Balanserad krets

En balanserad krets är kretsar för användning med en balanserad linje eller den balanserade ledningen själv. Balanserade linjer är en vanlig metod för att överföra många typer av elektriska kommunikationssignaler mellan två punkter på två ledningar. I en balanserad linje har de två signallinjerna en matchad impedans för att säkerställa att interferens som induceras i linjen är common-mode och kan avlägsnas vid den mottagande änden av kretsar med god common-mode-avvisning . För att upprätthålla balansen måste även kretsblock som gränsar till linjen, eller är anslutna i linjen, balanseras.

Balanserade ledningar fungerar eftersom det störande bruset från den omgivande miljön inducerar lika brusspänningar i båda ledningarna. Genom att mäta spänningsskillnaden mellan de två ledningarna vid den mottagande änden, återvinns den ursprungliga signalen medan bruset avvisas. Varje ojämlikhet i bruset som induceras i varje tråd är en obalans och kommer att resultera i att bruset inte helt förkastas. Ett krav för balans är att båda ledningarna är lika långt från bullerkällan. Detta uppnås ofta genom att placera ledningarna så nära varandra som möjligt och ihop dem . Ett annat krav är att impedansen mot jord (eller till vilken referenspunkt som används av skillnadsdetektorn) är densamma för båda ledarna vid alla punkter längs linjens längd. Om en tråd har en högre impedans mot jord kommer den att tendera att få ett högre brus inducerat, vilket förstör balansen.

Balans och symmetri

Exempel på 4 olika kretskonfigurationer, med ett lågpassfilter, för att demonstrera. Fig. 1. Obalanserad, asymmetrisk krets. Fig. 2. Obalanserad, symmetrisk krets. Fig. 3. Balanserad, asymmetrisk krets. Fig. 4. Balanserad, symmetrisk krets.

En balanserad krets kommer normalt att visa en symmetri av dess komponenter kring en horisontell linje mitt emellan de två ledarna (exempel i figur 3). Detta skiljer sig från vad som normalt menas med en symmetrisk krets, som är en krets som visar symmetri av dess komponenter kring en vertikal linje vid dess mittpunkt. Ett exempel på en symmetrisk krets visas i figur 2. Kretsar designade för användning med balanserade linjer kommer ofta att vara utformade för att vara både balanserade och symmetriska som visas i figur 4. Fördelarna med symmetri är att samma impedans presenteras vid båda portarna och att kretsen har samma effekt på signaler som färdas i båda riktningarna på linjen.

Balans och symmetri är vanligtvis förknippade med reflekterad horisontell respektive vertikal fysisk symmetri som visas i figurerna 1 till 4. Fysisk symmetri är dock inte ett nödvändigt krav för dessa förhållanden. Det är bara nödvändigt att de elektriska impedanserna är symmetriska. Det är möjligt att designa kretsar som inte är fysiskt symmetriska men som har ekvivalenta impedanser som är symmetriska.

Balanserade signaler och balanserade kretsar

En balanserad signal är en där spänningarna på varje tråd är symmetriska med avseende på jord (eller någon annan referens). Det vill säga att signalerna inverteras i förhållande till varandra. En balanserad krets är en krets där de två sidorna har identiska transmissionsegenskaper i alla avseenden. En balanserad linje är en linje där de två ledningarna kommer att bära balanserade strömmar (det vill säga lika och motsatta strömmar) när balanserade (symmetriska) spänningar appliceras. Villkoret för balans mellan ledningar och kretsar kommer att uppfyllas, i fallet med passiva kretsar, om impedanserna är balanserade. Linjen och kretsen förblir balanserade, och fördelarna med brusreduktion i common-mode fortsätter att gälla, oavsett om den pålagda signalen själv är balanserad (symmetrisk), alltid förutsatt att generatorn som producerar den signalen upprätthåller ledningens impedansbalans.

Driv- och mottagningskretsar

Fig. 5. Balanserad ledning ansluten passivt med transformatorer.

Fig. 6. Balanserad linje ansluten till aktiva balanserade kretsar.

Fig. 7. Balanserad ledning aktivt driven med en asymmetrisk signal, men kopplad till balanserade impedanser.

Det finns ett antal sätt att en balanserad linje kan drivas och signalen detekteras. I alla metoder är det viktigt att driv- och mottagningskretsen upprätthåller ledningens impedansbalans för fortsatt god brusimmunitet. Det är också väsentligt att den mottagande kretsen endast detekterar differentialsignaler och avvisar common-mode-signaler. Det är inte väsentligt (även om det ofta är fallet) att den sända signalen är balanserad, det vill säga symmetrisk mot jord.

Transformator balans

Det begreppsmässigt enklaste sättet att ansluta till en balanserad linje är genom transformatorer i varje ände som visas i figur 5. Transformatorer var den ursprungliga metoden för att göra sådana anslutningar inom telefoni, och innan tillkomsten av aktiva kretsar var det enda sättet. I telefoniapplikationen kallas de repeterande spolar . Transformatorer har den ytterligare fördelen att helt isolera (eller "flyta") ledningen från jord- och jordslingströmmar , vilket är en oönskad möjlighet med andra metoder.

Den sida av transformatorn som vetter mot ledningen, i en design av god kvalitet, kommer att ha lindningen lagd i två delar (ofta med en mittkran medföljande) som är noggrant balanserade för att upprätthålla ledningsbalansen. Linjesidan och utrustningssidans lindningar är mer användbara begrepp än de mer vanliga primära och sekundära lindningarna när man diskuterar den här typen av transformatorer. Vid sändningsänden är linjesidolindningen den sekundära, men vid den mottagande änden är linjesidolindningen den primära. När man diskuterar en tvåtrådskrets slutar primär och sekundär att ha någon mening alls, eftersom signaler flyter i båda riktningarna samtidigt.

