Gebalanceerde versus ongebalanceerde verbindingen

Maandag 30 april 2018, 13:31 • 541 keer gelezen
Dit artikel is geschreven door John Siau van Benchmark Media. We hebben het zo goed mogelijk in het Nederlands vertaald. Het is een flinke lap tekst maar als je de moed hebt hem helemaal te lezen wordt het een stuk eenvoudiger om een keuze te maken bij de volgende aankoop van hifiapparatuur.

Als u de achterkant van een Benchmark-product bekijkt, vindt u gebalanceerde XLR-analoog-audioconnectoren. Voor het gemak bieden we op de meeste van onze producten ook ongebalanceerde RCA-connectoren. In alle gevallen zorgen de gebalanceerde interfaces voor betere prestaties.

We bouwen onze ongebalanceerde interfaces (vanaf hier interconnecties genoemd) volgens dezelfde hoge normen als onze gebalanceerde interconneties. Maar de wetten van de natuurkunde schrijven voor dat de gebalanceerde interconnecties betere ruisprestaties zullen bieden.

Dit artikel legt de voordelen uit van gebalanceerde interconnecties uit t.o.v. ongebalanceerde.

Geluidbronnen
Er zijn verschillende bronnen waardoor audio kan worden "besmet" wanneer twee audioproducten d.m.v. met een kabel worden aangesloten. Deze bronnen zijn bijvoorbeeld aardlussen, radiostoringen, magnetische interferentie, thermische ruis en ruis van de invoer- en uitvoerbuffers.

Signaal / ruisverhouding (SNR)
De signaal-ruisverhouding (Signal to Noise Ratio, SNR) is de verhouding tussen de maximaal weer te geven  signaalspanning en de grondruis. Deze verhouding wordt meestal uitgedrukt in dB. Hoe hoger de verhouding, hoe beter de prestaties. Om de ruis volledig onhoorbaar te houden, moet de A-gewogen SNR in dB het piekgeluidsdrukniveau (SPL) op de luisterpositie overschrijden, uitgedrukt in dB SPL. Wanneer aan deze voorwaarde is voldaan, zal de ruis onder de 0 dB SPL-drempel van het normale gehoor liggen.

De piekgeluidsdruk mag niet worden verward met de gemiddelde niveaus die worden weergegeven door een SPL-meter. Het piekniveau zal aanzienlijk hoger zijn maar kan worden berekend uit de uitgangsspanning van de versterker en de efficiëntie van de luidspreker. Deze berekening wordt behandeld in enkele van mijn andere toepassingsnotities.

De meeste audiosystemen produceren enige hoorbare ruis. Met andere woorden, het geluidsniveau van de luidsprekers is meer dan 0 dB SPL. Veel luisteraars hebben deze afleiding geaccepteerd als een noodzakelijk onderdeel van audio-elektronica. Maar het is evenwel mogelijk systemen te ontwerpen die geen hoorbare ruis produceren. Gebalanceerde interconnecties zijn een belangrijk kenmerk van deze geavanceerde systemen.

SNR van audio-interconnecties
In dit artikel zullen we ons concentreren op de mogelijkheden van de interconnecties die audiocomponenten met elkaar verbinden om een ​​systeem te vormen. In veel systemen beperken de interconnecties de ruisprestaties van het algehele systeem. Om deze beperking te voorkomen, moeten de interfaces betere prestaties leveren dan de slechtst presterende component in de signaalketen.

Geluidscijfer
Als we willen dat een interconnectie niet meer dan een 1 dB SNR-reductie in de keten veroorzaakt, moet deze een SNR hebben die ten minste 6 dB beter is dan het laagst presterende apparaat in de signaalketen. Als een ruisbron een vermindering van 1 dB in SNR veroorzaakt, noemen we dit een "ruisgetal" van 1 dB.

Als de signaal/ruisverhouding van de interconnectie 12 dB beter is dan de slechtste component in ons systeem, dan zal de interface een ruisgetal van 0,27 dB toevoegen aan het totale systeem. 12 dB is een verhouding van 4:1. Deze 4:1-verhouding van componentruis opgeteld bij de ruis van de interconnectie, veroorzaakt nog steeds een kleine reductie in de SNR van het systeem. Dit toont de behoefte aan van interconnecties die veel stiller zijn dan de apparaten die zij verbinden.


