Recommended Posts

Enovanligtbalanseradtråd.jpg

Text och bilder: Peo    Karlshamn juli 2018

 

Balanserad signalöverföring är en kretslösning med två ledare där båda ledarna har samma impedans i förhållande till sin referens och till alla andra ingående ledare. Syftet med balansering är att ta upp förekommande störningar exakt lika i båda ledarna så att dessa störningarna kan släckas ut.

Balanserad överföring förutsätter således en perfekt impedanssymmetri och man kan se det som att man tillgodoser en helt perfekt väg för signalerna. Balanserad överföring handlar bara om vägens beskaffenhet, inte vad som transporteras på den.

 

1a.JPG

Övre bilden visar ett principschema över en kanal i ett obalanserat s.k. single end-förstärkeri. Nedre bilden visar motsvarande fast i helbalanserat utförande. Bilden i mitten har single end elektronik men med balanserad signalöverföring. Tråden kommer avhandla dessa varianter's fördelar, nackdelar samt ge en grundläggande beskrivning av deras arbetsprinciper.

 

Det är många år sedan den professionella musikindustrin började med balanserad signalöverföring mellan sina apparater, men för 10 år sedan var det oftast bara lite exklusivare hifi-utrustning i de högre divisionerna som var utrustade med balanserade in- och utgångar. I dag hittar man t.o.m. XLR-kontakter på en DAC för 1500:-. Kanske är det en naturlig och medveten utveckling mot det ultimata välljudet, men det kan också bara vara tillverkarnas marknadsavdelning som försöker skapa ett nytt behov för att öka sina försäljningssiffror. Oavsett vilken anledningen nu är så verkar vi hifi-nördar gladeligen haka på varje ny form av hype (enthusiasm without knowledge) utan att ifrågasätta om vi verkligen behöver det eller inte. Tekniken som sådan är kanske inte så lätt att ifrågasätta för den oinvigde och därför är det också lätt hänt att man köper allt som står i tidningar, på nätet och i de färggranna broschyrerna som tillverkarna/säljarna tillhandahåller.
 

 

Jag har konstaterat att det är många av mina hifi-vänner som inte har en susning om vad begreppet "balanserat" verkligen innebär och har därför svårt att kunna syna marknadsföringssnacket i sömmarna. Det är till dem och alla andra likasinnade som jag skriver den här tråden med en förhoppning om att kunna tillföra något matnyttigt till er kunskapsbank. Jag ska här försöka ge er ett populärvetenskapligt axplock av de begrepp som är relaterade till signalöverföring i allmänhet och till balanserad överföring i synnerhet.

 

 

 

Share this post


Link to post
Share on other sites

Förvirringen

Hört i butiken:

"Det här är skitbra grejor, både försteg och slutsteg är balanserade" 

Det låter väl bra, men vad betyder det egentligen? Vad menar de med balanserade? Är det kabeln mellan apparaterna som avses eller är det apparaterna i sig som är det? Vinner jag något på att köra balanserat? Hur fungerar det? Passar det ihop med mina andra prylar? Frågorna är många och begreppen är luddiga, men tyvärr är det inte alltid butiken kan ge dig ett korrekt och begripligt svar på dem. Det är tyvärr mycket floskler, väl inövade marknadsförings-fraser och märkliga teorier som cirkulerar  även bland de s.k. experterna och ganska ofta hör/läser man t.o.m. direkta felaktigheter/lögner. 

 

Här är ett citat från en av de stora kabeltillverkarnas hemsida:

"The XLR connection carries a balanced signal.  

The hot pin carries the signal, the cold pin also carries the signalbut inverted (think mirror image) and the third carries the earth."

 

Påståendet ovan börjar hyfsat rätt, men sen skiter det sig rejält på slutet. Jag återkommer till detta uttalande lite senare och förklarar vad jag har synpunkter emot.

Det finns ju missuppfattningar och språkförbistringar inom de flesta områden och därför tänkte jag försöka räta ut några av frågetecknen och kanske t.o.m. klara ut några av de vanligaste missuppfattningarna vad gäller det som man gement brukar kalla för "balanserat". 

 

Jag ska försöka att vara så objektiv som möjligt och inte låta min personliga uppfattning färga innehållet allt för mycket och hittar ni några direkta felaktigheter är jag tacksam om ni hör av er så de kan korrigeras. Mina illustrationer innehåller inte några kompletta kretslösningar utan är oftast väldigt förenklade med syfte att försöka tydliggöra en princip på ett lättbegriplig och förhoppningsvis pedagogiskt sätt.

Den/de läsare som redan behärskar ämnet kommer säkert att hitta flera saker som beskrivs på ett mindre korrekt sätt, men jag har medvetet gjort flertalet grova förenklingar för att försöka hitta en genväg till grundförståelse även för den som saknar (eller har glömt sin) elutbildning.

 

För de flesta läsare är ett par XLR-kontakter i häcken på en apparat troligtvis det samma som "balanserat" och så kan det visserligen vara, men det är absolut ingen garanti. Den som har läst de allmänt förekommande förklaringarna brukar säga att "balanserat" är en överföring med två ledare som har samma signal fast med motsatt polaritet (två motfassignaler). Det är faktiskt inte sant och är en av de vanligaste missuppfattningarna som jag tänkte avliva.

Principen med två motfassignaler kallas på Engelska för "Symmetric differential signals" och i brist på ett bättre svenskt uttryck kommer jag att kalla det för "symmetriska signaler". Symmetriska signaler definieras just av att båda ledarna har exakt samma signal fast med motsatt polaritet, men bara för att man uppfyllt det kriteriet innebär det inte automatiskt att överföringen är balanserad och orkar ni fortsätta läsa så kommer ni nog att förstå varför.

 

Vid balanserad signalöverföring krävs det också två signalledare, precis som med symmetriska signaler, men grundkriteriet för "balansering" är att båda ledarna ska ha samma impedans till sin referenspunkt. Om bara en, eller om båda två ledarna innehåller signal är helt irrelevant, det är enbart impedansen som är viktig. En balanserad överföring mellan två apparater kan mycket väl ha endast en signalförande ledare och en ledare utan signal (0 V). Mer om detta lite senare.
De här båda olika begreppen (balanserad överföring och symmetriska signaler) brukar ofta kombineras, men det är faktiskt två skilda koncept med helt olika egenskaper, funktion och fördelar. Det de har gemensamt är att båda principerna kräver en kabel med två ledare (helst skärmad) och att signalmottagaren har en så kallad differentialingång, det är just därför de går att kombinera. I vår hifi-värld  är kombinationen av balanserad överföring och symmetriska signaler den vanligast förekommande, men definitivt inte allenarådande.
 

Jag började mitt inlägg med texten "och här tänkte jag försöka räta ut några av frågetecknen och kanske t.o.m. klara ut några av de vanligaste missuppfattningarna", men jag misstänker att jag bara har rört till det ytterligare för er.

Bara lugn, nu tar vi det från början. Den här inledande texten var bara till för att väcka intresse.

 

Share this post


Link to post
Share on other sites

Jord och skärm - grundläggande begrepp


Innan vi går in på den analoga signalöverföringen bör vi nog först titta lite snabbt på några mer jordnära begrepp som kan var bra att ha med sig på resan.
Jord (inte blomjord) har nog alla hört talas om och det första jag brukar tänka på är jord som i jordat vägguttag. Syftet med den är att öka elsäkerheten i våra hem och förhindra att någon del i anläggningen kan bli spänningsförande vid ett elfel och kallas därför allmänt för skyddsjord (eng. Protected Ground, förkortas PG). De flesta av våra el-anslutna hifi-apparater är utrustade med metallhölje och får oftast sitt chassi anslutet till skyddsjord via nätkabeln. 

I mina bilder kommer jag att använda denna symbol för skyddsjord.         2a.JPG
Nästa jord som jag vill belysa är signaljord (Signal Ground, SG). Förenklat är det den gemensamma referenspunkten för elektroniken som finns inuti respektive apparat. Apparater som ska utbyta signaler har oftast sina signaljordar sammanbundna med varandra via signalkabeln och inte sällan är det signalkabelns skärm som används för ändamålet.

 

 2b.JPG Signalens väg vid överföring
mellan två apparater.

