Балансный вход за $6 или как обойтись без трансформаторов

Балансными разъемами, как правило, оснащаются High End-аппараты. Соединение это обладает массой преимуществ, но стоит недешево. Современные микросхемы помогают найти компромиссное решение.

Принято считать, что балансные входы и выходы — атрибуты сугубо техники класса High End. Разъемы XLR можно увидеть в усилителях и CD-проигрывателях аудиофильских фирм Accuphase, Burmester, Krell, Mark Levinson, Luxman и др. Симметричные линии широко используются в профессиональной аудиотехнике, в схемах усиления малых сигналов и при необходимости передавать сигнал на большие расстояния. Как правило, организация балансных линий сопряжена с большими затратами, поскольку требует либо качественных трансформаторов, либо дифференциальных усилителей и хитрых инверторов, способных работать на реактивную нагрузку. А как самому сделать такое подключение?

Прежде чем мы попытаемся ответить на этот вопрос, вспомним, откуда взялись и зачем вообще нужны балансные линии. Главное их достоинство — способность подавлять синфазную помеху, т.е. любые наводки извне при очень большой длине кабеля. Это важно, но в домашних условиях, где расстояние между компонентами не превышает нескольких десятков сантиметров (если только вы не размещаете моноблоки рядом с колонками), больше привлекает другое преимущество симметричного соединения. Дело в том, что изначально стандарт на него разрабатывался для звуковых студий, где сопротивление линии составляет 600 Ом. Столь малая величина обуславливает некритичность к индуктивности и емкости кабеля, и вот это как раз то, что нам нужно. Большинство хай-эндных аппаратов допускают как балансное включение через гнезда XLR, так и обычное, посредством RCA. Так вот, многолетний опыт прослушивания показывает, что в первом случае улучшается детализация звуковой картины и пространственные характеристики, звучание становится более точным, организованным. Симметричные линии будут очень полезны и там, где сигнал балансный изначально, например в однобитовых ЦАПах (см. публикации Андрея Маркитанова в предыдущем и нынешнем номерах) или фоно-корректорах с дифференциальным входом. Здесь просто нет смысла переводить сигнал в однотактный, а затем, в усилителе, снова в двухтактный. Кстати, об усилителях. Любой, кто хоть раз пытался сделать ламповый двухтактник, знает, как трудно собрать хороший фазоинвертор — с малыми искажениями на больших сигналах, с одинаковой АЧХ и выходным сопротивлением по плечам, хорошей симметрией при любых уровнях…

В большинстве случаев для решения перечисленных проблем используются трансформаторы, и именно это обстоятельство долго сдерживало применение балансных линий в домашней технике, и вот почему. Трансформатор, являясь абсолютно простым по сути и понятным устройством, очень трудоемок и сложен в изготовлении. Нужно хорошее железо для сердечника, лучше с добавками никеля или марганца, секционированная намотка и тщательная укладка провода чуть толще человеческого волоса. В противном случае транс будет обрезать частоты на краях звукового диапазона и крутить фазу сигнала, как ему заблагорассудится. Добавьте сюда необходимость двойного, а то и тройного экранирования, полностью ручную работу, и станет ясно, что цена приличного изделия будет очень высока. Например, пара межкаскадников Tango NC-22 стоит по каталогу около $400! Попытка использовать миниатюрные трансики из микрофонов или вынутые из списанных микшерных пультов ни к чему не приведет — в лучшем случае вы получите полосу 80 Гц — 13 кГц плюс большие искажения на амплитудах больше 0,775 В. Можно ли найти выход?

Рис. 1. Балансная линия с коэффициентом передачи К=1. Длина кабеля без ущерба для качества может достигать 150 м.

Можно, если вспомнить, что по сути своей трансформаторы — преобразователи импеданса, т.е. приборы, позволяющие оптимально согласовать источник сигнала с потребителем. При наличии двух идентичных обмоток они способны преобразовать однотактный сигнал в двухтактный. Такая необходимость, как уже говорилось, возникает довольно часто, поэтому многие производители полупроводников начали выпускать специализированные усилители — линейные драйверы и ресиверы. В спецификациях на такие микросхемы Burr-Brown и Analog Devices так и написано: «transformer like driver». Поскольку чипы этих фирм имеют практически идентичную схемотехнику и параметры, рассмотрим построение балансной линии на примере драйвера SSM2142 и ресивера SSM2143 от Analog Devices (рис.1). Почти точные аналоги от Burr-Brown — INA137 и DRV134. Основная их особенность — высокая точность «встроенных» сопротивлений, задающих коэффициент усиления. Она достигается лазерной подгонкой в процессе изготовления микросхем и составляет 0,005%, что абсолютно недостижимо при построении схемы на дискретных элементах. Благодаря этому подавление синфазной помехи в среднем составляет 100 дБ, а искажения в диапазоне частот 10 Гц — 100 кГц не превышают 0,0008%. Примечательно, что оба чипа обеспечивают все заявленные характеристики при амплитудах входного сигнала до 10 В.

