Преимущества и недостатки балансных усилителей

Сегодня существует два типа усилителей для наушников, традиционные небалансные и теоретически более “мощные” и “качественные” - балансные.

Традиционные небалансные усилители порой называются как “обычные”, в англоязычной среде по схеме разъема - Single-Ended Out. Для небалансного подключения обычно используется штекер/гнездо формата джек 3.5 мм и джек 6.3 мм.

Для стерео выхода используется три контакта, два раздельных сигнальных “+” для правого и левого каналов и один общий контакт, который называется “землей”. Иногда общий провод называют “минусом” в противовес “плюсу”.

Балансные усилители могут называться еще как мостовые, симметричные или дифференциальные.

Самые распространенные сегодня форматы для штекера и гнезда наушников, это:

• 4 XLR в стационарной аппаратуре.
• Джек Pentacon 4.4 мм (начал использоваться в продуктах Sony)
• Четырехконтактный Jack 2.5 мм (начал использоваться в продуктах Astell&Kern)
• Уже редкий четырехконтактный Jack 3.5 мм (начал использоваться в продуктах HiFiMan)

Для потребителя важным отличием является то, что балансное соединение не допускает использование общего провода между каналами и в штекере/гнезде используется четыре контакта, по два на канал. Два раздельных "+" и два "-". При этом тут "-" не является "землей". В 4 XLR и джек Pentacon 4.4 мм земля может выводится пятым контактом.

Обозначения "+" и "-" показывают не положительное и отрицательное напряжение (на выходе оно переменное), а фазу, где "+" равен 0°, а "-" равен 180°.

Более правильно, по смыслу, "+" и "-" обозначают прямой и инвертированный сигнал, а не "полярность" или "фазу". Но у "прямого" и "инвертированного" определения нет символьной размерности и соответственно заимствуются обозначения от схожих определений, которые косвенно или напрямую подходят к ситуации, в виде "+"/"-" или 0°/180°.

Дополнительно для распайки разъемов вместо "+" используется обозначение "горячий" (Hot) и для "-" - холодный (Cold).

Возможно, прямой/инвертированный встречается нетак часто из-за того, что "прямой" может иметь слишком широкое толкование без явного упоминания "инвертированный", что может быть проблемой при обозначении распайки разъемов или других ситуаций.

В чем суть балансной передачи сигнала?

Первоначально эта реализация сделана для межблочного соединения длинными проводами.

Один канал в источнике разделяется на два, прямой "+"/0° и инвертированный "-"/180°, и передается уже по трем проводам, "+", "-" и земле. В приемнике инвертированный канал обратно инвертируется и складывается с неинвертированным. Если провод будет ловить наводки при передачи сигнала, то при втором инвертировании в приемнике наводки будут инвертированы и при дальнейшем сложении будут взаимоуничтожаться. Такая система получается дешевле, чем использование кабеля с экранированием (или более гибкой, где экран дает лишнюю жесткость на сгиб).

Второй момент, за счет передачи сигнала по второму кабелю мы получаем суммарно вдвое большую амплитуду сигнала.

И третий, важный момент. Если на конце передачи вместо линейного входа будет излучатель, то подключенный только к "+" и "-" он станет условно одновременно "инвертером и сумматором" и соответственно будет воспроизводить звук. Земля, как таковая использоваться не будет. Т.е. при небалансном подключении у нас аналогично есть и "+" и "-", а земля просто совпадает с "-". В балансном же подключении земля просто смещается и передается через отдельный кабель. Более подробно об этом расписано ниже.

Соответственно, “балансные наушники”, отличаются от обычных только штекером подключения и кабелем, где нет общего провода для двух каналов.

"Балансный усилитель" в свою очередь является двумя обычными небалансными стерео усилителями, один из которых работает в прямом режиме, а второй в инвертированном.

Сигнал/шум от питания

При подаче “грязного” питания на усилитель, на выходе мы получаем лишний шум от помех. Но в балансном варианте сигнал второго усилителя инвертируется вместе с помехами со стороны питания, и дальше эти помехи взаимоуничтожаются.

