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发表于 2010-4-16
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在音频设备中,什么是平衡输出/输入,什么是非平衡输出/输入?恐怕这样的概念对于大多数用户来说根本没接触过.虽然我们也经常在测评中看到一些设备具有这样的功能.例如我们使用的测试平台E-MU 1616m音频接口,E-MU PM5音箱等等,但我们平时也确实没有用过平衡接口,毕竟我们的文章要为普通用户服务.
% _' l8 b& X. p* D+ r. o 不难看出,这个概念往往更多出现在专业监听设备上.而从信号平衡输入、平衡功率放大再到平衡输出,到底会带来怎样的优点?对于一些高端发烧设备来说,它到底有没有用?又如何用在耳机和耳放上呢?
0 w- {; C# K0 [0 p& Q9 _ 什么是非平衡输出/输入?
) Q0 y( i! K5 W, l3 ` 我们平时为什么用不到平衡输出,而是非平衡输出呢?似乎没有为什么可讲.对于一个立体声音频系统来说,按标准,它的左右声道各有两根线构成信号回路.一根负责传输信号,另一根接地导出噪声.而对于耳机这样的设备来说,它们地线还可以合二为一,两个声道使用一根地线.因为3.5mm插头就是这么定义,没得道理可讲?所以我们平时见到的绝大多数都是非平衡的输入输出. A4 r5 x1 Y/ k1 G( O
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如图所示,这是我们最常见的立体声使用的3.5mm[6.25mm]接口同理,它们的插头被分为三段,分别对应三根导线,它们的有标准定义,所有音频设备在使用3.5mm立体声输入输出时,都按此规范连接.如图所示,最根部的一段用于连接地线,导出系统噪声.而最顶部是右声道信号,接下来时左声道信号.黑色部分是绝缘环.7 {! g$ B2 z; G4 o& R, S$ @- e# x
而另一类接口,我们声卡上常用的RCA接口,也是非平衡信号输入输出的接口.一般标准定义RCA接口分为红色和白色两根,红色为右声道、白色为左声道,插头和插座的外边为接地,中心为信号.1 ]7 K+ b" @+ `9 C
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( S. p, X; ~/ V5 o6 t5 \ 非平衡输出的接口显然占据了大多数音频设备的绝对主流,至于为什么?规范就是如此被传承的.而要使用平衡接口,对于功放或音源设备来说就需要提供平衡放大的电路.而"平衡"被更多用于专业领域,就是因为平衡功放电路的优势所致.严格的说,谈"平衡"需要的就是它的"平衡功率放大电路".! S' C6 }0 @ O& @ J. c" ^- ^
什么是平衡输出/输入?
. t6 a, e- W; _ 非平衡的定义是相对平衡而来的.平衡没有被推广在民用,和功放,成本和整体标准制定都有一定关系,没有必要纠结是为什么.而要使用平衡输入输出,并利用到它的优点,核心就是功放.由于它的输出形式不同,所以接口自然要有所不同.5 a- L: F0 @& q5 N; S
从接口来看,平衡输入和输出每个声道需要提供正负两根接入信号的源[接线],至于为什么要这么做?我们在下面平衡功放工作原理中谈到.因此,我们最常见的用于平衡输入输出的插头插座,大概有三种.第一,6.25mm的三段[三芯]插头;第二,XLR三芯卡农插头;第三,XLR四芯卡农插头.
6 a% E) B6 o7 S+ J* Q# t$ B! [% T 6.25mm的三芯插头:它相对XLR来说可以省不少的体积,所以在很多音频接口上可以见到.甚至一些比较入门级的USB声卡,例如E-MU 0204USB等.6.25mm插头与3.5mm插头其实并没有什么不同,只是更粗一些.而将它用于专业应用的原因,恐怕有两个,第一,看上去就专业;第二,尺寸大,接触面大,插拔比3.5mm更稳固.第三,标准所致.当6.25mm的三芯插头用作平衡信号接入时,它的根部仍然定义为连接地线,而中间是信号正极,顶部为信号负极.一个插头只负责一个声道.
/ k4 j4 E6 U8 {1 ~7 v XLR卡农插头:相对6.25mm插头来说,XLR插头的插拔稳定性、可靠性显然要更好一些.如图所示,是四芯XLR卡农插座和三芯XLR卡农插座的示意图.图中下方黑色部分为卡农插头特有的"卡子"锁死设计.& |7 r8 y, F. \! T
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/ x" u x3 K0 ?( x7 X 我们常见的XLR接口,为三芯标准,它的插头和插座没有"公""母"绝对定义.而插头或插座上都会标明1,2,3的数字.按照规范,单个平衡信号输入输出使用一个三芯的XLR卡农插头,1口为接地.根据不同规范,2和3为正负极.它与6.25mm 三芯平衡插头用法类似.2 e# q8 S9 J# K- S/ ]! ?& j
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四芯XLR在平衡信号连接中如何定义?作为平衡功放的输出而言,在负载上[例如音箱,耳机]它并不需要地线构成回路,所以我们确实可以省去地线连接[如果愿意,外壳可以接地],所以就有了四芯XLR.它的方便之处在于一个接口四根连线,每声道对应两根,可以实现立体声输入输出.1234接口的定义分别为左﹢左﹣右﹢右﹣.6 w, a/ f- ?9 a! J8 B
其实卡农接口只是一种接口的形式,它大多被用于专业应用,也有五芯标准的卡农接口.
