平衡与不平衡接口转换终极解构

电脑教程 2021-10-06 09:54:00

在音频设备当中，历来就有平衡和不平衡二种接口。到底是先有平衡接口的呢，还是先有不平衡接口的呢？应该是先有非平衡接口的。

第一节平衡接口的来历

平衡传输线最早是来自最早期的电话线（早到啥时候？应该是刚有电灯电话的时候，在坐的没人见过了）。当时的电话音频信号，电平很低（最早期的电话机，是没有放大电路的。电子管的出现比电话晚好多），如果使用普通屏蔽线长距离传输的时候，很容易受到干扰。因此，就采用了平衡式传输。

平衡式传输，电缆包括屏蔽层，屏蔽层内有二根电线。当时的电话都是采用直流供电的炭精话筒，本身不平衡（一个地，一个信号端），因此在电话机，电话机房之间，都采用变压器隔离。变压器隔离的同时，也就将电话信号输出变成了平衡的。变压器的次级就接在电缆的二根芯上。其中，跟源电位相同的叫热端，另外一端就叫冷端。（见图1）。

图1

从图1，可以看得很清楚。有用的音频信号，是在两根芯线之间传输，跟屏蔽层（地线）没有关联。二根芯线上的信号，电压相等，相位相反。而干扰信号造成的干扰电压，则是电压相等，相位也相等。由于平衡传输系统对两根芯线之间的电压差才有传输作用，对同相位的干扰电压没有传输作用（因为干扰电压是建立在地和二根芯线之间的，而不是建立在二根芯线互相之间的），故此，平衡传输系统，对传输过程中混入的干扰视而不见，只传输有用信号，因此，平衡传输系统得到了广泛的应用。

而不平衡接口，信号则在信号端和地线二端传输。干扰电压会之间跟有用信号电压叠加在一起，无法彻底根除。

当年的电话线传输中，使用的隔离变压器，阻抗统一为600Ω，为能够传输最大功率（要注意，重复一次，那个时候没有有源放大器，所以线路需要考虑减少传输功率的损失，现在这一点早已被抛诸脑后了，现在的传输线，我们只要求传输电压即可），所有端口阻抗需要匹配。因此在电话线路中，所有地方的阻抗都是600Ω。

三个概念

以下内容，有些干了一辈子音响工程的，音频器材维修的，到退休的时候都没有真正搞清楚，只在脑子里有一笔糊涂账，时不时就将好多相似概念，相似单位混为一谈，或者避而不谈，只说dB，没有后面的东西了。这些概念就是

dBm的概念

为建立电话线路上传输电压的统一标准，人们提出了dBm的概念。规定，0dBm=0.775V(rms)。为什么0dBm＝0.775V呢？那就是因为，最初的0dBm，是以电话线上传输一毫瓦强度的电功率信号时所对应的信号电压。当功率是0.001W，电阻600Ω的时候，根据P=的公式，由于P=0.001，R=600Ω，因此V=0.774596V(rms)。dBm后面的那个m，就是毫瓦的那个m。

dBu的概念

dBu采用与dBm同样的电压标准，但是不考虑功率，只考虑电压。因此你可以认为dBu是跟阻抗（源阻抗，负载阻抗）无关的电平单位。它的数字跟dBm一样，所以0dBu=0.775V，+4dBu=1.228V

dBV的概念

在非平衡的场合，使用dBV单位的时候也比较多。dBV的概念很简单，直接对电压有效值取对数，1V(rms)就是0dBV，因为1的对数值等于0，就是这么来的。

所以，以后要再说起什么平衡输出电平啊，VU表对应的输出电平之类的时候，麻烦您说清楚到底是dBm,dBu还是dBV，它们是不同的哦！

平衡与不平衡接口的标准电平

对于专业音频设备，平衡接口的统一信号电压是，当接口（无论输入还是输出）电平是机器的0VU的时候，端子的电平必须是+4dBu（相当于1.228Vrms）

对于专业音频设备的非平衡接口（例如大二芯耳机插口），一般情况下标准的信号电压是-10dBV，相当于0.3V（精确值是0.3162V）左右。

对家用音频设备的接口―――随便您，没标准！不过一般情况下，家用音响器材的RCA接口的额定电压一般低者只有不到几十mV，高者则可以超过1V，完全是厂家自己决定的。

由此可见，平衡接口与不平衡接口的电压，前者比后者高好多。所以当平衡输出给不平衡的时候，需要衰减。当不平衡输出给平衡的时候，需要放大。

第二节平衡接口的内部结构以及接口转换

变压器平衡接口

平衡接口来源于电话线路，由此隔离变压器是平衡接口不可或缺的东西。有了变压器之后，就可以把原先某一端给电源地之间的信号电压，隔离掉直流，并且变成变压器（初）次级二个端子之间的电压。因为变压器次级对地是绝缘的（也就是悬浮的），所以，信号电压是存在于变压器（初）次级的二个端子之间的，对地是没有任何电压的。所以，平衡接口如果其中一个端子断路的话，靠另外一个端子和地线，是得不到任何信号的。同样对于输入接口，如果平衡接口其中一端断路的话，信号也不能进入变压器的次级。在变压器平衡传输线路中，地线的作用只是提供屏蔽减少干扰，并且让一些设备有共同的参考地电位而已，它是不传输任何信号的。

早期的专业音频设备，无论是话筒，调音台，录音机，扩音机，效果器等等，输出输入界面无一不用变压器。例如Studer从最早期的电子管扩音机，到新型的DAT，CD机，调音台，乃至一些工作站相关的产品，都使用了变压器。

变压器平衡接口的不平衡转换

看看电路图就明白了。对于变压器平衡接口来说，因为只有两个平衡端子之间才有信号电压，而不平衡接口只有信号端和地之间才有信号电压。所以要在平衡与不平衡之间转换，平衡的两个端子其中之一必须要跟地线连接，才能将输出信号建立在信号端与地线之间。考虑到系统的相位一致性原则，我们都是将平衡接口的低端（冷端）接地，高端（热端）接信号端。（图2，图3）

图2

图3

再考虑到平衡与不平衡之间电平的差异，当平衡出转换不平衡入的时候，可以插入一个大约10倍的衰减电路就可以了（图4）。

图4

当使用衰减网络的时候，注意网络本身的阻抗，应该比其中任何一端的输入阻抗高10倍以上就差不多了。否则除了会使电平下降之外，还会使得整个系统的频率响应变差，因为变压器的阻抗是跟工作频率直接相关的。至于不平衡出转换平衡入的时候，有条件就应该增加不平衡输出端的电平，或者提升平衡输入端的灵敏度。在中间环节加额外的独立放大器是下策，主要是麻烦。

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