В электротехнике симметричная схема — это электронная схема для использования с симметричной линией или самой симметричной линией. Сбалансированные линии — это распространенный метод передачи многих типов электрических сигналов между двумя точками по двум проводам. В симметричной линии две сигнальные линии имеют согласованный импеданс , что помогает гарантировать, что помехи , наведенные в линии, являются синфазными и могут быть удалены на приемной стороне с помощью схемы с хорошим подавлением синфазных сигналов . Для поддержания баланса блоки цепей, которые взаимодействуют с линией или подключаются к линии, также должны быть сбалансированы.
Сбалансированные линии работают, поскольку помехи из окружающей среды создают одинаковые шумовые напряжения в обоих проводах. Измеряя разницу напряжений между двумя проводами на приемном конце, исходный сигнал восстанавливается, а шум подавляется. Любое неравенство в шуме, возникающем в каждом проводе, является дисбалансом и приведет к тому, что шум не будет полностью подавлен. Одним из требований баланса является то, чтобы оба провода находились на одинаковом расстоянии от источника шума. Это часто достигается путем размещения проводов как можно ближе друг к другу и скручивания их вместе. Другое требование состоит в том, чтобы сопротивление относительно земли (или любой опорной точки, используемой дифференциальным детектором) было одинаковым для обоих проводников во всех точках по длине линии. Если один провод имеет более высокий импеданс относительно земли, он будет иметь тенденцию создавать более высокий уровень шума, разрушая баланс.
Сбалансированная схема обычно демонстрирует симметрию своих компонентов относительно горизонтальной линии посередине между двумя проводниками (пример на рисунке 3). Это отличается от того, что обычно подразумевается под симметричной схемой, которая представляет собой схему, показывающую симметрию своих компонентов относительно вертикальной линии в ее средней точке. Пример симметричной схемы показан на рисунке 2. Схемы, предназначенные для использования с симметричными линиями, часто проектируются как симметричные и симметричные, как показано на рисунке 4. Преимущества симметрии заключаются в том, что одинаковое полное сопротивление присутствует на обоих портах и что схема оказывает одинаковое влияние на сигналы, распространяющиеся по линии в обоих направлениях.
Баланс и симметрия обычно связаны с отраженной горизонтальной и вертикальной физической симметрией соответственно, как показано на рисунках 1–4. Однако физическая симметрия не является необходимым требованием для этих условий. Необходимо только, чтобы электрические сопротивления были симметричными. Можно спроектировать схемы, которые не являются физически симметричными, но имеют эквивалентные симметричные импедансы.
Сбалансированный сигнал — это сигнал, в котором напряжения на каждом проводе симметричны относительно земли (или какой-либо другой опорной точки). То есть сигналы инвертируются относительно друг друга. Сбалансированная схема — это схема, в которой обе стороны имеют одинаковые характеристики передачи во всех отношениях. Сбалансированная линия — это линия, в которой по двум проводам будут проходить симметричные токи (то есть равные и противоположные токи) при подаче симметричных (симметричных) напряжений. Условие балансировки линий и цепей будет выполнено в случае пассивной схемы, если импедансы сбалансированы. Линия и схема остаются сбалансированными, и преимущества подавления синфазного шума продолжают действовать независимо от того, является ли подаваемый сигнал сам по себе сбалансированным (симметричным), всегда при условии, что генератор, создающий этот сигнал, поддерживает баланс импеданса линии. [1]
Существует несколько способов управления симметричной линией и обнаружения сигнала. Во всех методах для обеспечения хорошей помехозащищенности важно, чтобы схема возбуждения и приема поддерживала баланс импеданса линии. Также важно, чтобы приемная схема обнаруживала только дифференциальные сигналы и подавляла синфазные сигналы. Не обязательно (хотя это часто бывает), чтобы передаваемый сигнал был сбалансированным, то есть симметричным относительно земли.
Концептуально самый простой способ подключения к симметричной линии — через трансформаторы на каждом конце, показанные на рисунке 5. Трансформаторы были оригинальным методом создания таких соединений в телефонии, а до появления активных схем они были единственным способом. В телефонии они известны как повторяющиеся катушки . Трансформаторы имеют дополнительное преимущество, заключающееся в полной изоляции (или «плавающей») линии от токов земли и контура заземления , что нежелательно при использовании других методов.