Voorbeeld: Een DAC verbinden met een vermogensversterker
Als we een Benchmark DAC3 (128 dB A-gewogen SNR) rechtstreeks verbinden met een Benchmark AHB2 monoblok-versterker (135 dB A-gewogen SNR), zouden we in staat moeten zijn om een SNR van het systeem van ongeveer 127 dB te bereiken. De SNR van de AHB2 is 7 dB beter dan die van de DAC3, dus zal dit een ruisgetal opleveren van net minder dan 1 dB op de DAC3.

Om meer dan één extra dB toename van ruis te voorkomen, heeft de interface tussen de twee units een SNR nodig die ten minste 6 dB beter is dan de gecombineerde 127 dB SNR. Dit betekent dat de interconnectie een SNR van minimaal 133 dB moet hebben. Als we proberen de RCA-uitgang van 2 volt (8,2 dBu) op de DAC3 te gebruiken, zullen we niet het gewenste resultaat bereiken. Als u de berekening uitvoert (8,2 dBu - 133 dB), moeten de ongebalanceerde uitgangen en ingangen een ruisniveau van -124,8 dBu bereiken. Dit is bijna onmogelijk omdat dit equivalent is aan de thermische ruis geproduceerd door een weerstand van 600 ohm. De ongebalanceerde input- en outputstappen zouden zeer lage impedanties moeten gebruiken en we zouden moeten hopen dat er geen extra ruis van aardlusinterferentie wordt opgepikt.

In termen van ruis zou in ons voorbeeld de stroomopwaartse, ongebalanceerde uitgang op de DAC3 de beperkende factor zijn. De DAC3 heeft kwalitatief hoogwaardige ruisarme ongebalanceerde uitgangen, maar deze kunnen de interne 128 dB SNR van de DAC3 niet ondersteunen. Onder ideale laboratoriumomstandigheden zouden we bij het aansluiten van de DAC3 op de AHB2 door middel van de ongebalanceerde uitgangen van de DAC3 ongeveer 10 dB minder systeem-SNR ondervinden. Buiten het laboratorium kunnen aardlussen en elektromagnetische interferentie (EMI), echter extra ruis toevoegen aan deze ongebalanceerde interface.

Als we de gebalanceerde uitgangen op de DAC3 gebruiken, is deze interfacing-taak eenvoudig en zullen we de SNR-doelen van ons systeem wel bereiken omdat de interconnectie immuun blijft voor interferentie.

Waarom zijn er geen ongebalanceerde ingangen op de AHB2 eindversterker?
Als u de achterkant van de AHB2 bekijkt, ziet u dat er geen asymmetrische ingangen zijn. Ongebalanceerde inputs hebben niets te zoeken op een apparaat dat een 135 dB SNR levert. Ongebalanceerde interfaces werken op 2 Vrms, wat overeenkomt met ongeveer 8,2 dBu. Een berekening (8,2 dBu - 135 dB - 6 dB) laat zien dat de ruis op de interface -132,8 dBu zou moeten zijn om een ruisgetal van 1 dB te bereiken. Om dit in perspectief te plaatsen, een enkele weerstand van 91 ohm produceert een thermisch geluidsniveau van -132,8 dBu. De beste microfoonvoorversterkers hebben een equivalent ingangsruis (EIN) van ongeveer -130 dB. Als we 2 Vrms ingangsniveaus willen gebruiken, hebben we een ingangsversterker nodig die beter is dan de beste voorversterker voor de microfoon die ooit is gebouwd! M.a.w., natuurkundige wetten  laten zien dat een grotere SNR onmogelijk kan worden bereikt. De enige oplossing is om hogere signaalniveaus te gebruiken. En die zijn alleen beschikbaar bij gebalanceerde uitgangen.

Voor compatibiliteit met consumentenapparatuur kan je bij de AHB2 kiezen tussen drie input versterkingsinstellingen:
-       high-gainmodus ondersteunt 2 Vrms-ingangen,
-       mid-gainmodus ondersteunt 4 Vrms-ingangen en
-       een lage versterkingsmodus ondersteunt professionele +24 dBu (12,28 Vrms) ingangen..

Om maximale prestaties te bereiken, is het essentieel om de versterker te voeden met professionele input op studioniveau terwijl u de low-gain-instelling gebruikt.

Verhoog de signaalniveaus
Een van de eenvoudigste manieren om de SNR van een interconnectie te verbeteren, is het signaalniveau te verhogen. Als we bijvoorbeeld de signaalspanning verdubbelen, verhogen we het niveau met 6 dB en dit verhoogt de SNR van de interconnectie met 6 dB.

