Балансное XLR соединение

[gorion]

Никак не могу понять, как наушники подключаются по балансной схеме? В качестве АС у меня мониторы, подключены по балансу, тут все понятно, это все таки активное устройство, но наушники как переваривают балансный сигнал? Какая схема подключения? По сути в наушниках к динамику подводится два провода сигнал и масса.

[Serge44]

http://www.headphone.com/learning-ce...unbalanced.php

A normal headphone cable plug has three connections on it: the tip is left; the ring is right; and the sleeve is ground. The tip connects to a wire that goes to the positive (+) lead of the left headphone driver coil; the ring connects to a wire that goes to the positive lead of the right driver. The sleeve connects to a wire that goes to both negative (-) terminals of the drive coil; this wire usually has a solder joint in the “Y” or in the earpiece where ground wire from the plug splits into separate wires that are connected to the negative terminals of the driver coils.


Bold lines indicate common return of both left and right channels

The most important thing to note here is that as the left and right channels of the headphone amplifier drive the left and right driver coils, the return current from the drivers gets joined together and travels some distance before returning to the amp’s audio ground. This common pathway has some- possibly significant- electrical resistance from the wire, solder joints, contact resistance at the plug/jack, and so on, which causes a common signal to appear at the negative terminal of both driver coils. This common signal (a low-level summation of the left and right channel) will generate low level cross-talk and distortion in the sound heard on headphones. Just how low depends on the quality of the whole headphone/amplifier system (and, of course, we do a lot to minimize the problem with our amplifiers and re-cabling services), but it will always be there. There is, however, a way to completely get around the problem: balanced headphones.



Balanced headphones are just regular headphones that have been re-cabled in a special way. The normal three-conductor cable with the common ground connection is replaced with a cable that has four conductors: right positive and right negative conductors to the positive and negative connections of the right driver coil; and left positive and left negative conductors to the left driver coil. The cable is terminated in two XLR male connectors, one each for the left and right channel. A special headphone amplifier is used that has “balanced” outputs where each channel has a normal audio drive signal and a mirror image inverted drive signal. The trick here is that there is no “ground” to the headphones anymore, so there is no opportunity for the crosstalk distortion described above.
Well … there’s actually another trick: an amp that makes perfect mirror imaged balanced signals to drive balanced headphones.

[Serge44]

http://www.headphone.com/learning-ce...y-balanced.php

What's the Difference Between Balanced Transmission and a HeadRoom Fully Balanced Headphone System?



The most common use of balanced audio signal transmission has actually little to do with driving headphones in balanced mode. In many professional audio applications, signals are routed from place to place via balanced cables in an effort to reduce common mode interference from radio frequency (RF) noise sources like fluorescent lights and motors. Because the voltage developed on the transmission line from RF interference is identical on both normal and inverted signal conductors, and because the balancing transformers only allow current flow when the signals are opposing, the common interference signal is cancelled out (fig.1). This problem is not typically an issue even with single-ended headphones because the low output impedance of the power amp prevents a significant RF interference noise voltage from ever developing. But there are other excellent reasons to drive headphones with a particular type of balanced amplifier.Certainly, there are a number of amplifier designs that are single-ended internally, but use transformer coupled outputs (fig.2); these amplifiers improve headphone performance largely because of the removal of the common ground.



However, there is an entirely different approach that can be used to get significant and measurable performance improvements at a lower cost than would normally be available against the diminishing returns curve of component upgrades. Often called “fully balanced” designs (fig.3), this type of amplifier has completely separate and matching electronics circuits for all four (left normal and inverted, and right normal and inverted) audio signal paths. The advantage of this design is that there are two power amps driving each coil; each amp effectively drives half the coil, with a virtual ground or zero voltage point halfway into the coil. Since each amp is only driving half the load, a significant improvement in control can be achieved, and because the voltages are in opposition, an effective doubling of slew rate (volts per second the amp can swing) is realized compared to the normal slew rate of either amp by itself. In other words, by doubling the amount of electronics circuits, a two-fold performance increase in some critical areas can be achieved with only a 50%-70% increase in cost. Normally, a doubling of measured performance would easily cost much more to achieve.