Рис. 2. Упрощенная схема драйвера SSM2142. Этот крошечный чип способен раскачать предоконечный каскад усилителя.

Драйвер SSM2142 (рис. 2) стоит около 200 р. в розницу. Он имеет коэффициент усиления 2 (6 дБ) и создает два абсолютно идентичных клона выходного сигнала амплитудой до 10 В при сопротивлении нагрузки 600 Ом. Эта микросхема нечувствительна к ее реактивной составляющей и способна «прокачать» линию длинной до 150 м при сохранении идеальной формы меандра. С ее помощью легко реализуются многие конструкторские задумки. Например, заменив ею обычный ОУ на выходе CD-проигрывателя, легко получить качественный балансный выход. Автор с успехом применил SSM2142 в фазоинверторе лампового усилителя, подав сигнал с ее выходов непосредственно на сетки триода-драйвера 6Н7С. Где вы еще найдете фазоинвертор с линейной АЧХ вплоть до 1 МГц, абсолютно симметричный и с выходным сопротивлением 50 Ом? Чип легко раскачивает лампу даже при возникновении сеточных токов и ему нипочем емкость Миллера. Правда, есть и ограничения. Нужно помнить, что в выходных цепях SSM2142 не должно быть никаких корректирующих цепочек или резистивных делителей, в противном случае симметрия может нарушиться. При использовании драйвера в усилителе мощности следует избегать его охвата общей петлей ООС, поскольку возможно возбуждение на СВЧ. Лучше всего SSM2142 проявляет себя в триодных схемах, где ОС не нужна вообще. Еще одно лично опробованное применение чипа — организация балансного выхода у генератора ГЗ-102 для снятия характеристик лампового преда с входами XLR. Здесь любая попытка схитрить, закоротив одну из линий на землю или обход входного трансформатора, приводила к недостоверным результатам измерений.

Рис. 3. В ресивере SSM2143 сопротивления подогнаны с точностью до 0,005%.

Иногда возникает необходимость обратного преобразования, например для всевозможных регулировок и коррекции. В симметричном стереотракте для этого потребуются прецизионные счетверенные потенциометры и вдвое больше деталей, весьма недешевых. Поэтому часто балансный входной сигнал переводят в однотактный, корректируют, а на выходе возвращают ему исходный вид. Бывает, что нужно правильно включить ламповый однотактник в балансную линию. И в том, и другом случае может выручить ресивер SSM2143 (рис. 3), который, приняв симметричный сигнал, с минимальными искажениями и шумами преобразует его в обычный, причем коэффициент может быть 0,5 или 2, в зависимости от того, как скоммутированы ножки микросхемы. Есть у нее и еще одна полезная опция — возможность получения на выходе постоянного напряжения от -10 до +10 В. Таким образом, легко задать смещение на сетке лампы, подключив катод непосредственно к «земле». Для этого дополнительно потребуется малошумящий ОУ, например OP27 (рис. 4). SSM2143 легко справляется с емкостью нагрузки до 300 пФ и отдает в нее ток до 20 мА. Стоит один чип около 130 руб.

Рис. 4. Так можно получить постоянное напряжение на выходе SSM2143 в диапазоне ±10 В.

Теперь общее замечание для всех типов подобных микросхем. Как показал опыт, их звучание очень зависит от правильного питания, и экономия здесь себе в убыток. Все характеристики драйверов и ресиверов заявлены при напряжении питания ±18 В, но имеет смысл собрать два комплементарных стабилизатора на 15 вольт, либо на LM317/337, либо на дискретных элементах. Наилучшие результаты получались при питании от параллельных двухтактных стабилизаторов (если интересно, схему опубликуем). Попробуйте германиевые диоды в выпрямителе и конденсаторы Black Gate в фильтре, не пожалеете. Каждую ножку чипа, на которую подается «+» или «-», обязательно нужно шунтировать керамикой 0,1 — 0,47 мкФ и танталовым конденсатором-капелькой.

Наверное, имеет смысл остановиться и на этических вопросах. Многие «ламповые» аудиофилы даже не допускают мысли о применении микросхем в High End-трактах. Согласен, трансформаторы намного музыкальнее, поскольку не плодят бесконечного «хвоста» гармоник высших порядков. Но в данном случае за чистоту идеи приходится платить слишком дорого. Безусловно, если у вас в кармане 300 — 400 лишних баксов, я совершенно искренне рекомендую их потратить на изделия Tango, Tamura или MagneQuest. При наличии некоторого опыта транс можно намотать самому. А если нет ни того, ни другого, то пара крошечных чипов в корпусе DIP8 может оказаться очень полезной. По крайней мере, в большинстве случаев они звучат очень прилично, и их включение даже в самый «вылизанный» тракт не вызывает сколь-либо заметной деградации. В придачу вы экономите на кабелях, что подтверждено экспериментом — замена дорогого симметричного кабеля XLO обычной студийной витой парой длиной 6 м абсолютно не ощущалась.

Практика AV #2/2001