Studioklasse gebalanceerde interfaces
Professioneel gebalanceerde interconnecties werken over het algemeen met veel hogere signaalniveaus dan ongebalanceerde interconnecties van consumentenapparatuur. Dit spanningsverschil geeft deze gebalanceerde interconnecties een significant SNR-voordeel ten opzichte van ongebalanceerde interconnecties. De meeste RCA- interconnecties werken op een maximaal signaalniveau van +8,2 dBu, wat 2 Vrms is. Daarentegen werken professioneel gebalanceerde interconnecties meestal op een maximaal signaalniveau van +24 dBu, wat 12,28 Vrms is. Een eenvoudige berekening laat zien dat het signaalniveau 15,8 dB hoger ligt bij een professionele gebalanceerde interconnectie. Als de ruis op beide interconnecties hetzelfde is, biedt de gebalanceerde interconnecties een verbetering van bijna 16 dB in de SNR van de interface.

Maar gebalanceerde interfaces vereisen altijd dubbele uitvoerbuffers en dubbele ingangsontvangers. Deze extra actieve apparaten dragen enige ruis bij en dit heeft de neiging de SNR-verbetering met ongeveer 3 dB te verminderen. Hiermee rekening houdend, is de interface-SNR van een professioneel gebalanceerde interconnectie nog altijd ongeveer 13 dB beter dan die van een ongebalanceerde interconnectie.

Bovendien blijken gebalanceerde interconnecties ongevoelig van vele soorten interferentie. Deze immuniteit voor interferentie kan een vermindering van 50 tot 100 dB in deze ongewenste geluiden opleveren. Deze immuniteit voor interferentie is meestal meer dan voldoende om de interferentie onhoorbaar te houden.

Professionele interfaces zijn duurder om te bouwen. De hoge signaalniveaus vereisen over het algemeen het gebruik van +/- 18 volt voedingen binnen het audioapparaat. Om kosten te besparen en het stroomverbruik te verminderen, gebruiken consumentenproducten meestal veel lagere voedingsspanningen. Als gevolg hiervan kom je gebalanceerde interconnecties, die professionele signaalniveaus kunnen ondersteunen, zelden tegen op consumentenapparatuur.

Als consumenten apparatuur al gebalanceerde in- of uitgangen hebben, dan werken ze doorgaans op een veel lagere spanning (voltage).

Consumer-grade gebalanceerde interfaces
Veel high-end consumentenproducten hebben gebalanceerde interconnecties, maar ze werken op een maximum niveau van 4 Vrms wat overeenkomt met +14,2 dBu. Dit is 10 dB lager dan het niveau dat wordt gebruikt in professionele interconnecties. Dit betekent dat het voordeel van 13 dB dat wordt geboden door een +24 dBu gebalanceerde interconnectie wordt gereduceerd tot slechts 3 dB bij gebruik op een maximumniveau van +14,2 dBu. Consumer-grade gebalanceerde interconnecties zijn absoluut een stap beter dan ongebalanceerde interconnecties, maar de signaalniveaus zijn te laag voor gebruik in zeer hoogwaardige systemen.

Benchmark D/A-omzetters zijn uitgerust met professionele +24 dBu-uitgangen. Deze uitgangen hebben 10 dB passieve pads die kunnen worden ingeschakeld om voor consumenten geschikte 4Volt gebalanceerde ingangen aan te sturen. Als u merkt dat u deze pads nodig hebt, is dit een goede indicatie dat het downstream-apparaat de SNR-prestaties van uw systeem beperkt. Op dezelfde manier heeft de AHB2 een versterkingsinstelling die inputs ondersteunt van 4 Vrms consumer-grade gebalanceerde uitgangen. Nogmaals, deze apparaten van consumentenklasse zullen de zwakke schakel in het systeem zijn.

Controleer de specificaties en zoek naar gebalanceerde interfaces die professionele signaalniveaus ondersteunen. Consumer-grade gebalanceerde interconnecties kunnen op professionele interfaces lijken, maar ze bieden niet hetzelfde prestatieniveau.

Common-mode ruisonderdrukking
Het grootste voordeel van gebalanceerde interconnecties komt van hun vermogen om common-mode ruissignalen te weigeren. Gebalanceerde ingangsontvangers hebben actieve differentiële versterkers of passieve transformatoren die reageren op het verschil tussen de + en - ingangspennen. De aardpen op de XLR-connector wordt alleen gebruikt voor afscherming. De aardverbinding maakt geen deel uit van het audiosignaal en wordt genegeerd door de ingangsversterker of ingangstransformator.