На стороне трансформатора, обращенной к линии, в конструкции хорошего качества обмотка будет состоять из двух частей (часто с центральным отводом ), которые тщательно сбалансированы для поддержания баланса линии. Обмотки со стороны сети и со стороны оборудования являются более полезными понятиями, чем более обычные первичная и вторичная обмотки при обсуждении этих типов трансформаторов. На передающем конце обмотка со стороны линии является вторичной, а на приемном конце обмотка со стороны линии является первичной. При обсуждении двухпроводной схемы первичка и вторичка вообще теряют всякий смысл, поскольку сигналы идут сразу в обоих направлениях.
Обмотку трансформатора со стороны оборудования не нужно так тщательно балансировать. Фактически, одна ветвь со стороны оборудования может быть заземлена без нарушения баланса линии, как показано на рисунке 5. При использовании трансформаторов передающая и приемная схемы могут быть полностью несбалансированными, при этом трансформатор обеспечивает балансировку. [2]
Активный баланс достигается с помощью дифференциальных усилителей на каждом конце линии. Реализация этого операционного усилителя показана на рисунке 6, возможны и другие схемы. В отличие от баланса трансформатора, здесь нет изоляции схемы от линии. Каждый из двух проводов управляется схемой операционного усилителя, которая идентична, за исключением того, что один является инвертирующим, а другой — неинвертирующим. Каждый из них по отдельности выдает асимметричный сигнал, но вместе они управляют линией симметричным сигналом. Выходное сопротивление каждого усилителя одинаково, поэтому сохраняется баланс импеданса линии. [3] [4]
Хотя невозможно создать изолированный привод только с помощью схемы операционного усилителя, можно создать плавающий выход. Это важно, если одна ветвь линии может быть заземлена или подключена к другому источнику напряжения. Заземление одной ветви линии в схеме, показанной на рисунке 6, приведет к уменьшению напряжения в линии вдвое, поскольку теперь сигнал подает только один операционный усилитель. Для достижения плавающего выходного сигнала между двумя операционными усилителями требуются дополнительные пути обратной связи, что приводит к более сложной схеме, чем на рисунке 6, но при этом позволяет избежать затрат на трансформатор. Плавающий выход операционного усилителя может плавать только в пределах шин питания операционного усилителя. [5] Изолированный выход может быть достигнут без трансформаторов с добавлением оптоизоляторов . [6]
Как отмечалось выше, можно управлять симметричной линией с помощью несимметричного сигнала и при этом поддерживать баланс линии. Это схематически показано на рисунке 7. Предполагается, что усилитель, управляющий одной ветвью линии через резистор, представляет собой идеальный (т. е. с нулевым выходным сопротивлением) несимметричный выходной усилитель. Другая нога соединена с землей через другой резистор того же номинала. Сопротивление земли обеих ног одинаково, и линия остается сбалансированной. Приемный усилитель по-прежнему подавляет любой синфазный шум, поскольку имеет дифференциальный вход. С другой стороны, линейный сигнал не симметричен. [7] Напряжения на входе двух плеч, V + и V -, определяются выражением;
Где Z вх — входное сопротивление линии. Они явно не симметричны, поскольку V − намного меньше, чем V + . Это даже не противоположные полярности. В аудиоприложениях V − обычно настолько мало, что его можно принять за ноль. [8]
Схема, специально предназначенная для обеспечения взаимодействия между симметричными и несимметричными цепями, называется балуном. Балун может представлять собой трансформатор с одной ветвью, заземленной на несимметричной стороне, как описано выше в разделе «Баланс трансформатора». Возможны и другие схемы, такие как автотрансформаторы или активные схемы. [4]
Общие разъемы, используемые в симметричных схемах, включают модульные разъемы на телефонных приборах и широкополосных данных, а также разъемы XLR для профессионального аудио . Телефонные разъемы с наконечником/кольцом/втулкой (TRS) 1/4 дюйма когда-то широко использовались в ручных коммутаторах и другой телефонной инфраструктуре. Сейчас такие разъемы чаще встречаются в миниатюрных размерах (2,5 и 3,5 мм) и используются для несбалансированного стереозвука; однако Профессиональное аудиооборудование, такое как микшерные пульты, по-прежнему обычно использует симметричные и несимметричные соединения «линейного уровня» с телефонными разъемами 1/4 дюйма.