 

Problemet med ovanstående lösning är att signalförbindelsen mellan apparaterna är helt oskyddad och därmed utsatt för diverse elektromagnetiska fält som kan ge elaka störningar. Det är här som skärmen kommer till räddning.

Detta avsnitt som behandlar skärm, signaljord och skyddsjord borde egentligen fått betydligt mer utrymme, men jag nöjer mig med en snabb och enkel förklaring för att ni ska förstå mina kommande illustrationer. 

 

Definitionen av begreppet skärm, av Henry W. Ott
"... a metallic partition placed between two regions of space. It is used to control the propagation of electric and magnetic fields from one place to another." 


En kabelskärm är tänkt att vara ett störningsskyddande hölje runt omkring signalledaren och brukligt är att man låter skärmen skapa något som närmast kan liknas vid en tunnel mellan de två berörda apparaternas signaljordar, på så vis tycks kretskorten sitta ihop och att signalen aldrig har lämnat lådan. 


 2c.JPG


Bilden ovan visar den vanligaste metoden att överföra "single end-signaler" mellan två apparater, men är apparaternas chassi  av metall brukar det kunna bli problem med brum. När lådan (buren) runt omkring elektroniken flyter fritt har den en förkärlek att förpesta tillvaron för elektroniken.

 

Den vanligaste lösningen är att man gör en förbindelse mellan signaljord och chassi i respektive apparat.
2d.JPG


Nu ska ni inte tro att alla problem är lösta i och med den enkla manövern, Ånej, är apparaterna jordade kan det dyka upp nya problem. 

2e.JPG
I bilden ovan är båda apparaterna anslutna till elnätets skyddsjord via sina respektive nätkablar. Beroende på hur man löst strömförsörjningen till sin anläggning kan det finnas potentialskillnader mellan apparaternas hölje och då får vi garanterat en jordström. 

 

 

2f.JPG Ström återvänder alltid till sin källa oavsett om
det är via den avsiktliga vägen eller på något
annat vis. - elektroner kan tyvärr inte läsa
kretsscheman.

 

Problemet med jordströmmar är att de oftast använder samma väg som signalens återledare (skärmen) och då är det bäddat för brum och andra störningar. Att den ledare som sammankopplar apparaterna även används som återledare för själva signalen är en av den obalanserade signalöverföringens svagheter som man eliminerar med balanserad överföring.

 

2g.JPG Stjärnjordning verkar vara det effektivaste sättet att
minimera risken för potentialskillnader mellan apparaterna,
ett komplement är att potentialutjämna systemet med
externa jordförbindelser, men detta är ett eget ämne 
som inte är med på den här dagordningen.

 

Konstruktörer brukar kompromissa och göra en liten "fuling" för att på så sätt reducera jordströmmarna och göra apparaten hyfsat immun. Man kan t.ex. ersätta förbindelsen mellan apparatlåda (skyddsjord) och signaljord med en resistor, en kondensator eller med en kombination av dessa komponenter. Se följande bild:

 

 

 2h.JPG Exempel på olika lösningar för att
förbinda signaljord och skyddsjord.

 

 

Olika konstruktörer gör på sitt sätt och olika kretslösningar kan kräva sina speciella lösningar. För att göra det enkelt för mig själv har jag valt att bara kalla det kort och gott för GND (ground) i bilderna, utan att bry mig om hur man har löst det. 
 

 

Share this post


Link to post
Share on other sites

Obalanserad "Single End" signal

 

Överföring av audiosignaler kan göras antingen obalanserat eller balanserat. Obalanserad överföring kallas ofta single end eller kort och gott för RCA efter sin kontaktstandard. Jag ska här visa några av de viktigaste egenskaperna och skillnaderna mellan dessa.
 
Vi börjar med en enkel signalöverföring (Eng. single end):

3a.JPG  Här har vi en signalledare (röd) med skärm och där skärmen
som brukligt även tjänstgör som återledare (signaljord).

 

Följande händer när vi utsätter kabeln för en elektromagnetisk störning:
Störningen som induceras i skärmen kommer att "kortslutas" till jord och försvinna, men även om skärmning är ett väldigt effektivt skydd mot yttre störningar så är ingen vanlig kabelskärm 100% tät. Det kommer oundvikligen att induceras en liten störning i signalledaren också. Om den är stor nog för att påverka slutresultatet beror på störningens elektromagnetiska styrka och skärmens effektivitet vid den aktuella störningens frekvens. 
Flätad skärm är bra på elektriska fält med låga frekvenser, men läcker som ett såll vid höga. Med folieskärm är det precis tvärtom, den är inte så effektiv på lågfrekventa elektriska fält t.ex. från elnätet, men är i gengäld bra på att skydda mot HF/RFI. En kombination av fläta och folie börjar bli allt vanligare, även på signalkablar, men ingen av dessa skärmtyper fungerar dock speciellt bra mot magnetiska fält, de kräver en skärm av ett magnetiskt material med en för ändamålet oanvändbar tjocklek.
  

3b.JPG Bilden visar en obalanserad signalöverföring där vi har utsatt kabeln
för en störning som har ~20 gånger högre frekvens än själva nyttosignalen.


Utsignalen kommer att bli summan av nyttosignalen plus störningen. Mäter vi på signalledaren med den röda mätproben och på återledaren (skärmen) med den blå, så kommer oscilloskopet att visa som den nedre delbilden. Signalen med sin överlagrade störning svänger runt omkring signaljord som är helt stilla (den är ju låst till jord).

Störningar är den obalanserade signalöverföringens absolut största fiende och finns det elektromagnetiska fält av tillräcklig styrka i närheten kommer nyttosignalen ohjälpligt att besudlas. Ju längre kabel, desto större exponeringsyta och därmed också en högre nivå på störningen. Störningar behöver inte vara inom det hörbara frekvensområdet för att påverka slutresultatet negativt, de kan under vissa omständigheter få elektroniken att bete sig på ett okontrollerat sätt och t.ex. få en förstärkare att börja självsvänga. Man kan ju alltid försöka filtrera bort högfrekventa störningar från själva signalen i elektroniken, men är det inte bättre att undvika att signalen smutsas ner redan från början än att försöka rätta till det med ett motfel senare i kedjan?

 

Det diskuteras mycket om hur långa RCA-kablar man kan ha innan man får problem. Svaret är lika svårt att svara på som på frågan "hur långt är ett snöre?".
Det är kabelns uppbyggnad och styrkan/sammansättningen av de elektromagnetiska störningarna som kabeln utsätts för som avgör. I viss miljö kan man säkert ha 3 meter långa RCA-kablar utan problem, men i nästa miljö får man problem med 60 cm. En allmänt uttalad tumregel verkar vara 4' (fyra fot),  d.v.s. ungefär 1,2 meter i modern hemmiljö. På 70-talet fanns varken den typen eller den mängden av störningar som vi har idag och därför ser man ofta i litteraturen från den tiden att 20' (6 meter) var helt OK. Jag vill absolut inte påstå att det inte kan fungera med 5-6 meter långa RCA-kablar i dag också, bara att risken för komplexa störningar har ökat drastiskt och den kommer troligtvis att fortsätta att öka i vårt moderna och alltmer trådlösa samhälle. En lång kabel gör definitivt inte situationen bättre.

(Från och med nu kommer jag inte att rita in SG-anslutningen för in- och utgångar.)
 

Share this post


Link to post
Share on other sites

Balanserad signalöverföring

 

Balanserad signalöverföring kan göras med lite olika teknik. Jag ska här visa på några av de vanligaste varianterna.
 
Det här med "balanserat" är varken voodoo eller någon raketforskning och man hade en väl fungerande lösning på balanserad signalöverföring redan några år efter att dinosaurerna dog ut. 


Det var faktiskt telefonins kämpar som var pionjärerna på det här området redan i slutet av 1800-talet. Många mil med oskärmad kabel hängande i luften krävde en innovativ lösning och det hade varit helt omöjligt att överföra tal på så långa avstånd med vanlig traditionell 2-trådsteknik (signal och jord). (Vi kan ju t.o.m. få problem mellan två apparater som står bredvid varandra på hyllan.) De implementerade en enkel signaltransformator i vardera änden av linjen och så var problemet löst.