Grondstromen en verschillen in de grondspanning kunnen ruis produceren die identiek is op zowel de + als de  - pen. Deze common-mode ruis wordt opgeheven en daardoor als het ware geweigerd door een transformator of een goed getrimde verschilversterker.

CMRR
De common-mode rejection ratio (CMRR) is een maat voor hoe goed een gebalanceerde ontvanger common-mode ruis afwijst. Een hoge CMRR is een aanwijzing dat de gebalanceerde ontvanger het grootste deel van de ruisspanning zal verwerpen die wordt veroorzaakt door aardlussen en andere bronnen van common-mode interferentie. Transformatoren bieden over het algemeen een zeer hoge CMRR, maar kunnen problemen in de vorm van vervorming veroorzaken de frequentierespons beperken. Actieve differentiaalversterkers bieden over het algemeen een betere transparantie dan transformatoren en boeden doorgaans een zeer hoge CMRR.

Goede differentiële versterkers bieden ten minste 50 dB onderdrukking van frequenties veroorzaakt door 50Hz stroombronnen. Dit is meestal voldoende om de interferentie van de grondlus te verminderen tot onhoorbare niveaus. Goed getrimde differentiële versterkers, zoals die gebruikt worden in Benchmark-producten, kunnen een CMRR leveren van 70 tot 100 dB op AC-lijngerelateerde frequenties.

Differentieel Versterkers – De sleutel componenten in een gebalanceerde ontvanger
Er zijn enkele consumentenproducten met "gebalanceerde" ingangen met een CMRR van 0 dB. Laten we deze gebalanceerde ingangen gewoon "nep" noemen. De ingang is uitgerust met een XLR-connector, maar de - pin (pin 3) wordt genegeerd. Dit zijn gewoon ongebalanceerde ingangen die zijn aangesloten op een XLR-connector. Ze bieden geen voordeel ten opzichte van ongebalanceerde RCA-ingangen. In de meeste gevallen is pin 2 van de XLR rechtstreeks verbonden met het middencontact van een nabij gelegen RCA-ingang. Hierdoor is de XLR-aansluiting niets meer dan een adapter.

Er zijn andere apparaten die de + en de - pins gebruiken, maar ze verwijderen de common mode-ruis niet voordat het signaal een gebalanceerde uitgang verlaat. Deze apparaten geven gewoon de common-modusruis door aan de volgende component in de hoop dat de volgende component de common-modusruis zal verwijderen. Als u geen specificatie voor CMRR kunt vinden, heeft de gebalanceerde ingang mogelijk geen differentiële versterker. Als dit het geval is, is de invoer slechts een paar ongebalanceerde ingangen die een paar ongebalanceerde uitgangen voeden.

Differentiële versterkers in D / A-converters
Hoogwaardige D/A-converterchips gebruiken gebalanceerde uitgangen. Het doel van deze gebalanceerde uitgangen is om het signaalniveau met een factor twee (6 dB) te verhogen, terwijl het een middel biedt voor het verwijderen van de common-mode vervorming die door de converterchip wordt geproduceerd. Deze common-mode-fout heeft de neiging om oneven-harmonische vervorming te produceren die niet muzikaal en daardoor niet aangenaam is. Deze low-level distortion kan het karakter van muzikale stemmen veranderen en afbreuk doen aan de muziek. Deze common-mode vervorming wordt alleen verwijderd als de D/A-convertor een goed getrimde differentiaalversterker aanstuurt.

Ik heb veel D/A-omzetters gezien die de differentieelversterker volledig weglaten. Je vindt dit vreemd genoeg terug in de meeste  "high-end" D/A-converters. Helaas leidt het ontbreken van een differentieelversterker tot zeer onvoorspelbare prestaties. De D/A-omzetter zal nog steeds goed meten wanneer deze in een laboratoriumopstelling is aangesloten op de gebalanceerde invoer van een professionele audioanalyser, maar presteert vermoedelijk niet zo goed in een gewoon systeem.

Een goede analyser heeft altijd een uitstekende CMRR waardoor de common-mode vervorming die door de D/A-converter-chip wordt geproduceerd, ongedaan wordt gemaakt. Echter, als de D/A-converter in een reële set-up een gebalanceerde ingang met een slechte CMRR aanstuurt, wordt de common-mode vervorming niet verworpen. Bovendien, als deze D/A-converter ook ongebalanceerde uitgangen heeft, zullen deze uitgangen vervuild raken met vervorming die door een differentiaalversterker had kunnen worden verwijderd. Zodra deze vervorming een ongebalanceerde uitgang bereikt, kan deze niet worden verwijderd door het ontvangende apparaat.