Это часто видно по измерениям балансных линейных выходов, где нет лишних гармоник, кратных 50 Гц. В случае с усилителями, это большой плюс для различных “свистков/донглов”, где при малых габаритах сделать качественную фильтрацию сложно или дорого, а питание со стороны смартфона может быть ужасным. В этом случае балансный выход может звучать чисто без шума/помех, в то время как обычный выход передавать более заметный “шум, гул и писк”.

В стационарных усилителях и продуктах достаточно высокого класса проблема с фильтрацией питания не такая острая и ситуация выглядит немного иначе. Т.к. на балансный выход работает два усилителя, то удваивается не только уровень полезного сигнала до +6 дБ, но и общий фоновый шум, обычно в пределах +3 дБ. Таким образом, параметр сигнал/шум у балансного выхода лучше примерно на 3 дБ для условий максимальной громкости. Если у усилителя цифровая регулировка громкости, то при выставлении одинаковой громкости на обычном и балансном выходе фоновый уровень шума будет выше именно на балансном выходе.

Таким образом, основное преимущество от баланса в сторону низкого фонового шума реализуемо для устройств начального класса с упрощенной фильтрацией питания.

Проникновение каналов

Из-за отсутствия общего провода при балансном подключении между каналами нет смешивания.

В обычном небалансном подключении смешивание происходит в противофазе, из-за чего звучание воспринимается более объемным. На этом фоне балансные усилители играют более “монофонично”. Степень смешивания зависит от выходного сопротивления усилителя, сопротивления кабеля и сопротивления наушников. Вы можете самостоятельно протестировать свою систему в on-line или с помощью специальных плагинов для foobar2000. И для себя послушать разницу между “балансным” и “обычным” усилителями. Или скорректировать небалансный усилитель до уровня балансного.

Нередко встречается ложное утверждение, что из-за смешивания каналов в обычном усилителе, именно он будет играть монофонично, а балансный, наоборот шире и объемнее. Обычно такие утверждения дают “гуру с очень тонким слухом”, где слепой тест моментально вызывает приступ глухоты, а разницу в звучании формирует воображение на основе устоявшихся мифов.

Удвоенное напряжение / уменьшенный ток

При передаче через баланс увеличивается амплитуда напряжения в два раза. Соответственно увеличивается и уровень громкости до +6 дБ. По этой причине балансный выход рекомендуется для наушников с низкой чувствительностью, которые часто встречаются среди высокоомных моделей.

При этом в портативной технике порой делают одинаковый уровень громкости для балансного и небалансного выходов. Среди примеров: Astell&Kern AK240 /AK300 /AK320 /Astell&Kern AK70, Lotoo PAW 5000 MKII, Lotoo PAW 6000, Oriolus DP100/Oriolus DPS-L2 и другие.

Так как в балансном режиме работает вдвое большее количество усилителей, то вхолостую усилители потребляют большее количество тока. На выходе у балансного усилителя может быть меньший порог максимального выходного тока, нежели чем у небалансного из-за общего питания, которое одинаково как для одного стерео усилителя, так и двух усилителелй в балансном режиме. В качестве примеров: Astell&Kern AK240, Cayin RU6, Oriolus DP100, theBit OPUS 2, Walnut V3, xDuoo X20 и другие.

Соответственно может быть ситуация, когда с низкоомными наушниками неискаженный уровень громкости будет хуже именно на балансном выходе.



Так выглядит выходное напряжение на выходе усилителя под нагрузками (сопротивлениями наушников от 10 до 1000 Ом). По горизонтали сопротивления наушников, подключаемых к усилителю, а по вертикали выходное напряжение. График строится по универсальной блок-схеме усилителя. В примере выше у Cayin RU6 на баласном выходе вдвое выше напряжение, и одновременно меньше уровень выходного тока.

Сравнить актуальные параметры напряжения и тока усилителей в различных устройствах можно в прямом сравнении на соответствующей странице (режим сравнения 0 dBFS). Дополнительно можно включить фильтр вывода результатов, где будет показаны только те продукты, где есть оба выхода, балансный и небалансный.



