平衡輸入轉單端非平衡訊號電路的迷思

2007年4月21日星期六

  在電子電路裡頭,由於共用接地以及共用電源迴路問題,到處都有可能產生雜訊,甚至於因雜散電感、電容經由公共迴路而產生雜訊,甚至因此而產生回授震盪等困擾許多電子設計人員的苦惱問題,因此人們想出了平衡電路來消除這些惱人的共模(Common Mode)雜訊,這種電路的特性是當平衡信號到達平衡轉單端電路時,會因為輸入端差動放大器的對等特性,將兩個輸入端同相位且相等大小的共模雜訊號相互抵消,不會出現在輸出端,只有真正相位相反相等大小的音樂訊號會出現在輸出端,圖一是一般基本的平衡轉單端輸出電路,圖二可以看出,理想的變壓器是一個非常好的平衡轉單端電路,但是變壓器受限於鐵芯材質的限制,要做到寬頻率響應、大動態、低失真,非常困難,因而使得高傳真變壓器非常昂貴。

     圖一中,通常是 R1=R2=R3=R4

  假如 OP 是一個完美的理想差動式演算放大器,則:

     若 Va=Vb, 則  Vo = 0

     若 Va=-Vb, 則  Vo = 2Vb

  換一個方式來表達,

     Va=Vc-Vd,    Vb=Vc+Vd   Vc=共模雜訊, Vd = 平衡式輸入音樂訊號

     則 Vo = Vb-Va = 2Vd

  也就是說,相位及大小相同的雜訊經這個電路被消除了,不會出現在輸出端。


    但是這個電路也有一個缺點,

 Va, Vb 為同相位的共模訊號時,a, b 兩個輸入點對地的輸入阻抗同樣是 2R,

Va, Vb 為反相位的音樂訊號時,a 端點的輸入阻抗為 (2/3)R, b 點為 2R,也就是說從 b 點看進去對地的輸入阻抗是從 a 端的3倍,若前級輸出電路是完全浮動的平衡電路(也就是說前後級電路的接地完全隔離)或是前級採用變壓器平衡式輸出,那麼輸入電壓會完全出現在 b 點, a 點對地的電壓永遠為 0V,這種情況下,前級若採用變壓器平衡輸出是不會有問題發生的,但是若前級是平衡電路,那前後級接地浮動就會產生接地電流,嚴重影響聲音,若前後級接地連在一塊,卻會產生 a 端電流為 b 端的 3 倍,讓輸入電路失去真正平衡狀態。

  解決上述缺點的辦法,一是前級採用輸出變壓器,但是高品質的輸出變壓器非常昂貴,另一種方法是如圖三所示,輸入端加一級緩衝電路,一般高級儀器都採用這種方式,但是在音響電路上會因多加了一級電路,又會造成多一些失真及產生噪音的機會,這又要看所使用的演算放大器的品質如何了,好的 OP 如 OPA627B 之類的演算放大器又很昂貴,所以說音響設計師可真是難為啊!


(圖一  輸入平衡轉非平衡電路 R1=R2=R3=R4)



(圖二  變壓器交連)



(圖三  輸入組抗衡定的平衡轉非平衡電路,R5=R6)