Om deze problemen te voorkomen, zijn Benchmark D/A-omzetters voorzien van goed getrimde differentieelversterkers om de common-mode vervorming van de omzetter te verwijderen, voordat deze een van de uitgangen bereikt. Vanuit het oogpunt van vervorming hebben de gebalanceerde en ongebalanceerde uitgangen van een Benchmark D/A-converter dezelfde THD-prestaties (Total Harmonic Distortion). Maar vanuit een geluidsoogpunt bieden de gebalanceerde uitgangen betere prestaties.

Problemen met aardlussen oplossen
In een gebalanceerd systeem genereren aardlussen common-mode ruis. Gebalanceerde ontvangers kunnen een bijna perfecte (50 dB tot 100 dB) reductie van deze lastige ruis bieden. Om deze reden zijn gebalanceerde interconnecties absoluut noodzakelijk in professionele omgevingen.

Gebalanceerde interconnecties zijn ook de oplossing voor de vele aardlusproblemen die zich voordoen in een complex hifisysteem voor thuis. Kabeldozen, tv-antennes, computer-USB-poorten en AC-aardingspennen kunnen allemaal verschillende aardpotentialen hebben. Het is voorschrift dat kabeltelevisie en antennekabels moeten worden geaard waar ze het huis binnenkomen. Deze aardingspunten zijn zelden hetzelfde als de aarding die wordt afgeleverd op de aardingspin van een stopcontact. USB-afscherming wordt doorgaans geaard op een relatief "noisy" moederbord van de computer. Ook dit kan extra aardingslussen veroorzaken.

Het galvanisch isoleren van een USB-kabel is een "pleister" bij het oplossen van aardlus problemen. Deze EHBO oplossing kan de audio-interferentie gedeeltelijk verminderen, maar het kan de RF-emissies van de USB-kabel verhogen. In het ideale geval moet de USB-afscherming aan het uiteinde van de kabel worden bevestigd aan een chassisaarde. Wanneer dit is gebeurd, kan elke interferentie in de aardlus eenvoudig worden verwijderd door het gebruik van gebalanceerde analoge audio-interconnects.

Wanneer audiocomponenten met elkaar zijn verbonden, vloeien er tussen vrijelijk AC-stromen (wisselstroom) heen en weer. In de meeste gevallen vloeien deze stromen door het aardscherm op de buitenste laag van de audiokabels.

Ongebalanceerde kabels gebruiken het schild om een van de twee audiogeleiders te vormen. Dit dubbele gebruik van het scherm maakt ongebalanceerde interfaces erg gevoelig voor verschillen in aardspanning tussen de twee uiteinden van de kabel.

Gebalanceerde kabels daarentegen gebruiken een aparate afscherming. De buitenste afscherming wordt niet gebruikt als audioverbinding. Ruis op de afscherming is goed geïsoleerd van het audiocircuit.

RF-Rejection

De gevlochten koperen of folie afscherming op gebalanceerde en ongebalanceerde kabels zijn bedoeld om het audiosignaal te beschermen tegen radiofrequentie (RF) interferentie. Dit "Faraday-schild" isoleert de interne draden tegen radiostoring.

In een ongebalanceerde kabel wordt dit schild ook gebruikt om de audiomassa te dragen. Wanneer de afscherming een dubbel doel dient, kan een deel van de RF-energie de audio "besmetten". Dit dubbele gebruik van het schild kan ongebalanceerde interfaces in zekere mate gevoeliger maken voor RF-interferentie. Dit kan leiden tot hoorbare interferentie van nabijgelegen radiostations en mobiele telefoons. In andere gevallen zal de RF-interferentie de vervorming van het audiosysteem verhogen.

In een gebalanceerde kabel heeft het scherm een speciaal doel. Het is maar een schild. Het wordt niet gebruikt om het audiosignaal te dragen. Om deze reden kunnen gebalanceerde kabels een betere afscherming bieden tegen RF-interferentie. In de meeste gevallen zal deze afscherming voldoende zijn om hoorbare interferentie van radiosignalen te voorkomen.