Transformatorbalansering

 

Transformatorbalansering används fortfarande, men man har i allt större utsträckning lämnat den gamla tekniken till förmån för aktiva lösningar eftersom bra signaltransformatorer är både dyra, skrymmande och fortfarande lider av en hel del brister.

 

4a.JPG Balanseringens urfader, en lösning från förra sekelskiftet som står sig än i dag.

 

Här ovan ser vi den enklast tänkbara, men ändå fullt fungerande balanserade överföringen. Både röd och blå ledare känner samma impedans eftersom de använder varandra som referenspunkt och inte signaljord som brukligt är. Vi har här en balanserad överföring utan signaljordsrefererade signaler och det kallas då för flytande referens (floating reference). Ledarna är även helt galvaniskt skilda från jord och det kan vara en stor fördel i många tillämpningar. 
 
Kommer ni förresten ihåg citatet från en av de stora kabeltillverkarna?

The XLR connection carries a balanced signal. The hot pin carries the signal, the cold pin also carries the signal
but inverted (think mirror image) and the third carries the earth.
"

 

Nu knäcker vi den första myten/felaktigheten och jag har strukit det felaktiga påståendet. Det finns inget krav på jord här, det behövs inte någon jord för flytande signaler. Balanserad överföring kan alltså klara sig alldeles utmärkt med bara två signalledare. Telefonledningar som exempel, de består ju bara av två ledare. 

Använder vi däremot en skärmad kabel ska vi använda jorden till skärmen, bilden nedan visar skillnaden:

 

4b.JPG Observera att skärmen är ansluten till chassijord (skyddsjord), inte till signaljord. Till
skillnad från den obalanserade tekniken används inte skärmen som ledare för signalen
och ska därför inte heller anslutas till signaljord. Skärmen ska betraktas som en tunnel
mellan två chassi och inte mellan två apparaters signaljord. Eventuella jordströmmar
kommer inte att transporteras i någon av signalledarna, de går via skärmen istället. Smart va?

 

I vissa lägen vill man inte låta signalerna flyta fritt och man väljer då att använda signaljord som referens. 

 

4c.JPG  

 

Det enda som krävs är att transformatorn har ett mittuttag på lindningarna (eng. center tap) eller att primär- respektive sekundärsidan består av två seriekopplade lindningar så man kan använda skarvpunkten som mittuttag. De flesta signaltransformatorer har den här "finessen" och transformatorns mittuttag ansluts då till signaljord. I bland jordar man bara center tap i en ände och ibland i båda. Observera att det är signaljord som används för det här ändamålet, inte skyddsjord.

Om ni tittar på oscilloskopsbilden i underkant på bilden ovan ser ni att vi har vi en symmetrisk motfassignal relativt SG. Röd och blå signal är exakt lika stora och svänger i mottakt. 

På bilden nedan har jag tillfört samma envisa störning igen:

 

4d.JPG Balanseringens förmåga att undertrycka störningar i form av likfasiga signaler (Common Mode).

 

Mäter vi på signalkabels båda ledare ser vi som innan själva motfassignalerna, fast nu med en överlagrad störning också.Tittar du noga så ser du att störningen på de båda ledarna ligger i fas. Nu kommer själva finessen, transformatorn hos mottagaren kommer bara att transformera den spänningsskillnad som finns mellan dess anslutningar d.v.s. bara skillnaden mellan röd och blå signal. Eftersom störningen ligger i fas kommer den inte att påverka skillnaden mellan signalerna. Titta på delförstoringen så ser ni att störningen inte påverkar skillnaden(avståndet) mellan signalerna, båda höjs och sänks lika mycket i takt med störningen. 

En transformator är väldigt bra på att undertrycka dessa likfasiga signaler (common mode signals) och det är precis det som själva balanseringen går ut på. Man kallar detta för en differentialingång.

 

Differentialingången

 

Mycket förenklat kan man se en differentialingång som en simpel balansvåg.


 4e.JPG

 

I exempel A jämför vi två vikter där båda väger 1 och vågen är då i balans. Skalan visar 0, d.v.s skillnaden (differensen) mellan vågskålarna. I exempel B har vi bytt ut båda vikterna mot vikten 10 och det är fortfarande balans på vågen. Det här är väl helt solklart antar jag. I exempel C har vi vikten 2 i den vänstra skålen och vikten 1 i den högra. Vågen visar helt logiskt 1, vilket ju är skillnaden mellan skålarna. I exempel D har vi vikten 11 i den vänstra och 10 i den högra. Balansvågen visar fortfarande bara skillnaden 1, den skiter fullständigt i det som är lika för de båda skålarna.

 

En differentialingång är som sagt också bara intresserad av skillnaden mellan ingångarna och allt som är lika på de båda ingångarna kommer att ta ut varandra på samma sätt som balansvågen gör. Denna förmåga kallas CMR (Common Mode Rejection) och man brukar ange hur bra steget är genom att jämföra in- och utspänning, men då med samma signal på båda ingångarna. Resultatet brukar anges i dB och förkortas CMRR (Common Mode RejectionRatio).

 

4f.JPG Standardförfarande för mätning av en ingångs CMRR.

 

En välbyggd transformator har oftast ett CMRR på över 100dB vilket innebär att "common mode"-störningar undertrycks med faktorn 10 000, eller mer. Kravet är dock att de båda signalledarna har exakt samma impedans, annars försämras funktionen ganska snabbt, se följande bild:

 

4g.JPG Den röda kurvan visar CMRR för den perfekta (ideala) transformatorn
(men den finns inte) och den gröna kurvan visar ett mer realistiskt
värde enligt mina mätningar.

 

Vad är det då som jag försöker säga med den här bilden?
Jo, om drivsteget inte har exakt samma utgångsimpedans på båda utgångarna eller att ingångstransformatorn inte är helt perfekt lindad kommer det att finnas en viss impedans-obalans. Om obalansen är 1% (exempelvis 100 ohm för den ena signalen och 99 ohm för den andra) kommer CMRR att sjunka från 110 dB till 90 dB. Det kan tyckas som en förhållandevis liten skillnad, men 20 dB's minskning av CMRR motsvarar faktiskt 10 gånger högre störningsnivå på utgången.

 

Som ni ser är transformatorbalansering en lysande lösning som ger oss många fördelar, men tyvärr finns det också en hel del nackdelar vilket gör att man i många tillämpningar försöker lösa det på annat vis. Nedan listar jag några av transformatorns för- och nackdelar. Det finns många fler under båda rubrikerna, men de viktigaste argumenten är nog med.

 

Fördelar:

  • Enkel implementering (även en klantig konstruktör brukar lyckas).
  • Mer toleranta mot obalans i ledarimpedansen.
  • Möjlighet till galvanisk avskiljning
  • Hög CMRR
  • Hög överstyrningsreserv
  • Passiv och tillför därför inget brus
  • Kan lätt anpassas till/från obalanserat, typ RCA


Nackdelar:

  • Bra transformatorer är relativt dyra
  • Skrymmande/tung
  • Begränsad bandbredd både uppåt och neråt
  • Inte helt linjära
  • Begränsad impulstransformering
  • "Läcker" höga frekvenser mellan primär och sekundärsidan
  • Känslig för elektromagnetiska fält

 

Här nedan kommer två bilder som visar hur man använt transformatorer för linjeingång respektive linjeutgång på en Studer A80. Både in- och utgång är flytande vilket är den vanligaste lösningen med transformatorer.

 

4h.JPG Från schema över linjeingång och -utgång på Studer A80.

  

Aktiv differentialingång

 

De flesta av våra moderna hifi-apparater som har balanserade ingångar är baserade på någon variant av aktiv differentialingång. Den enklaste och mest använda (enligt mina erfarenheter), är baserad på en eller ibland flera OP-förstärkare.

 

4i.JPG Bilden visar två varianter av en differentialingång med samma funktion, men med olika teknik.

 

Den stora skillnaden att den aktiva ingången inte medger galvanisk isolering. Kravet på exakt symmetrisk impedans finns kvar och är den aktiva variantens verkliga akilleshäl. Matchningen av resistorerna R1 vs R2 och R3 vs R4 avgör hur bra ingångens CMRR blir. Man brukar använda resistorer i området 10-20 kohm i de flesta konstruktioner som jag har undersökt.