[Serge44]

http://www.headphone.com/learning-ce...ed-sources.php

Using a Balanced Source, such as Phono Source or a Computer

Vinyl Sources

Sure, digital has gotten very good (and we’ll get to that in a minute) but vinyl is organic and liquid-sounding, and just happens to be a very cost efficient way to get a balanced source -- not to mention it provides hours of platter picking pleasure at indie record stores, too. The coil in a phono-cartridge is naturally balanced, and if you run it to a balanced phono amplifier, voila, you’ve got a truly balanced source. (Tape heads make great naturally balanced sources, too---but if you thought vinyl was obscure try finding source material on 15-inch reels!)



Digital Sources

The proper way to get as close to perfectly balanced digital source as possible is to create the inverted channel by flipping while it’s still in the numbers stage. Normally, DACs (Digital to Analog Converters) run with 0000… giving a low voltage to 1111… giving it’s maximum voltage. In this case the output with digital audio is non-inverted (or improperly but commonly called, “in-phase”). But with a simple toggle of a pin, the DAC inverts its word sequence and runs from 0000… giving the maximum output to 1111… giving it lowest voltage, which inverts the audio signal---pretty much perfectly.

[Igodor]

Конечно балансное подключение наушников интересно, но дорого. Мало того, что нужно переделывать наушники на балансные кабеля, так ещё стоимость усилителя увеличивается в два раза (вместо двух каналов нужно четыре).

[Igodor]

А вот какие будут мнения у форумчан по поводу одного из изобретений Яна Мейера - применяемой им в своих усилителях Active balanced headphone ground ?

http://www.meier-audio.homepage.t-on...e/symphony.htm

Active balanced headphone ground

Each driver of a headphone is connected to the amplifier by two wires. Normally one of these wires (the ground wire) is connected to ground and thus carries a constant zero-Volts signal. The other wire carries a varying voltage, the electrical audio signal. The driver is driven by the voltage-difference between both wires.

The voltages of the 4 wires change continuously and the external electrical fields generated by the electrical charges on the wires change accordingly. There is energy associated with these fields and thus energy is constantly stored and released. The properties of the insulating material have a strong influence on this process and thus effect sound quality.

The SYMPHONY does not keep the signal of the ground wires fixed but adds an extra signal to all the four wires (signal wires and ground wires) such that the sum of the voltages of the 4 wires is constantly zero. This extra signal is the same for all wires so the voltage differences between the two wires of a single driver do not change. The effective audio signal is still the same.
However, since the sum of the voltages is zero, the total electrical charge on the wires is also zero. The external potential field is strongly reduced and much less energy is stored and released when an audio signal is applied. The purity of the sound signal is much less effected by the properties of the insulating material.

The pictures below show an example of a typical headphone cable driven by a conventional headphone amplifier (left picture) and by the SYMPHONY (right picture).

At the left below we see the signals as generated by a conventional headphone amplifier. The ground signal is kept constant. Left and right channel signals vary independently.

At the right we can see the signals generated by the SYMPHONY. The ground wire now carries a signal that is also added to the left and right channel signals. The difference between Left and Ground and between Right and Ground is the same as in the left picture.

The left picture below shows the electrical potential field of the positively charged headphone cable when both signal wires carry a positive signal at the point of time indicated by the yellow bar at the picture above.
The right picture shows the potential field for balanced ground operation. It can be easily seen that field potentials are much lower than at the left picture.

The differences are even more pronounced in the far field, as shown in the next pictures. Since the "balanced" headphone cable has zero netto charge there is hardly any energy stored in the far field.

Apart from these principle benefits there are also some technical advantages offered by active balanced headphone ground.