Magnetic Rejection
De vlecht- of foliebescherming aan de buitenkant van een kabel kan geen afscherming bieden tegen magnetische velden. Dit kan worden aangetoond met een magneet en een koperen stuiver. De kracht van de magneet zal zonder veel verandering door de koperen stuiver gaan. Evenzo kunnen magnetische velden door meerdere lagen koper- en folieafscherming heen gaan zonder te worden verzwakt.

Voedingen in audioapparaten, computers en opladers produceren AC-magnetische velden die interferentie in een audiokabel kunnen veroorzaken. Wanneer een audiokabel in de buurt van een magnetisch AC-veld komt, gedragen de audiogeleiders zich als de secundaire wikkeling in een transformator en neemt een magnetisch geïnduceerde spanning op. Deze spanning kan een 50Hz brom zijn of een verscheidenheid aan andere ongewenste geluiden zijn.

Gebalanceerde interfaces kunnen alleen magnetische interferentie afwijzen wanneer zowel de + als de - geleiders exact dezelfde common-mode-interferentie ontvangen. Als een geleider meer magnetische interferentie ontvangt dan de andere, wordt de afwijzing sterk verminderd. In de praktijk zal een interne draad dichter bij de magnetische interferentie liggen en zal het een sterker magnetisch veld zien. Deze onbalans vermindert de afwijzing.

Als een vieraderige star-quadkabel wordt gebruikt, kan de afstoting van magnetische interferentie met ongeveer 20 tot 50 dB worden verbeterd in vergelijking met standaard 2-aderige gebalanceerde kabels. Star-quad-kabel gebruikt twee geleiders voor de + audio en twee voor de - audio. De precieze geometrische configuratie van deze geleiders zorgt voor een gelijke common-mode pick-up van magnetische interferentie op beide + en - conductorparen. Deze magnetisch geïnduceerde common-mode-spanning wordt geweigerd als de gebalanceerde ontvanger een goede CMRR heeft.

In de praktijk is een star-quad-kabel zelden nodig voor korte line-level gebalanceerde interfaces, maar deze is bijna altijd nuttig op microfoonfeeds. Niettemin biedt star-quad-kabel een extra marge tegen magnetische inferentie wanneer deze wordt gebruikt met op lijnniveau gebalanceerde interconnects. Om deze reden beveelt Benchmark een star-quad-kabel aan voor alle gebalanceerde onderlinge verbindingen. Star-quad-kabels zijn een goede verzekering tegen onverwachte bronnen van magnetische interferentie.

Thermische ruis (Johnson Noise)
Elke elektrische component produceert een bepaalde hoeveelheid thermische ruis (bekend als Johnson-ruis). Dit ook voor passieve componenten zoals weerstanden. Ja, passieve componenten produceren elektrische ruis! Deze ruis wordt veroorzaakt door de thermisch geïnduceerde willekeurige beweging van elektronen.

Een weerstand van 10k Ohm produceert bijvoorbeeld een geluidsniveau van -112 dBu over de audioband bij kamertemperatuur. Als u via deze 10k-weerstand een 130 dB SNR wilt bereiken, moet het signaalniveau 130 dB hoger zijn dan -112 dBu, wat 18 dBu is. Als u ongebalanceerde signalen van 2 Vrms (8.24 dBu) op consumentniveau gebruikt, hebt u ongeveer 10 dB tekort om een ​​130 dB SNR te bereiken nadat het signaal een weerstand van 10k heeft gepasseerd. Als je een hogere SNR wilt bereiken, heb je twee keuzes; verlaag de waarde van de weerstand, of verhoog het signaalniveau.

Onvermijdelijk bevat elk audiocircuit veel weerstanden. De ruisbijdrage van elke weerstand is cumulatief. Om deze reden moeten de uitgangsimpedanties laag worden gehouden en moeten de signaalniveaus hoog. 2 Vrms ongebalanceerde interconnecties zoals die doorgaans voorkomen in consumentenapparatuur zijn daarbij hopeloos ontoereikend. Ongebalanceerde interconnecties in een zeer goed ontworpen product, beperken de SNR meestal tot ongeveer 100 dB tot 110 dB. Producten van consumentenkwaliteit leveren vaak een SNR van slechts 80 tot 100 dB over ongebalanceerde interconnecties.

De Mythe van "Ongebalanceerde" Hoofdtelefoons
Deze discussie zou niet compleet zijn zonder te vermelden dat er niet zoiets bestaat als een ongebalanceerde hoofdtelefoontransducer (met de mogelijke uitzondering van DC-vooringenomen elektrostatische hoofdtelefoons zoals die vervaardigd door Stax).