 

Vi gör en liten räkneövning.
Resistorerna R1-R4 är på 20 kohm vardera och vi använder standard 1% komponenter. 20 kohm ± 1% ger oss variationer mellan 19,8 - 20,2 kohm. Resistorerna R1 och R3 utgör +signalens impedans och om oturen är framme så plockar vi två stycken 19,8 kohm's resistorer och då blir summan 39,6 kohm. Samma sak gäller för R2 och R4, men oturen gör att vi fick tag i två resistorer med 20,2 kohm. Summan blir då 40,4 Kohm. Impedansskillnaden mellan ingångarna är 0,8 kohm vilket innebär 2% obalans. (en onödigt lång omväg för ett givet svar, eller?)

 

4k.JPG Detta är bara en förfinad "Deluxe" version av vår tidigare ingång.

 

Med denna variant kan man enklare välja vilken ingångsimpedans man vill ha och impedansmatchningen består bara av två resistorer istället för fyra (Ra och Rb). Ni kommer snart att förstå varför det är så viktigt, det är nämligen impedanssymmetrin i överföringskedjan som är "The Holy Grail" för balansering. Matchningen av resistorerna R1 vs R2 och R3 vs R4 är fortfarande lika viktig för att erhålla en hög CMRR i ingångssteget.

 

Följande bild visar funktionen av CMRR vs impedansobalansen för ett aktivt ingångssteg:  

 

4j.JPG

 

Här ser vi alltså hur obalansen i de båda signalernas impedans påverkar stegets CMRR.

Med ett perfekt matchat steg kan man teoretiskt uppnå ~120dB, men redan vid 0,1% avvikelse mellan impedanserna har CMRR halverats. Vi ser också att med våra 2% obalans får vi ett CMRR på 35 dB. Att dämpa störningarna med 35 dB (faktorn 56) är givetvis bättre än inget alls, men det känns ändå lite väl lågt. Minst 45 dB borde kunna vara ett realistiskt krav. 

 

Jag har mätt på ett antal ingångssteg under årens lopp och oftast brukar de aktiva differentialingångarna ha ett CMRR på 30-60 dB. Det spelar faktiskt ingen roll i vilken prisnivå apparaterna ligger, det är oftast lika bra/illa oavsett vilken division apparaten spelar i. Det skiljer till och med ganska mycket mellan ingångarna i samma apparat och det verkar mest vara slumpen som avgör. Det är nog väldigt sällan som tillverkaren verkligen matchar de ingående resistorerna till perfektion,  man använder antagligen vanliga standard 1% motstånd direkt från lådan och då blir det vad det blir. Lotteri med andra ord. Nu finns det absolut ingen anledning att stressa upp sig över värden nere på 30-40 dB för det är oftast fullt tillräckligt i vår hemmiljö, men samtidigt kan jag inte förstå varför man lägger ner så stora belopp på exotiska kondingar, extremt lågbrusiga motstånd och svindyra kontakter och sedan skiter de fullständigt i en sådan här grej. Hur tänker de?

 

När vi nu är inne och tafsar på begrepp som in- och utimpedanser kan vi passa på att ta en liten avstickare från huvudspåret:
Den standard som etablerades i audiobranchens barndom har sitt ursprung från telefoniindustrin. Standarden sattes vid den tiden till en impedans på 600 ohm,signalnivån till 775mV och det mättes i enheten dBm vilket refererar till DecibellmilliWatt som levererades till lasten (mottagaren). En mW = 0dBm, vilket motsvarar 775mV över 600ohm. 


För den nyfikne kommer här en liten historisk förklaring till 600 ohm's standarden.
Det hela började som sagt i telefonins barndom där man hade svårt att överföra signaler längre sträckor utan betydande förluster. Ganska tidigt kom ingenjörerna hos Bell Laboratories på att den optimala effektöverföringen uppnås om både signalleverantören och signalmottagaren har samma impedans, så kallad effektanpassning.

 

4l.JPG Överförd effekt relativt ingångsimpedans vid 600 ohm's utgångsimpedans. 

 

Valet av just 600 ohm kom sig av att dåtidens telefonkablar hade en karakteristisk impedans på just 600 ohm vid de aktuella frekvenserna (upp till 15 kHz) och då var impedansen given eftersom både signalkälla och mottagare ska ha samma impedans som kabeln. Detta koncept med lika impedanser hos "källa->kabel->last" kallas allmänt för en "transmission line" och det som ligger närmast till hands i vår vardag är nog förbindelsen mellan TV-antenn och TV-mottagare. Antennen uppvisar en impedans på 75ohm, kabeln (t.ex. RG59) är en 75 ohms koaxialkabel och TV'ns antenningång har en impedans på 75 ohm.


Den här standarden var inte framtagen med välljud som mål, det var enbart av praktiska själ man gjorde det här valet. På den tiden hade man bara rör att tillgå som förstärkande element och det stora problemet med rör är att de har väldigt hög utimpedans och att de jobbar med höga spänningar. Detta utgångsläge stämmer tyvärr inte alls med varken en impedansstandard på 600 ohm eller med den önskade signalnivån.

 

Lösningen var att applicera en transformator i respektive ände av 600 ohm's ledningen för att anpassa såväl impedans som signalnivå till lämpliga värden. Detta är dock en dyr och klumpig lösning, bra transformatorer är inte billiga och i rent välljudssyfte är det t.o.m. helt förkastligt enligt många så kallade experter.
Ingenjörerna inom audioindustrin kom så småningom på att om man håller utgångsimpedansen väldigt låg (nära noll) och ingångsimpedansen hög kan man skicka audiosignaler hyfsat långa sträckor utan de signalförluster och bandbreddsbegränsningar som 600 ohm's tekniken med transformatorer faktiskt innebär. Våra audiosignaler handlar helt och hållet om spänningsnivåer, inte effekt. Förutsättningen för att den nya principen skulle fungera optimalt var att varken signalkällan eller mottagaren uppvisar ett reaktivt beteende, vilket en transformator faktiskt gör.
Detta "nya" koncept var alltså inte praktiskt realiserbart förrän på 50-talet när transistorn gjorde sitt intåg och ersatte rören i drivstegen. Med en transistorlösning kan man göra en utgång väldigt låg-ohmig och helt resistiv, ingången kan göras relativt hög-ohmig och även den rent resistiv och därmed var en helt ny era att överföra signaler född.

 

För den nyfikne kan jag rekommendera litteraturen:

"Impedance -- Matched or Optimum" av William B. Snow, skriven 1957, eller varför inte en kort läsning av "UnityGain and ImpedanceMatching" skriven av StrangeBedfellows (1991). http://www.rane.com/note124.html, finns även som PDF http://www.rane.com/pdf/ranenotes/Unity_Gain_&_Impedance_Matching.pdf


Istället för att som tidigare överföra effekt övergick man till ren spänningsöverföring, men man har konstigt nog fortsatt att använda enheten dBm trots att det inte handlar om effekt (mW) längre. 0dBm motsvarar ju 775mV över 600ohm = 1mW, men fortfarande räknas 775mV som 0dBm oavsett ingångsimpedans. 
Med den moderna halvledartekniken kan man uppnå betydligt effektivare signalöverföring och så länge kabellängden håller sig under 1/10-1/4 (olika skolor) våglängd av den högst förekommande frekvensen behöver man inte bry sig om att använda en "transmission line" (20 kHz ger en våglängd på 15 km). Det är ju förhållandevis sällan vi använder signalkablar på 1,5km, eller längre i audiosammanhang, eller? 

Den här "nya" metoden att impedansanpassa signalen baseras på en relativt hög dämpfaktor för att bl.a. minimera kablarnas påverkan, öka bandbredden och minska signalförlusterna. Hög dämpfaktor uppnås med en låg utgångsimpedans (bra drivförmåga) och en hög ingångsimpedans (liten belastning). Dämpfaktorn är ingångsimpedans(Zin) / utgångsimpedans(Zut) och rekommendationerna från de flesta håll säger en faktor på minst 10 och helst över 100. Denna metod kallas allmänt för "Bridging".

 

4m.JPG Kanske inte en helt perfekt liknelse, men jag
tror ni förstår vad som menas med dämpfaktor.