When a positive signal is applied to a headphone driver by a conventional headphone amplifier current passes from the output stage of the amp, through the headphone driver towards the ground plane of the amp. During this process the current is "taken" from the positive power supply line whose voltage, as a result, will not be entirely constant. (In the pictures below the positive and negative supply lines are depicted as two large storage capacitors.)

The currents that run through the ground plane do induce small voltage differences. Ground is thus polluted and since it acts as a internal reference for all signal amplification processes sound quality is impaired.

Also variations of the powersupply lines are not entirely rejected/neglected by the output stage and are partly transferred to the output signal. This reduces sound quality even further.

When a signal is applied by the SYMPHONY, current passes the signal output stage, the driver, and the ground output stage. Both positive and negative powersupply lines are "loaded" simultaneously. No driving currents pass through the internal ground plane. There is no pollution of the internal referfence.

The voltage variations of the two powerlines are mirrored. Their mean value is roughly constant. This strongly increases their rejection at the output stages.

If voltage variations are found in one of the powerlines only, then these have a similar effect on the signals of both the signal output stage and of the ground output stage. However, it is the difference between the two output signals that drives the headphone. This difference is not changed and the effective audio signal is not influenced. PSRR (Power Supply Rejection Ratio) is very high.

Balanced ground thus offers many advantages for a faithfull reproduction of your favourite music. It certainly makes the SYMPHONY to one of the best amplifiers currently available.

[Igodor]

Ну и для не очень владеющих английским вот полумашинный перевод с doctorhead.ru http://doctorhead.ru/catalogue/?i=1323&pr=106

Активная симметричная земля наушников

Каждый динамик наушников соединяется с усилителем двумя проводами. Обычно один провод (заземленный) подсоединяется к земле и поэтому переносит постоянный нулевой сигнал. По другому проводу идет переменное напряжение, электрический аудиосигнал. Динамик работает за счет разности потенциалов между проводами.

Напряжение (потенциалы) в 4 проводах постепенно меняется, и электрические заряды вырабатывают внешние электрические поля на смене проводов соответственно. Образуется энергия, связанная с этими полями и, таким образом, энергия постоянно аккумулируется и освобождается. Очень сильно на процесс, а, следовательно, и на качество звучания, влияют свойства изоляционного материала.

SYMPHONY не держит сигнал заземленных проводов в неподвижности, а добавляет дополнительный сигнал ко всем четырем проводам (сигнальные и заземленные провода) таким образом, что сумма потенциалов 4 проводов постоянно равна нулю. На все провода подается один и тот же дополнительный сигнал, поэтому разность потенциалов между проводами одного динамики не изменяется. Эффективный аудиосигнал остается неизменным. Тем не менее, поскольку сумма потенциалов равна нулю, общий электрический заряд проводов также равен нулю. При подаче аудиосигнала внешнее поле потенциала сильно уменьшается, и намного меньше энергии аккумулируется и освобождается. Чистота звукового сигнала менее зависима, а свойства изоляционного материала обладают меньшим влиянием.

На рисунках ниже приведен пример типичного кабеля для наушников, работающих от обычного усилителя (слева) и усилителя SYMPHONY (справа).

На рисунке слева мы видим сигналы, вырабатываемые обычным усилителем для наушников. Заземленный сигнал остается постоянным. Сигналы в правом и левом каналах изменяются независимо друг от друга.

Справа изображены сигналы, вырабатываемые SYMPHONY. По заземленному проводу идет сигнал, который также добавляется к левому и правому каналам. Разница между Левым каналом и Землей и между Правым каналом и Землей такая же, как на левой картинке.

Слева показано электрическое поле потенциалов положительно заряженного кабеля для наушников, когда оба сигнальных провода переносят положительный сигнал в момент времени, обозначенный на рисунке сверху желтой полоской. Справа изображено потенциальное поле для заземленной работы. Нетрудно заметить, что потенциальные поля намного меньше, чем на левом рисунке.