Transformatorns utrustningslindning behöver inte vara så noggrant balanserad. Faktum är att ena benet på utrustningssidan kan jordas utan att balansen på ledningen påverkas som visas i figur 5. Med transformatorer kan sändnings- och mottagningskretsen vara helt obalanserad med transformatorn som tillhandahåller balanseringen.

Aktiv balans

Aktiv balans uppnås med hjälp av differentialförstärkare i varje ände av linjen. En op-amp- implementering av detta visas i figur 6, andra kretsar är möjliga. Till skillnad från transformatorbalans finns det ingen isolering av kretsen från linjen. Var och en av de två ledningarna drivs av en op amp-krets som är identiska förutom att en är inverterande och en är icke-inverterande. Var och en producerar en asymmetrisk signal individuellt men tillsammans driver de linjen med en symmetrisk signal. Utgångsimpedansen för varje förstärkare är lika så impedansbalansen för linjen bibehålls.

Även om det inte är möjligt att skapa en isolerad enhet med enbart op-amp-kretsar, är det möjligt att skapa en flytande utgång. Detta är viktigt om ett ben på ledningen kan bli jordat eller kopplat till någon annan spänningsreferens. Jordning av ena benet av ledningen i kretsen i figur 6 kommer att resultera i att linjespänningen halveras eftersom endast en op-amp nu ger signal. För att uppnå en flytande utgång krävs ytterligare återkopplingsvägar mellan de två operationsförstärkarna, vilket resulterar i en mer komplex krets än figur 6, men ändå undviker kostnaden för en transformator. En flytande op-amp-utgång kan bara flyta inom gränserna för op-ampens matningsskenor. En isolerad utgång kan uppnås utan transformatorer med tillägg av optoisolatorer .

Impedansbalans

Som nämnts ovan är det möjligt att driva en balanserad linje med en ensidig signal och ändå behålla linjebalansen. Detta visas i konturerna i figur 7. Förstärkaren som driver ett ben av linjen genom ett motstånd antas vara en idealisk (det vill säga noll utgångsimpedans) enändad utgångsförstärkare. Det andra benet är anslutet från jord genom ett annat motstånd med samma värde. Impedansen mot jord för båda benen är densamma och linjen förblir balanserad. Den mottagande förstärkaren avvisar fortfarande all common-mode-brus eftersom den har en differentialingång. Å andra sidan är linjesignalen inte symmetrisk. Spänningarna vid ingången till de två benen, V ₊ och V ₋ ges av;

$V_{+}=V_{\mathrm {in} }{\frac {Z_{\mathrm {in} }+R_{ 1}}{Z_{\mathrm {in} }+2R_{1}}}$

$V_{-}=V_{\mathrm {in} }{\frac {R_{1}}{Z_{\mathrm {in} }+2R_{1}}}$

Där Z _in är ledningens ingångsimpedans. Dessa är helt klart inte symmetriska eftersom V− _är mycket mindre än V ₊ . De är inte ens motsatta polariteter. I ljudapplikationer V ₋ vanligtvis så liten att den kan tas som noll.

Balanserad till obalanserad gränssnitt

Huvudartikel: balun

En krets som har det specifika syftet att tillåta gränssnitt mellan balanserade och obalanserade kretsar kallas en balun. En balun kan vara en transformator med ett ben jordat på den obalanserade sidan som beskrivs i transformatorbalansavsnittet ovan. Andra kretsar är möjliga såsom autotransformatorer eller aktiva kretsar.

Kontakter

Vanliga kontakter som används med balanserade kretsar inkluderar modulära kontakter på telefoninstrument och bredbandsdata, och XLR-kontakter för professionellt ljud . 1/4" tip/ring/sleeve (TRS) telefonkontakter användes en gång i stor utsträckning på manuella växelbord och annan telefoninfrastruktur. Sådana kontakter ses nu vanligare i miniatyrstorlekar (2,5 och 3,5 mm) som används för obalanserat stereoljud; , professionell ljudutrustning som mixerkonsoler använder fortfarande ofta balanserade och obalanserade "linjenivå"-anslutningar med 1/4" telefonjack.

Bibliografi

• Rod Elliot, Uwe Beis, "Balanced transmitter and receiver II" , Elliot Sound Products , 1 april 2002, tillgänglig och arkiverad 7 oktober 2015.
•   AJ Peyton, V. Walsh, Analog electronics with Op Amps: a source book of practice circuits , Cambridge University Press, 1993 ISBN 0-521-33604-X .
• Mike Rivers, "Balanced and unbalanced connections" , Presonus , tillgänglig och arkiverad 7 oktober 2015.
•   G. Randy Slone, Electricity and electronics , McGraw-Hill Professional, 2000 ISBN 0-07-136057-3 .
•   Daniel M. Thompson, Understanding audio: få ut det mesta av ditt projekt eller din professionella inspelningsstudio , Hal Leonard Corporation, 2005 ISBN 0-634-00959-1 .
•   Gabriel Vasilescu, Elektroniskt brus och störande signaler , Springer, 2005 ISBN 3-540-40741-3 .
•   Jerry C. Whitaker, The resource handbook of electronics , CRC Press, 2001 ISBN 0-8493-8353-6 .
•   Jerry C. Whitaker, Master handbook of audio production: a guide to standards, equipment and system design , McGraw-Hill Professional, 2003 ISBN 0-07-140876-2 .