Ett exempel: En utgångsimpedans på 100 ohm och en ingångsimpedans på 47 kohm ger dämpfaktorn 470. Börjar dämpfaktorn krypa ner mot 5 eller ännu lägre, tappar vi bl.a. bandbredd, en försämrad dynamik och det brukar oftast låta ganska livlöst, ”murrigt” och allmänt tråkigt. Vi tappar även signalamplitud som i sig resulterar i ökat brus eftersom man måste skruva upp volymen mer och därmed får man ett försämrat signal-brusförhållande vilket i sin tur påverkar dynamiken negativt. 
Gör man ingången för hög-ohmig kan den bli känsligare för störningar och gör man utgången för hög-ohmig försämras dess förmåga att driva kablar med lite högre kapacitans. En hög-ohmig utgång och en kapacitiv last (kabel + ingång) påverkar bandbredden negativt. Man förlorar signal i det övre frekvensregistret.
Det är ganska vanligt att man lägger sig på 10-1000 Ω på utgången och 10kOhm-100 kOhm på ingången (rörförstärkare har oftast de högre värdena), men t.ex. Shindo's försteg "Aurieges" har en utgångsimpedans på 3 Kohm och ska du ansluta ett "vanligt" transistorslutsteg med en ingångsimpedans på ~10 Kohm finns risken för en hörbar missanpassning. En kombination som ger en dämpfaktor på 3,3 är signalmässigt inte något vidare bra äktenskap, men samtidigt  finns det lyssnare som trots allt föredrar soundet som en låg dämpfaktor ger.

Signal/impedansanpassning är definitivt ett spännande ämnesområde som borde kvalificera sig till en helt egen tråd. Någon kanske känner sig sugen att ta upp den bollen. 
Jag avslutar det här sidospåret med några av mina egna erfarenheter/reflektioner om signalanpassningsproblemen.


Tyvärr finns det oändligt många kombinationer eftersom man inte har enats om en uttalad standard på konsumentelektronik och blandar man hifi-apparater från olika tillverkare och/eller tidsepoker kan det ställa till med problem. De flesta prylar från 70-talet och en bit in på 80-talet hade en ingångskänslighet på 150-200mV, men en modern CD-spelare levererar oftast 2V signal. Det är alltså stor risk att man överstyr ingången på en gammal förstärkare med en så hög signal. 
Man har också stora skillnader på in- utgångsimpedans mellan olika årgångar och även mellan olika fabrikat. Vill man göra det enkelt för sig så köper man t.ex. för- och slutsteg från samma tillverkare för då vet man att de lirar ihop. Vill man kombinera ett rörförsteg med ett transistorslutsteg bör man nog läsa på lite i databladen innan köp. Ska man ansluta en modern signalkälla till en gammal förstärkare kan man behöva använda en dämpsats för att inte överstyra ingången. En gammal signalkälla t.ex. en QUAD FM4 radiodel ger bara en utsignal på ~200 mV och om du då kopplar den till en modern förstärkare som kanske har en ingångskänslighet på 1 V (eller mer) kommer signalen att vara 14 dB lägre än övriga signalkällor. Det kommer inte bara att vara irriterande lågt, det blir garanterat för mycket brus också. Ett gammalt proffs-slutsteg med en ingångsimpedans på 600 Ω låter sig inte drivas av ett hög-ohmigt försteg typ Shindo Aurieges utan stor risk för tillkortakommanden. En utgång med så hög impedans ställer också betydligt större krav på kablarna och redan en ganska måttlig kabelkapacitans kan ge en hörbar avrullning i det övre registret.


"Therefore, unless you're the telephone company with mile-long cables, source and load impedances do not need to be matched ... to 600 ohms or any other impedance."
 --- Bill Whitlock, president & chief engineer of Jensen Transformers, Inc. and AES Life Fellow.


Varifrån kommer signalen och vart är den på väg?
För att kunna säkerställa en fullgod signalöverföring mellan två punkter krävs det att ovanstående frågor kan besvaras. Nu handlar det tyvärr inte bara om att identifiera vilka burkar och vilka kontakter på respektive burk som ska användas, nej, vi måste även tillgodose att dessa båda ändar fungerar tillsammans. 
Vi har bl.a. parametrar som signalamplitud, in- / ut-impedans och inte minst själva överföringsprincipen att ta med i formeln och det är definitivt inte alla kombinationer som fungerar optimalt tillsammans, vissa är t.o.m. helt förkastliga.
Förhoppningsvis har ni fått lite kött på benen nu när ni har kommit så här långt i tråden och jag lovar mer av den varan om ni orkar läsa vidare.

 

….så, nu fortsätter vi med ”balansering”. 
Kommer ni ihåg vad jag sa tidigare? En balanserad överföring behöver inte nödvändigtvis innehålla två motfassignaler, kravet är bara att båda signalledarna ska ha samma impedans till sin referenspunkt, vilken oftast är signaljord i ICKE flytande konstruktioner.

 

 

Aktiv balanserad överföring

 

Följande bild illustrerar en balanserad överföring mellan två apparater utan att använda symmetriska signaler:

 

4n.JPG En genialisk lösning som enkelt tillgodoser grundkravet
för balanserad överföring, nämligen perfekt impedanssymmetri.

 

Signalleverantörens utgång är en ensam "single end" signal och det enda man har förändrat hos signalleverantören är att man lagt till en resistor (Zret) mellan inkommande returledning och SG. Zret måste ha exakt samma värde som drivstegets utgångsimpedans (Zout), det är nämligen hela hemligheten.
Hos mottagaren hittar vi den stora skillnaden jämfört med den obalanserade varianten. Den vanliga "single end" ingången har här ersatts med en differential-ingång och som ni ser är inte någon av de två signalbärande ledarna (röd eller blå) direkt förbundna med SG längre.
 
Nu lägger vi till vår störning igen:

 

4o.JPG

 

I och med att båda signalledarna har exakt samma impedans till SG kommer störningen också att induceras lika mycket i båda ledarna. Den röda ledaren innehåller precis som vid obalanserad överföring själva nyttosignalen, men nu överlagrad med störningen och den blå returledaren kommer nu att innehålla störningen eftersom den inte är ansluten/bunden till jord längre. I den blå ledaren ser vi alltså exakt hur störningen som har smittat vår nyttosignal ser ut. Röd och blå signal jämförs i ingångssteget och det som är gemensamt på de båda ingångarna kommer att dämpas. I detta fallet är det bara störningen som är gemensam och utsignalen kommer därför att vara närmast befriad från störningen.
 
Vad vi vinner på den här överföringsprincipen är väl ganska glasklart, vi kan få en närmast total eliminering av de störningar som signalen har besudlats med under sin resa från leverantör till mottagare, givetvis under förutsättning att apparaterna är korrekt byggda.

 

Nu återkommer jag till citatet från kabeltillverkaren?

"The XLR connection carries a balanced signal.  The hot pin carries the signal, the cold pin also carries the signal
but inverted (think mirror image)
and the third carries the earth."

 

Det som bevisligen inte stämmer i det påståendet är nu överstruket, och det rödmarkerade visade vi tidigare att det var felaktigt. Det blev inte så mycket kvar... Jag må vara gnällig, men ska man inte hålla sig till de vedertagna definitionerna även om man jobbar på marknadsavdelningen?

 

Om nu lösningen ovan är sååå bra, varför har vi då oftast symmetriska motfassignaler i vår XLR-kontakt?
Jo, att implementera symmetriska signaler tillsammans med balanserad överföring ger oss ytterligare fördelar. Symmetriska signaler används främst för att motverka att själva signalen inte stör andra prylar. Det elektromagnetiska fältet runt en kabel med symmetriska signaler kommer att vara noll, vilket gör att den inte kommer att störa andra signaler/apparater i dess närhet (överhörning). I vår hifi-värld har det kanske inte så stor betydelse, men risken för överhörning finns givetvis om signalkablarna ligger tätt ihop och flera signalkällor är igång samtidigt.

 

big-copper-bundle%20(Small).jpg Bild på en telefonkabel där många signaler kan
förekomma samtidigt och risken för överhörning är stor.

 

Det är inte bara överföringen mellan apparaterna som kan vara balanserade. Kretslösningen i själva apparaten kan också vara det och då brukar man föredra att använda symmetriska. Jag kommer till balanserade apparater lite senare.