Hoofdtelefoontransducers (met transducer wordt bedoeld de driver ofwel de luidspreker) reageren op het spanningsverschil tussen de twee draden die ze voeden. Ze hebben een perfecte verwerping van common-mode interferentie omdat er geen pad naar aarde of naar een andere geleider is. Met andere woorden, er is geen pad voor aardlussen.

Hoofdtelefoontransducers zijn elektrisch geïsoleerd van alles behalve de twee draden die ze voeden. Het maakt niet uit of beide geleiders differentieel worden aangedreven of dat er slechts één geleider wordt aangedreven. De hoofdtelefoontransducer zal common-mode-ruis weigeren.

Er zijn enkele voordelen aan het gebruik van afzonderlijke draden om de linker en rechter transducers te voeden, en er zijn enkele voordelen aan het gebruik van XLR-connectoren in plaats van TRS-hoofdtelefoonaansluitingen, maar geen van deze heeft iets te maken met gebalanceerde of ongebalanceerde aansturing. Een gebalanceerde stuurversterker kan tweemaal de audiospanning leveren bij een gegeven voedingsspanning. XLR-connectoren bieden vaak betere elektrische aansluitingen dan TRS-aansluitingen (Jack). Een afzonderlijke retourpen voor het linker- en rechter kanaaal kan overspraak verminderen, maar kanaalscheiding is niet echt een probleem met het luisteren naar de hoofdtelefoon.

In de context van dit artikel is het belangrijk om te begrijpen dat Hoofdtelefoontransducers zich altijd gedragen als perfect gebalanceerde ingangen. Het maakt niet uit hoe ze worden aangedreven. Hoofdtelefoontransducers bieden een perfecte afwijzing van common-mode-ruis omdat ze alleen draden bevatten. De stroom die door deze draden stroomt, zal gelijk en tegenovergesteld zijn omdat er geen ander pad is voor de elektronen om te stromen.

De mythe van "evenwichtige" AES digitale interfaces
In de begintijd van digitale audio besloot de Audio Engineering Society (AES) dat het handig zou zijn om bestaande analoge XLR-bekabeling te gebruiken om digitale audio te vervoeren. Naar mijn mening was dit een heel slecht idee!

Gebalanceerde verbindingen bieden geen voordeel met digitale audiosignalen. Digitale signalen bieden aanzienlijke immuniteit voor ruis. Het gegevensformaat dat wordt gebruikt om digitale audio te vervoeren, is zo ontworpen dat het geen spectrale inhoud op audiofrequenties zou hebben. Met deze functie kan een eenvoudig hoogdoorlaatfilter worden gebruikt om storingen in de netlijnfrequentie te verwijderen.

Digitale pulsen produceren aanzienlijke energie bij RF-frequenties. De vorm van deze pulsen wordt alleen behouden als de kabel een gecontroleerde impedantie heeft en wordt afgesloten met een resistieve belasting die overeenkomt met de kabelimpedantie. Bestaande analoge XLR-kabels hadden verschillende impedanties en deze impedanties werden niet goed gecontroleerd. Analoge kabels bleken volledig onbetrouwbaar te zijn voor digitale signalen. Daarom moesten er speciale digitale XLR-kabels worden ontworpen. Tot zover voor het gebruik van bestaande kabels! We hebben nu analoge en digitale audiokabels die er bijna identiek uitzien. Digitale kabels zijn acceptabel voor analoge audio, maar analoge kabels kunnen niet worden gebruikt voor digitale audio.

De AES gaf ons aanvankelijk een standaard (AES3) voor digitale audio met XLR-connectoren en speciale 110-ohm kabel. Maar het is aangetoond dat coaxkabels betere signaalintegriteit bieden over lange transmissieafstanden. Coaxiale kabels ondersteunen kabels van maximaal 1000 m, terwijl de kabel van 110 Ohm tot ongeveer 100 m is beperkt. De video-industrie creëerde een afzonderlijke standaard voor digitale audio met een coax van 75 ohm. Als gevolg hiervan is de AES3-standaard geüpdatet met digitale audio via een coaxkabel.