* |8 _9 _. p3 W$ V) { 为什么要用平衡输入输出?& k& L- d" Q/ a
虽然非平衡接口是我们最常见的接口,而平衡接口更多应用于专业设备,但以上眼花缭乱的介绍估计已经让人昏头了?可是这只是表面现象,我们为什么要用平衡接口呢?严格的说,平衡接口的存在就是为了对应平衡功放的输出[三芯麦克风XLR接口作用不同],如果没有平衡功放配合,使用平衡接口理论上并没有实际意义.那么什么是平衡功放?6 J. U) G0 I) h, E3 D! H
如图所示,这是一张平衡桥式连接输入和输出图.作为平衡式功放而言,无论它的输入信号是平衡的或是非平衡的,都可以通过电路将它分为相位相差π[180°]的两路信号.如图所示左右两侧即相位相反的一对信号[注:如果用于立体声放大这是一个声道的示意图].这两个信号理论上完全相同,只是相位极性相反.每一组放大器都是差动双端输入的方式[注意,这里是输入信号相位极性相反].
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6 y- e. }4 @1 @/ E8 w( } 图中R负载,可以看做是音箱或者耳机.通过功放放大后,输出端的信号同样是相位极性相反,而其他性质完全一致的信号.将输出端分别连接在负载[如耳机]的正极和负极,信号极性调转过来,但在功放电路中产生的共模噪声的极性因此发生了变换.所以,在负载上[如耳机]两个信号强度得以增强一倍,而噪声因为互为反相而被抵消.
! S6 k' Q! u4 U 平衡式放大的输出形式,就是BTL输出形式.有很多人问BTL[Balanced Transformer Less]平衡桥式负载输出和平衡输出有什么不同?答案显而易见.BTL是指输出的电路工作形式,而我们习惯所说的"平衡输出"似乎要包括了它的输入形式、连接方式以及功放的工作方式.当然,很多时候也被片面的理解.例如,看到一个XLR接口,大家就会说这是平衡接口,而不去考虑它的功放工作方式等等.
4 J4 t* e* f& _- s. R7 r; j 平衡输出的优势显然必须要平衡功放才可以体现.它并不在乎系统输入信号是否平衡[当然,平衡信号输入更精确],而是在功放电路输入端强制将信号分成相位极性相反的平衡信号.这两组信号分别使用一套电路放大,在输出端分别连接在极性相反的负载两段,此时有用信号极性通过两次翻转,形成叠加,输出功率增大一倍.而由于功放内部的噪声只经过输出端一次相位翻转,所以在负载上耦合,共模噪声被抵消.% I' a% J8 X+ Y- S' e
平衡功放的这种工作方式,也许可以算的上用"空间"换"品质".在单端非平衡功放中,我们要增加功率一般的方法就是增加功放的电压或电流.而平衡功放的方式是将输入端一分为二,增加一组放大电路,最后在输出端耦合叠加.在供电电压一定的情况下,平衡功放可以做到更大的输出功率.. y3 W' [! V7 Q2 I+ @, e
平衡功放和耳机改线如何使用?) t- N. e6 U# } v( l1 h3 E
平衡功放功放的工作方式和优点我们已经简单介绍清楚了.那么,我们该如何使用呢?首先,传统的三芯XLR卡农接口的音箱自然不少见,如果你有配套的平衡输出音源、功放,则可以考虑.4 C7 x; ^( t; ~' h' \0 t Y
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为什么很多发烧友去改线,让耳机具有四芯XLR接口来使用呢?
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5 D7 Z0 _9 E1 H# y; T5 f0 S" _ 从上文介绍大家应该已经明白.如果不考虑接地,平衡输出对应的接口每个声道只需要2根连线,这样3.5mm的四芯插头正好可以满足这个要求.原本3.5mm四芯插头是被用于带麦克风的立体声插头.它的定义顶部两个为左﹢右﹢,而靠根部的两个根据标准不同,一个为接地另一个为麦克风接口.而在HiFiMan的平衡接口上,它将这四芯正好定义为左﹢右﹢左﹣右﹣.所以,这样的插头是不能在其他3.5mm播放器上使用的,同理,没有这样的插头也是不能体验平衡功放的作用的,而且会因为接地线串到负相信号,而声音混乱.4 m$ g' e3 A) @6 e" E
而在发烧友中还有一部分将耳机的原本三芯插头改成XLR四芯插头,是怎么做的呢?又是出于什么目的呢?
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改线对于一些耳机来说并不是容易的是,比如飞利浦SHP9000.我们知道,SHP9000、以及一些AKG耳机,它的输出接口是一个特别的三芯插头.这说明连接到耳机单元的线其实只有三根,如果打算让它使用平衡接口,显然是不行的.所以,这位网友在SHP9000的另一侧打了一个洞……直接把导线连接到了单元上引出.这样左右声道各两根线,实现了XLR四芯的接口配对.而森海塞尔HD650等左右声道分别入线的耳机,改装自然就方便不少.
$ V, D+ g7 H6 k 很多网友认为,左右声道各一条地线分离要比输入耳机时左右声道共用地线的声音更好.从我们目前试用结果来看,似乎是对平衡输入输出的一个误解.如果没有平衡功放配合,XLR四芯输入似乎没有什么太大必要.
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