 

 

Aktiv balanserad driver för symmetrisk signal

 

4p.JPG Bilden visar en enkel aktiv lösning som motsvarar en transformator på utgången.

 

Utgångssteget ovan jobbar med en princip som motsvarar en transformator med SG-jordad "center tap" på sekundärsidan. Man kan se det som två helt separata obalanserade motfassignaler som refererar till och svänger runt omkring signaljord. Varje utsignal har oftast samma amplitud som insignalen och skillnaden mellan utsignalerna blir då dubbelt så stor som insignalen. När den ena signalen har +1 V har den andra värdet -1 V och skillnaden blir sålunda 2 V. Fördubblat spänningssving motsvarar en höjning med +6 dB och här har vi ytterligare en fördel med symmetrisk signal. Drivkretsen kan alltså leverera en differenssignal som är större än sin matningsspänning och det ger också ett ökat headroom.

Nästa variant av utgångssteg är med flytande utgång:

 

4q.JPG En "förfinad" version som ger flytande utgång.

 

Här har vi ett drivsteg vars utgångar inte refererar till signaljord, jämför med transformatorn till vänster i bilden. Skillnaden är att det aktiva steget tyvärr inte ger den galvaniska isolering som transformatorn gör. Här kan man inte mäta en "single end"-signal relativt signaljord.
 
Mer om detta lite senare. 
Det finns givetvis många fler varianter på drivsteg med symmetrisk utsignal, men det känns onödigt att visa upp en hel bukett med olika kretslösningar när det bara är själva principen som är på dagordningen.

 

Aktivt balanserad överföring med symmetriska signaler

Studera följande bild:

4r.JPG Det här är en vanlig metod i våra halvledarbaserade hifi-apparater (troligtvis den vanligaste).

 

Drivsteget matas med en single end-signal och gör om den till symmetriska signaler. Signalerna går vidare genom en skärmad två-ledare och landar i ett differentialingångssteg som plockar bort de likfasiga störningarna och levererar vår single end-signal på utgången, fast nu utan störningar. Signalöverföringen är i stort sett immun mot inkommande störningar och tack vare den symmetriska signalen kommer den inte att störa övrig utrustning.
 
Så, är lyckan total om vi har snörat ihop hela anläggningen med XLR-kablar istället för med RCA?
 
Nej, knappast. Balanserade in- och utgångskretsar är betydligt mer komplicerade och mer kostsamma att tillverka än motsvarande för RCA så vissa tillverkare snålar tyvärr in på komponenterna för att hålla nere tillverkningskostnaden. När så är fallet kan faktiskt den obalanserade överföringen låta betydligt bättre än den balanserade. Jag har sett flera riktigt dåligt implementerade lösningar som enligt mig aldrig borde fått gå i produktion, även hos mer namnkunniga fabrikat. Man har t.ex. satsat allt krut på att åstadkomma perfekta symmetriska signaler, men har helt missat att det måste vara exakt samma impedans för de båda signalerna också för att det ska fungera. 

 

Det tog ganska många år innan man hade tillräckligt bra alternativa (aktiva) lösningar som kunde ge transformatorn en hyfsad match, men transformatorn används fortfarande ganska frekvent, framförallt inom studio/proffsbranchen. En stor fördel med transformatorbalansering jämfört med de aktiva varianterna är att apparaterna kan skiljas åt galvaniskt (signalmässigt) och det överväger i många fall transformatorns nackdelar. Transformatorns förmåga att undertrycka common mode-störningar är väldigt bra vid rimliga störningsfrekvenser, men tyvärr "läcker" den igenom en del av de höga frekvenser som börjar bli allt vanligare och ställer till med allt större problem i vårt moderna samhälle. Det var ju inte så mycket mobiltelefoner, wifi och bluetooth som störde i början av 1900-talet.
 
I dag finns det specialtillverkade IC för balanserad överföring och vissa av dem påstås vara framtagna speciellt för hifi-bruk. Färdiga differentialingångar med matchade komponenter som har ett CMRR på 80-90 dB paketerade i en 8-pin kapsel för några tior. Drivkretsar för symmetrisk flytande utsignal med 0,01% impedansavvikelse för priset av en dosa snus. 

 

2xIC.jpg Exempel på balanserad överföring baserad på färdiga kretsar.

 

Hur pass välljudande de här kretsarna är vill jag inte kommentera här, men de används ganska flitigt även i professionell utrustning typ mixerbord och liknande och det är ju faktiskt i den miljön som våra skivor blir till.

 

Share this post


Link to post
Share on other sites

Balanserade apparater

 

Många försteg har både balanserade in- och utgångar, men inuti apparaten är signalen en vanlig single end.
Varför då?

Jo, har man långa kablar och/eller bor i en störningsrik miljö kan ju balanserad överföring mellan apparaterna vara ett bra alternativ. Följande bild visar en "typisk" anläggning där både CD-spelaren och slutsteget ansluts till försteget med balanserade kablar, men ingen av apparaterna är balanserat uppbyggd:


 5a.JPG
 
Nackdelen här är att signalen ska omvandlas från DAC'ens obalanserade signal till balanserad för vidare transport i signalkabeln till försteget där den omvandlas tillbaka till obalanserad. Försteget processar signalen som ”single end” och omvandlar den till balanserad innan den skickas vidare till slutsteget som omvandlar den tillbaka till obalanserad igen. Ju fler aktiva steg signalen passerar desto större risk för brus och distorsion. Det är alltså ingen självklarhet att det låter bättre bara för att man kör via balanserade kablar, men man har förhoppningsvis inga störningar. 
Har man inga större elektromagnetiska fält i sin omgivning, ingen mobilmast i närheten, inget wifi, inga varvtalsreglerade motorer, inga dimmade lampor o.s.v. kanske det inte blir någon vinst alls med balanserad överföringsteknik. Störst nytta gör det oftast där du har den minsta signalen och det brukar normalt vara mellan för och slutsteg.
 
Det är synd att inte fler apparattillverkare implementerar balanserade utgångar, men utan den extra elektronik som krävs för att skapa symmetriska motfassignaler. Jag tror det är väldigt sällan som vi har problem med överhörning i hemmamiljö och då försvinner ju ett av huvudargumenten för symmetriska signaler. Utgångssteget kan vara detsamma för både RCA som för XLR och den extra tillverkningskostnaden inskränker sig då till ett par XLR-kontakter, några resistorer och att göra två hål till i lådan. Jag har testat att göra denna mycket enkla kompletteringen i ett RIAA-steg som var placerat så det krävde 6 meter långa signalkablar till försteget. Resultatet med 6 meter långa RCA-kablar var inte acceptabelt på grund av för mycket bakgrundsljud, men med en enkel balanserad överföring (utan symmetriska signaler) blev det helt störningsfritt.

Det finns en del tillverkare som har tagit den balanserade tekniken på allvar och konstruerat hela apparaten balanserad rakt igenom med symmetrisk kretslösning. Den stora skillnaden mot en traditionell single end lösning är att hela signalkedjan är dubblerad. Det krävs nämligen fyra individuella signalvägar, en för höger kanals +signal, en för höger kanals -signal och samma för vänster kanal. Dessutom måste varje kanals båda signalvägar vara identiska spegelbilder av varandra både vad gäller signal som impedans. 

Det blir en betydligt komplexare och dyrare lösning än en "vanlig" single end förstärkare. Men varför ska man kompromissa? Går det att realisera så varför inte?


 5b.JPG
  
Som jämförelse visar följande bild vad som motsvarar samma funktion, fast i ett obalanserat utförande:


 5c.JPG
 
Det är kanske inte så svårt att förstå varför balanserade apparater kostar lite mer än sina obalanserade kusiner. Det blir en hel del extra jobb att utveckla en balanserad apparat och även om komponenter rent generellt är ganska billiga så kostar det mer att bygga balanserad elektronik.
 
Helbalanserad (symmetrisk) kretslösning har självklart både för- och nackdelar, men fördelarna uppväger med få undantag nackdelarna under förutsättning att konstruktören kan sitt jobb och att tillverkningsledet inte slarvar, eller prutar på toleranserna. Det finns tyvärr gott om klåpare som både titulerar sig som konstruktör och än värre jobbar som det, men det förekommer säkert också att en för övrigt välkonstruerad produkt degraderas av att Excel-folket (ekonomerna) kräver lägre tillverkningskostnader för att produkten ska passa i ett visst prissegment. I resten av texten förutsätter jag att konstruktionen är "riktigt" gjord och att kravet på såväl signal- som impedanssymmetrin är väl tillgodosedd.
 