Обычно балансный усилитель описывают как более “мощный” в контексте громкости. С технической точки зрения балансный выход именно по мощности может быть как больше, так и меньше, чем обычный усилитель, или иметь иное распределение мощности в зависимости от сопротивления наушников, как на примере выше с Cayin RU6.

Из-за разной громкости между балансным и небалансным выходом порой при прямом сравнении психоакустически “выигрывает” более громкий выход.

Увеличенное выходное сопротивление

Балансный усилитель не только удваивает напряжение на выходе, но и удваивает выходное сопротивление. А это значит, что если сопротивление не нулевое, то конечная АЧХ наушников с балансный усилителем может меняться в большей степени. Где-то это может быть вкусовым окрасом (приятным или нежелательным), где-то недостаточным электрическим демпфированием.

Из-за разной АЧХ балансный выход звучит иначе и это весомый повод его похвалить и “услышать” более “высокое качество”.

Если выходное сопротивление “большое”, то при подключении низкоомных наушников на нем будет в большей степени снижаться напряжение и балансный выход будет тише, чем небалансный.

Регулировка громкости

Раз у балансного усилителя выше уровень громкости до +6 дБ, то есть особенности и с регулировкой громкости. Если регулировка производится в аналоге, то в минимальных положениях регулятора может наблюдаться дисбаланс каналов. И он соответственно будет начинаться на более высокой громкости. Если регулировка производится в цифровом веде, то аналогично может быть более высокая минимальная громкость, или более широкий шаг ступеней регулировки громкости в минимальных положениях. Таким образом, при использовании высокочувствительных наушников балансный выход может быть менее удобным.

В RAA учет регулировки громкости производится через параметр оптимальный диапазон регулировки громкости.

Гарнитурный провод с микрофоном

Существенным минусом для свистков с балансным выходом, рассчитанных на смартфон, является отсутствие варианта гарнитурного (с микрофоном) подключения наушников. Но, может кто-то постепенно внедрит 5-ти или 6-ти контактный разъем или комбинацию из балансного и дополнительного гарнитурного входа. Пока этот выход функционально рассчитан только на прослушивание музыки.

Напряжение -x~0~+x и 0~x~2x

Если балансный усилитель, это два усилителя, где один в фазе, а второй в противофазе, то можно ли подключить небалансные наушники лишь к одному из них через переходник?

Возможность подключения будет зависеть от применяемой схемы. Некоторые усилители используют два независимых усилителя и на панели есть один или два небаланасных выхода и один балансный.

Такой вариант показан на картинке ниже слева.

Синим обозначена волна “+” (волна от усилителя в фазе), а желтым “-” (инвертированная волна от второго усилителя в противофазе). В балансном подключении на излучатель будет подаваться напряжение между волнами “+” и “-”.

Обычный усилитель создаёт переменный ток от звуковой волны так, что “центр” волны находится в “нуле”, между положительным и отрицательным напряжением, и при убавлении громкости до тишины на выходе не будет напряжения (пониженная громкость в примере показана прерывистой линией).

Если подключится по небалансу, то напряжение будет между волной и землей, в данном случае нулем. Амплитуда в балансном подключении получается всегда вдвое выше и при уменьшении громкости волна будет сливаться с нулем.

Второй вариант (правая картинка), центр относительно земли смещен (так работает к примеру E1DA 9038SG3). В этом случае, если подключить наушники по балансу, то напряжение будет формироваться по разнице потенциалов относительно “+” и “-” и с первым вариантом разницы для излучателя нет.

Но при подключении по небалансу, на наушники будет подаваться разница напряжения от волны до земли/нуля, а не до центра звуковой волны. И если уменьшать громкость, на выходе у нас будет постоянное напряжение.

Это в свою очередь будет притягивать или отталкивать мембрану излучателя от магнита (и делать звук другим, обычно хуже).