Als u het ons vraagt raden we sterk aan ongebalanceerde coaxiale digitale verbindingen te gebruiken in plaats van gebalanceerde XLR digitale verbindingen. Met name bij het toepassen van lange kabels (meer dan ongeveer 50 m). Sommige professionele producten gebruiken BNC-coaxconnectoren in plaats van RCA-connectoren. Consumenten- en professionele digitale audioformaten zijn ontworpen om met elkaar te praten. Eenvoudige adapters kunnen worden gebruikt om RCA- en BNC-connectoren aan te sluiten. Transformators zijn vereist bij de aanpassing tussen gebalanceerde en ongebalanceerde digitale audio-aansluitingen.

Samevatting
Over het algemeen kan ik stellen dat professionele gebalanceerde interconnects de enige zijn die prestaties kunnen leveren die overeenkomen met die van de beste converters en versterkers van dit moment. Ongebalanceerde interfaces daarentegen hebben de neiging een systeem te beperken tot prestaties van cd-kwaliteit.

Professionele gebalanceerde analoge audio-interconnects kunnen een SNR-voordeel van 12 tot 16 dB bieden ten opzichte van ongebalanceerde interfaces vanwege de hoge +24 dBu-signaalniveaus die worden gebruikt op gebalanceerde interfaces. Consumer-grade gebalanceerde interfaces kunnen alleen 3 tot 6 dB SNR-voordeel bieden vanwege de relatief lage +14 dBu (4 Vrms) signaalniveaus.

Bovendien kan de verschilversterker of transformator in een gebalanceerde ingang een ongelooflijke 50-100 dB-onderdrukking van aardlus-interferentie realiseren. Dit is meestal voldoende om storing door een aardlus te beperken tot volledig onhoorbare niveaus.

In een ongebalanceerde interconnectie plaatst het gedeelde gebruik van het afscherming aardlusstromen in het audiopad. Ongebalanceerde interconnecties zijn erg gevoelig voor aardlussen die tussen audiocomponenten stromen. Dit is geen probleem met gebalanceerde interconnecties vanwege het gebruik van speciale audiogeleiders.

Kopervlechtwerk en folielagen bieden afscherming tegen RF-interferentie. In een gebalanceerde kabel geleidt ​​de afscherming niet het audiosignaal. De audiogeleiders zijn volledig omringd door het scherm maar zijn elektrisch geïsoleerd van het scherm. In een ongebalanceerd systeem fungeert het RF-schild ook als de audiogrond. Dit dubbele gebruik van het RF-schild in een ongebalanceerd systeem veroorzaakt een lichte toename van de gevoeligheid voor RF-interferentie.

Koperen vlechtwerk en folieafscherming bieden geen enkele bescherming tegen magnetische interferentie. Magnetische velden passeren gemakkelijk koper en folie. Als star-quad-kabels worden gebruikt in een gebalanceerd systeem, kan magnetische storing worden afgewezen door de CMRR van de gebalanceerde ingangsontvanger. In een uitgebalanceerd systeem kunnen 4-conductor star-quad-kabels de magnetische interferentie met 20 tot 50 dB verminderen in vergelijking met standaard twee-conductor gebalanceerde kabels.

Deze cijfers zouden moeilijk te negeren moeten zijn, maar de hi-fi industrie is traag in verandering. Veel hoogwaardige audioproducten zijn nog steeds niet uitgerust met gebalanceerde interfaces. Anderen hebben 4V-rms gebalanceerde interfaces van consumentenklasse. Dit is een gedeeltelijke stap in de goede richting.

De feiten tonen aan dat het vrijwel onmogelijk is om state-of-the-art audioprestaties te bereiken met behulp van ongebalanceerde interfaces. We zien dit in het laboratorium wanneer we gebalanceerde en ongebalanceerde interfaces meten onder ideale, goed gecontroleerde omstandigheden. Buiten, in de echte wereld, zijn de voordelen van gebalanceerde interfaces veel groter. Hierdoor lopen de verschillen in de praktijk veel verder uiteen dan je op basis van de door de fabrikant opgegeven specificaties zou vermoeden. De verschillen kunnen extreem groot worden wanneer aardlussen, RF-interferentie en magnetische interferentie invloed uitoefenen op een compleet hifisysteem.

Onze aanbeveling? Vermijd onevenwichtige (RCA) analoge interfaces waar mogelijk! Zoek naar professionele gebalanceerde interfaces bij het kopen van audioproducten. Zoek naar CMRR-specificaties op gebalanceerde ingangen. Overweeg vervanging van audioapparatuur die geen gebalanceerde onderlinge verbindingen ondersteunen. Deze niet-gebalanceerde apparaten zijn waarschijnlijk een zwakke schakel in uw audioketen.