En av fördelarna med en symmetrisk kretslösning är att man sänker bruset med ~6dB vilket gör att S/N (signal/brusförhållandet) ökar med motsvarande värde. En annan fördel är att distorsionen faktiskt minskar. De två motfassignalerna har en förmåga att släcka ut viss distorsion som en obalanserad kretslösning inte har.
Ytterligare en och definitivt inte en försumbar fördel är att många problem som nätdelar rent allmänt är behäftade med kommer att få en klart reducerad påverkan. 
Även om det skulle bli vissa orenheter i matningsspänningen av t.ex. rippel, inkommande störningar från elektromagnetiska fält eller nätstörningar via nätkabeln kommer de att drabba både +signalen och -signalen lika mycket och samtidigt. Känner ni igen det?
 
Väljer man ett utgångssteg med bra/hög CMRR kommer de likfasiga störningarna från matningsspänningen att undertryckas till en väldigt låg nivå. Utsignalen kommer att vara förhållandevis ren från oljud (förutom musiken alltså) och bakgrundstystnaden (den beryktade svärtan) kan bli starkt beroendeframkallande när man väl har lyssnat på vad en välkonstruerad och helbalanserad anläggning kan prestera. (min högst personliga uppfattning).

 

Share this post


Link to post
Share on other sites

Kablar och kontakter

Det finns en uppsjö olika kabel- och kontakttyper som används för signalöverföring inom audio. Här kommer en redogörelse för de vanligaste och deras egenskaper.
 
En kabel för balanserad överföring måste innehålla två ledare och helst vara skärmad:
6a.JPG 
  
Hela tanken med balanserad överföring är ju att eliminera störningar och då är det viktigt att störningen drabbar båda ledarna exakt lika mycket och exakt samtidigt. Med två parallella ledare kommer troligtvis den ena ledaren att ligga närmare störkällan än den andra och då induceras det också en högre spänning i den:
6b.JPG 
  
Det kommer också att bli en liten tidsskillnad mellan ledarna. Bilden ovan överdriver både detta fenomen och amplitudskillnaden av pedagogiska själ.  Oavsett hur mycket (eller lite) det handlar om, så är det inte bra, det som skiljer mellan de båda ledarnas störningsnivå kommer ju att passera differentialingången och finnas kvar som smolk på nyttosignalen.
 
Lösningen är att tvinna de båda ledarna så att de hela tiden byter plats och så enkelt har man löst det problemet:
6c.JPG 
 
Kablar avsedda för balanserad överföring är därför partvinnade eller flätade på något sätt.

 

XLR -> XLR

Den standardiserade kontakten för balanserade signaler kallas XLR (Cannon X Series Latch Rubber). Det finns fler kontakttyper typ 1/4" telepropp (TSR), men för hifi är nog XLR närmast allenarådande.
 6d.JPG
 XLR-kontaktens pindefinition enligt IEC
 
Vilken signal som finns på vilket stift har historiskt varit en källa till konflikt. Ampex valde tidigt stift 3 för +signalen (hot) och många Amerikanska tillverkare hakade på. IEC standardiserade stift 2 som +signal, stift 3 som -signal och stift 1 till jord. Under 1980-2000 var det fortfarande många och främst USA-tillverkade apparater som fortfarande höll fast vid Ampexkonventionen, d.v.s stift 3 som +signal. Att stift 1 ska användas för eventuell jord har det aldrig varit några tvetydigheter om och flera tillverkare av kontakter gör stift 1 lite längre så att det ansluter före de andra och således minskar störningar vid in/urkoppling. Idag verkar det som att en klar majoritet av världens tillverkare kör enligt IEC-normen. Det enda som händer är att signalen blir fasvänd 180 grader, men t.ex. i ett biampat system kan det bli problem om ett av slutstegen följer Ampex och det andra IEC.

 

RCA -> XLR

Ibland finns behovet av att kunna ansluta en obalanserad apparat till balanserad ingång. Söker du på nätet efter "RCA to XLR converter" får du oftast träff på följande koppling:
6e.JPG 
 
 Med denna koppling tappar man all CMRR som den balanserade ingången faktiskt erbjuder. Man har direktjordat -ingången med en bygel mellan stift 1 och 3 i XLR-kontakten.
 
Väljer du istället en kabel med två ledare plus skärm och gör enligt bilden nedan så kan du faktiskt tillgodogöra dig  20-30 dB CMRR i ingången.
 6f.JPG
  
Båda varianterna fungerar givetvis och du kommer att få ljud ur högtalarna oavsett vilken du väljer, men det är synd att inte använda fördelen som en balanserad ingång faktiskt kan erbjuda.
 
Jag rekommenderar dock att göra enligt bilden nedan:
 6g.JPG
 
Anslut båda ledarna och skärmen i XLR-kontakten, men skippa skärmen i RCA-kontakten så får du bästa symmetrin. Du kan tjäna ytterligare några dB i CMRR på det viset. Oavsett vilken kabel du använder kommer du sannorlikt att tappa ~6dB i nivå på signalen. En balanserad ingång förväntar sig en signalamplitud som är minst dubbelt upp mot vad en obalanserad utgång ger.
 
En annan lösning är en extern omvandlare med transformator från RCA till balanserat och då kan du använda standardkablar istället. Oftast har de också en omsättning på 1:2 eller 1:4 för att ge en vettig signalnivå.

tx-afc1m.jpg
Detta är bara ett exempel, det finns en uppsjö av både passiva och aktiva enheter.

 

XLR -> RCA

 

Hade du tänkt dig att ansluta en apparat med balanserad utgång till en RCA-ingång kan det faktiskt bli lite problem.
Har din apparat en aktiv och flytande utgång bör du enligt AES (Audio Engineering Society) göra så här:
6h.JPG 
  
Använd skärmad enledare. Bygla stift 1 och 3 i XLR-kontakten och anslut till kabelns skärm. Skärmen ansluts sedan till RCA-kontaktens GND. Innerledaren ska från XLR-kontaktens stift 2 till RCA-kontaktens signalpinne. Det verkar som att "köpekablar" och färdiga adaptrar närmast uteslutande bygger på denna princip.
 
Har däremot din apparat en flytande transformatorutgång kan du göra såhär:
 6i.JPG
 
Använd en skärmad tvåledare och löd in alla ledare i XLR-kontakten. Anslut sedan -signalen (från 3) och GND (från 1) till RCA-kontaktens jord. +signalen (2) går direkt till RCA-kontaktens signalstift. Denna lösning med att sammanbinda -signalen och GND i RCA-kontakten ger dig bättre immunitet mot störningar, men kräver flytande transformatorutgång för att fungera. Gör inte såhär om du har en aktiv flytande utgång, det kan orsaka självsvängning hosdrivsteget. Ovanstående exempel är hämtat från AES rekommendationer.
 
Det finns ytterligare en väl fungerande variant där man helt enkelt skippar att ansluta skärmen i RCA-änden. 
 6j.JPG
  
Jag kan tycka att impedanssymmetrin för utgången blir bättre så här och kan inte se att det skulle påverka störningsimmuniteten negativt. Om det i praktiken spelar någon roll vill jag inte spekulera i utan att först ha kontrollerat med praktiska tester. En fördel med denna variant är att man bryter upp eventuella jordströmmar mellan de båda apparaterna. 
Risken finns att du överstyr RCA-ingången när du går från XLR till RCA eftersom signalen från den balanserade utgången har en betydligt högre signalamplitud än vad en RCA-ingång normalt är tänkt för. Tänk på att ingen av dessa kablar fungerar på en icke flytande utgång och om du inte vet vilket du har blir det lite av ett lotteri.
 Vad händer då om jag använder en kabel avsedd för en aktiv flytande utgång till en icke flytande utgång?
 6k.JPG
  
Tittar vi på transformatorn så ser vi att den nedre halvan av sekundärlindningen nu är kortsluten och på den aktiva kretsen kommer utgången Out- att kortslutas till signaljord. Det är antagligen inte hälsosamt för varken transformatorn eller den aktiva kretsen. En transformator med halva sekundärlidningen kortsluten låter inte bra, jag vet av erfarenhet. Det finns givetvis lösningar på detta också och det gäller bara att veta hur apparaterna är uppbyggda, men hur många av er vet det?