Есть мнение, что от действия постоянного напряжения в моменты "тишины", при формально невысокой мощности, катушка будет неизбежно нагреваться и с большой долей вероятности выходить из строя. Объяснить это можно тем, что во время колебаний от музыки, катушка лучше охлаждается и способна выдержать существенно большую кратковременную мощность, а в неподвижном состоянии теплообмен не такой эффективный.

Таким образом, подключить через переходник можно только часть балансных усилителей.

При оценке величины “постоянки” у разных плееров было замечено, что её не было на обычном выходе, но было небольшое смещение напряжения на балансных усилителях относительно земли. И дополнительный заметный фоновый шум (относительно земли).

Непосредственно в гнезде балансного выхода земля может быть только в Pentacon 4.4 мм и 4 XLR. И если в Pentacon она обычно есть, то в 4 XLR ее часто не выводят. При необходимости её можно взять с входного разъема RCA или с USB.

Если у усилителя есть лишь балансный выход, и нет обычного, то большая вероятность, что при подключении небалансных наушников будет постоянка, повышенный шум или другие “сюрпризы”.

Можно ли через переходник подключать балансные наушники к небалансному выходу? Да, никаких ограничений для этого нет.

Различие между балансным и мостовым усилителем

С академической точки зрения балансная схема представляет собой трехпроводную систему, где амплитуды прямого и инвертированного сигнала одинаковы относительно земли. Если использовать подключение излучателя без использования земли, то получается мостовая схема. Соответственно все “балансные усилители” являются мостовыми или работающие в режиме моста (Bridge).





Такое название встречается в концертных и автомобильных усилителях и Hi-Fi/Hi-End технике “золотой эры аудио”.

Технически неправильное название мостового усилителя в виде “балансного” появилось относительно недавно.

В первых мостовых усилителях для наушников использовались разъемы как для балансного межблочного подключения в виде двух 3XLR или двух Jack 6.3 мм. И сами усилители имели балансную схему с последующим подключением в виде моста (без задействованной земли).

Дополнительно слово “баланс” дает волшебную ассоциацию со студией - высоким качеством звука, а не с концертными мостовыми усилителями, где главное, чтоб “громче орало”. В области Hi-Fi/Hi-End колонок название “баланс” сейчас аналогично применяется и заменяет название “мост”.

Таким образом, часть “балансных усилителей”, это или изначально мостовые усилители со смещенной землей, или усилители с балансной схемой, но в итоге работающие в режиме моста.

Для потребителя такая тонкость может иметь значение лишь для понимания, можно ли через переходник подключить небалансные наушники или использовать такой выход в качестве линейного (без земли в разъеме получим и помехи, и в зависимости от схемотехники входа - смешивание каналов). Со стороны производителей подробных данных обычно нет. В лучшем случае может быть предупреждение о недопустимости подключать небалансные наушники через переходник из-за смещенной земли.

Т.к. название в виде “баланса” для “моста” уже устоялось для потребителя, то сменить название на технически правильное уже нереально. С точки зрения качества звука для потребителя это не имеет значения, а любое “переименование” в любую сторону лишь вносит “путанницу” и в данном случае наверняка негативно повлияет продажи. Так что говорим “баланс”, но понимаем, что это не совсем так и что это принципиально лишь на уровне схемотехники, но не принципиально для потребителя.

Итог

Таким образом, балансный усилитель дает меньше фонового шума в устройствах начального уровня, обеспечивает более точное разделение каналов и больше окрашивает звук из-за повышенного выходного сопротивления в связке с наушниками с неравномерным импедансом.

Небалансный усилитель может больше давать помех от питания в паузах, более “широко” строить стерео-панораму и обладать лучшим электрическим демпфированием.

Характеристики мощности между усилителями могут быть непредсказуемо разными, и балансный усилитель может иметь как вдвое больший уровень выходного напряжения, так и меньший уровень порога выходного тока. В каждом продукте это индивидуально.

Таким образом в зависимости от реализации в конкретном продукте, "лучшим" может быть как балансный усилитель, так и наоборот небалансный. И по звучанию они могут быть как очень близки, так и заметно отличаться.