, В. Уолш, Аналоговая электроника с операционными усилителями: справочник практических схем , Cambridge University Press, 1993 ISBN 0-521-33604-X .
- Майк Риверс, «Сбалансированные и несбалансированные соединения» , Presonus , доступ и архивирование 7 октября 2015 г.
- Г. Рэнди Слоун, Электричество и электроника , McGraw-Hill Professional, 2000 ISBN 0-07-136057-3 .
- Дэниел М. Томпсон, « Понимание звука: получение максимальной отдачи от вашего проекта или профессиональной студии звукозаписи» , Hal Leonard Corporation, 2005 г. ISBN 0-634-00959-1 .
- Габриэль Василеску, Электронный шум и мешающие сигналы , Springer, 2005 г. ISBN 3-540-40741-3 .
- Джерри К. Уитакер, Справочник по электронике , CRC Press, 2001 ISBN 0-8493-8353-6 .
- Джерри К. Уитакер, Мастер-справочник по аудиопроизводству: руководство по стандартам, оборудованию и системному дизайну , McGraw-Hill Professional, 2003 г. ISBN 0-07-140876-2 .