Разность даже сильнее выражена в дальнем поле, что видно из следующих рисунков. Поскольку «балансный» кабель для наушников обладает суммарным нулевым зарядом, то вряд ли в дальнем поле аккумулируется энергия.

Помимо этих преимуществ, симметричная земля способствует также и в техническом плане.

Когда обычный усилитель для наушников подает на динамик положительный сигнал, ток идет с выходного каскада усилителя, через динамик наушников к земляному слою усилителя. Во время этого процесса ток «берется» из положительной линии питания, где напряжение, в результате, не будет всегда оставаться постоянным. (На рисунке ниже положительная и отрицательная линии изображены в виде двух больших накопительных конденсаторов).

Ток, проходящий через земляной слой, вызывает небольшую разность потенциалов. Таким образом, земля засоряется и, поскольку она действует как внутренний источник напряжения для всех процессов усиления сигнала, качество звучания ухудшается.

Кроме этого, изменения линий питания не полностью отрицаются/игнорируются выходным каскадом и частично передаются в сигнал на выходе. Это еще больше снижает качество звука.

Когда сигнал подается усилителем SYMPHONY, ток проходит сигнальный выходной каскад, динамик и заземленный выходной каскад. Управляющий ток не проходит через внутренний земляной слой. Внутренний источник напряжения не засоряется.

Изменения напряжения двух линий дублируются. Их средняя величина приближенно постоянна. Это значительно повышает их освобождение на выходных каскадах.

Если напряжение меняется только в одной линии, то это одинаково влияет на сигналы, как сигнального выходного каскада, так и заземленного. Однако, два выходных сигнала, идущих в наушники, отличаются. Разность не меняется, поэтому не влияет на эффективный аудиосигнал. PSRR (соотношение энергия-подача-подавление) очень высоко.

Таким образом, симметричная земля дает множество преимуществ для точного воспроизведения вашей любимой музыки. Благодаря этому CANTATE можно по праву считать одним из лучших усилителей в данной ценовой категории.

[vitamir]

Active balanced headphone ground не имееет с балансным соединением ничего общего.
Это разновидность т.н. трехканальной схемы, не требующая переделки кабеля наушников. Основная ее особенность - распределение подводимой к наушникам мощности между тремя каналами равномерно, что, при равной громкости звука, позволяет обойтись чуть меньшим напряжением сигнала на выходах усилителей, что потенциально позволяет обойтись меньшим напряжением питания усилителя. Это создает некоторые преимущества для носимого варианта усилителя с питанием от аккумуляторов. Практическая реализация Active balanced headphone ground не дешевле стандартной балансной, требует применения прецизионных компонентов.
Если кому интересно, попытки разобраться в тонкостях этого варианта и повторить его ведутся на head-fi.org.

[Igodor]

Трёхканальная схема Active balanced headphone ground усилителя для наушников всё-таки дешевле четырёхканальной стандартной балансной плюс не требуется переделка кабеля наушников. Но вот стоит ли игра свеч в данном случае для стационарной системы в плане улучшения качества звучания ? Почему Мейер делал поначалу Active balanced headphone ground только на своих старших моделях стационарных усилителей ? А в портативном CORDA STEPDANCE это решение появилось сравнительно недавно. Указанные вами, vitamir, преимущества для портатива ясны. А вот даёт ли такое техническое решение заметное улучшение звука для стационара ? Вот в чём для меня вопрос. Не думаю, что это только маркетинг Яна Мейера.

Serge44, хотелось бу узнать и ваше мнение по этому поводу. Всё-таки вы наверно больше всех имеете опыт прослушивания старших моделей усилителей CORDA.

[Serge44]

Эффект балансного подключения будет отличаться для разных наушников. Модели с дальним расположением музыкантов выиграют больше, например, Зеннхайзеры. Уровень громкости будет выше при балансном подключении. Возрастает макродинамика, звук полновеснее. Различия не глобальны.
Полностью балансную систему я пока не создавал по причине дороговизны.