I följande bild använder vi bara halva utgången, vi tar bara +signalen och GND med oss till RCA-kontakten.
 6l.JPG
  
Denna kabel kommer dock inte att fungera på en flytande utgång.
 Vem har sagt att det ska vara enkelt?
 

Jag tar ett exempel som dök upp för ett litet tag sedan. Apparaten är en MERGING+NADAC och ägaren ville använda de balanserade utgångarna till en extra förstärkare som bara har RCA-ingångar. 
Spec'en lyder:
BALANCED ANALOG OUTPUT
Connector: gold-plated male XLR
Impedance: 40 Ohms
Max output level: 18 dBu (6.1 Vrms)

Läser man lite djupare i deras tekniska dokumentation hittar man även följande information:

 nadac.jpg
 
Här kan vi snabbt och enkelt dra slutsatsen att den vanligast förekommande lösningen på kabel/adapter mellan XLR-utgång och RCA-ingång inte får användas. Anledningen är att XLR-utgången inte är flytande. Väldigt många av våra apparater som inte har en transformator på XLR-utgången är faktiskt byggda på det här viset, men tyvärr är det allt för få tillverkare som klart och tydligt deklarerar hur utgången är gjord.


Använder vi den vanligaste kabel/adapter som finns att köpa kommer det rent elektriskt att se ut så här:
 6m.JPG
 
Utgången har enligt spec en impedans på 40 ohm och det motsvarar resistansen på Zout+ plus Zout-.  Out- (stift 3) kommer ju att kortslutas till GND (stift 1) och drivkretsen för -signalen kommer att få jobba mot en kontinuerlig last på 20 ohm medan +signalen känner en last på ett antal 10 Kohm. Utgångskretsen är konstruerad för att jobba mot en balanserad impedans med väldigt låg obalans och kommer sannorlikt inte att trivas i sin nya arbetssituation. Den kanske överlever, men det är inget som varken jag eller MERGING rekommenderar i alla fall.
 
En lämplig kabel tillverkades, men signalnivån blev alldeles för hög för förstärkarens ingång och det resulterade i närmare 100% dist. Ett par resistorer som dämpning i respektive kontakt löste förvisso problemet, men det är ju inte alla som varken har kunskapen eller erforderliga komponenter och utrustning att göra en sådan operation.
 
Måste ni ansluta en balanserad utgång till en RCA-ingång gäller det att ni tar reda på hur utgången är byggd först. Har ni inget annat alternativ än att använda den balanserade utgången och inte kan få nödvändig information från tillverkaren finns det egentligen bara en lösning. Köp en extern omvandlare. Antingen en passiv med transformator eller en aktiv variant. De flesta omvandlare har även möjligheten att anpassa utsignalens signalnivå och då löser ni det problemet också. Det finns många olika modeller att välja på och här kommer bara några exempel:
ISO-MAX_Jensen (Small).JPG 
Jensen Transformers PC-2XR XLR/RCA Audio Converter Balanced to Unbalanced
 
 SES-AUD-XLR-RCA (1).JPG
Sescom AUD-XLR-RCA 1-Channel XLR to RCA Balanced to Unbalanced Audio Converter
 
 xlr-rca.jpg
Australian-Monitor-GET-DOWN-Pro-XLR-to-Consumer-RCA

 

Groundlift Switch

Studios och proffsindustrin har länge brottats med jordproblem/brumslingor och man ser ofta apparater med en switch märkt "Ground Lift". Med den kan man ändra hur och om in- och utgångar ska jordas, eller inte. Den vanligaste funktionen ser ni på bilden nedan och den kan finnas på både ingångar och utgångar:
6n.JPG 
  
Vad man gör är att bryta jordslingan mellan jordade apparater genom att bara jorda skärmen i den ena änden.

Det finns även apparater med följande funktion. Här kan man inte bryta joden till skärmen helt:
 6o.JPG
  
Det är oftast på transformatorbaserade apparater som man ges möjligheten att välja, hos deras halvledarkusiner är det konstruktionen som avgör, typ på MERGING+NADAC som beskrevs ovan.
 Man brukar allmänt benämna detta som " Pin 1 problem", det har diskuterats fram och tillbaka och det har skrivits spaltmeter utan att man har kommit närmare en enhetlig standard. Det finns s.k. isolationstransformatorer som ger användaren en mångfald av möjligheter. Nedanstående är från en ISO-MAX PI-2XX:
 PI-2XX-wiring.jpg
 ISO-MAX PI-2XX isolationstransformator.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Sammanfattning

 

I denna tråd har jag försökt redogöra för de vanligaste begreppen och lösningarna för balanserad signalöverföring inom audio, varför man väljer olika lösningar och i stora drag vad de innebär.
 Balanserad överföring förutsätter en perfekt impedanssymmetri och man kan se det som att man tillgodoser en helt perfekt väg för signalerna. Balansering handlar alltså bara om vägens beskaffenhet, inte vad som transporteras på den (signalen).

Jag citerar Henry Ott från en av hans böcker:


“A balanced circuit is a two-conductor circuit in which both conductors and all
circuits connected to them have the same impedance with respect to ground and
to all other conductors. The purpose of balancing is to make the noise pickup
equal in both conductors, in which case it will be a common-mode signal which
can be made to cancel out in the load.”
                                                                                        - Henry Ott

 

Har du långa kabelvägar och/eller bor i en miljö med mycket elektromagnetiska störningar kan det verkligen vara värt att testa balanserad överföring (om du nu har möjlighet till det), men det finns ingenting som säger att det nödvändigtvis skulle låta bättre. Att köra balanserat mellan två för övrigt obalanserade apparater kan förvisso minska de störningarna som eventuellt induceras i kabeln, men kravet på exakt impedanssymmetri i såväl drivsteg som ingångssteg måste tillgodoses för att det ska fungera och det kostar. Förvänta er därför inga underverk, det är inte alls ovanligt att RCA låter bättre på grund av undermåliga  konstruktion och dålig komponentmatchning vid tillverkningen av de balanserade kretsarna.
Det ställer också betydligt större krav på både konstruktören och på tillverkningsledet att bygga en bra hel-balanserad produkt och det brukar också märkas på prislappen.

Var lite försiktig om du ska blanda balanserat och obalanserat, det kan vara svårt att få fram information om hur apparaten är konstruerad och att då "hitta" rätt kabel kan vara svårt.
Jag hoppas att ni har fått en något större förståelse för vad som kan dölja sig bakom begreppet "balanserad" och att vinsterna faktiskt kan vara stora, framför allt om man bor i en miljö med störningar och/eller behöver använda långa signalkablar.
 
Här är en källförteckning över den litteratur som jag använt som inspiration och för faktainhämtning under min resa.
•    Electromagnetic Compatibility Engineering - Henry W. Ott - 2009 - ISBN: 978-0-470-18930-6
•    Grounding and Shielding Techniques - Ralph Morrison - 1998 - ISBN: 978-0-470-09772-4
•    High Frequency Measurements and Noise in Electronic Circuits - Douglas C. Smith - 1993 - ISBN: 978-0-442-00636-5
•    Grounding and Shielding in Facilities - Ralph Morrison and Warren H. Lewis - 1990 - ISBN: 978-047-183807-4
•    Signal and Power Integrity: Simplified - Eric Bogatin - 2004 -  ISBN: 978-0-132-34979-6
•    The Sound of Silence - Burkhard Vogel - 2008 - ISBN: 978-3-540-76883-8
•    Balanced Phono-Amps - Burkhard Vogel - 2016 - ISBN: 978-3-319-18523-1
•    Audio System Design and Installation - Philip Giddings - 1990 - ISBN: 978-0-240-80286-2
•    Handbook for Sound Engineers (4th Edition) - Glen M. Ballou - 2017 - ISBN: 978-0-240-80969-4

 

/PEO

Share this post


Link to post
Share on other sites
Guest
This topic is now closed to further replies.