Любое соединение, применяемое в аудио, предполагает соединение для передачи сигнала и соединение сигнальных земель. Оба этих соединения одинаково важны, но обычно разработчики сосредотачиваются на соединении для сигнала, а соединение земель оставляют на волю случая. Отсюда результат: неверное соединение земель — самая частая причина слышимого шума и звона в аудио системе. Попробуем рассмотреть оба соединения.
Аудио устройства соединяются либо балансным, либо небалансным (несимметричным) способом. Оба способа идентичны в том плане, что предполагают наличие двух проводов для передачи: сигнал и его опорная противоположность. Различие состоит в том, что для балансного сигнала комплексное сопротивление относительно земли одинаково для сигнальной и опорной линий, тогда как для небалансного подключения это правило не соблюдается. Обычно опорная линия небалансного подключения соединена с землёй и такое подключение называется “single-ended” (адекватного перевода на русский язык, сохраняющего смысл, не найдено, прим. перев.), что можно перевести как «одножильный», «один провод». Этот английский термин неудачен, поскольку скрывает факт, что для подключения всё равно необходимы два провода, из-за чего конструкторы иногда выбирают первую попавшуюся «землю» для подключения опорной линии. Заметим, что способ соединения не зависит от применяемых разъёмов; однако, большинство балансных соединений используют разъёмы XLR, тогда как несимметричные соединения — RCA*. Как выбрать между балансным и небалансным соединением? Вездесущее небалансное подключение дешевле, тогда как балансное обеспечивает лучшее подавление внешних шумов. Скажем так, если вы используете коммерческие компоненты в своей аудиосистеме, то выбор сводится к тому, какие подключения есть на этом имеющемся оборудовании.
* Прим. перев.: данное мнение кочует из статьи в статью, однако, с моей точки зрения, оно в корне неверно. RCA-разъём, например, имеет различную ёмкость своих контактов по отношению к корпусу, к которому он крепится. Так как балансное соединение, по определению, обязано иметь одинаковое полное сопротивление по отношению к земле, а корпус, в соответствии с ранее данными рекомендациями, обязательно с ней соединён, то использование RCA для балансного соединения непригодно.
Посмотрим на сторону заземления в соединениях между компонентами.
3.1. Балансное соединение: Заземление.
Хорошая новость: по сравнению с несимметричным подключением, относительно легко сделать это подключение правильно. Плохая новость: легко сделать такое подключение неправильно. Фактически, большинство балансных подключений в коммерческих и профессиональных продуктах сконструированы неправильно.
Чтобы понять, что может пойти не так, посмотрим сначала на типичную конструкцию блоков питания. Очевидно, что блоки питания — самые большие «поставщики» шума в аудио цепях. Я не буду останавливаться на вопросах конструирования блоков питания, остановлюсь лишь на важнейшем явлении — пульсации напряжения на внутренней шине заземления блока питания.
На Рисунке 3.1.1 представлена схема простого блока питания с шиной заземления. Ток, вызванный пульсациями, протекает по этой шине от конденсаторов фильтра в направлении среднего вывода трансформатора питания. На участке от ближайшего к трансформатору конденсатора до среднего вывода пульсации наибольшие, чем дальше конденсатор от трансформатора – тем меньше ток пульсаций, протекающий по этому участку цепи. Шина может представлять собой короткий провод или дорожку на печатной плате, но она всегда имеет конечное сопротивление, на котором ток пульсаций образует напряжение пульсаций, представляющее в данном случае шум.
Если каким либо образом ток опорной линии сигнала протекает через этот участок шины, шум (пульсаций) станет частью сигнала за счёт токового соединения через общее сопротивление.
Теперь посмотрим, что произойдёт, если включить этот блок питания в устройство с неверно выбранной схемой заземления, которая встречается, тем не менее, во многих компонентах. Рисунок 3.1.2 демонстрирует компонент, имеющий серьёзные проблемы: образование «земляной петли». Зная, что центральный вывод трансформатора является самой шумной стороной устройства, конструктор решил подключить эту точку к шасси в месте подключения защитного заземления. Конструктор надеется, что весь шум «уйдёт в землю». К несчастью, глобальная земля — это не гигантский пылесос. Для того, чтобы образовался ток, должна организоваться замкнутая цепь, в которой находится некоторый источник напряжения. Блок питания должен быть подключен к аудиоцепи, поэтому разработчик методично подключил самую тихую сторону шины заземления блока питания к земле аудиоцепи. Настало время подключить куда-нибудь провода от разъёма XLR. Сигнальную линию (контакт 2 разъёма) подключаем к положительному входу дифференциального усилителя. Опорную линию сигнала (контакт 3 разъёма) — к отрицательному входу. Куда теперь подключить контакт 1? Так! Контакт 1 – это экран, он должен быть заземлён, экран – этот тот же кабель, что и сигнал, следовательно, почему бы не подключить его к земляной линии той цепи, куда уже подключены контакты 2 и 3? Сделано! Конструктору стоило бы подумать о том, куда все эти провода будут подключены вне корпуса (его корпуса!), когда он делал такие подключения земель! Если бы он подумал, он бы увидел, что он создал замкнутую цепь из заземлений, включающую тот компонент, который будет подключен к его разъёму XLR. Подключенный компонент соединяет защитное заземление с экраном кабеля либо напрямую через корпус, как это должно быть, или, что ещё хуже, через неудачную схему заземления типа той, что создана сейчас в его собственном устройстве. Цепь включает в себя шину заземления блока питания и сигнальную землю. Шумовой ток в шине заземления, действуя совместно с конечным значением сопротивления шины, создаёт напряжение на её концах (напряжение шумов), что создаёт ток в образованной замкнутой цепи, создающий шумовое напряжение на сигнальной земле. Поскольку сигнальная земля теперь зашумлена, надежды получить чистый сигнал не осталось*.
* - Прим. перев.: в приведённом примере именно неправильная схема заземления блока питания в устройстве приводит к внедрению шума в сигнальную землю. Проблема балансного подключения здесь играет вспомогательную роль. Причина этого будет рассмотрена позже.
Эту проблему обнаружил Neil Muncy и окрестил её Проблемой Первого контакта в статье журналу AESJ, поскольку контакт 1 разъёма XLR был подключен неправильно. Экран и, соответственно, контакт 1 должен быть подключен к шасси, как показано на Рисунке 3.1.3, а не к сигнальной земле.
Соединив экран с шасси вместо сигнальной земли, мы разорвали замкнутую цепь, по которой ранее протекал ток шумов, таким образом, мы очистили сигнальную землю. Внутреннее соединение земель остаётся неправильным и будет исправлено далее, при рассмотрении несимметричных подключений.
Важно подключить экран к шасси с обеих сторон. Для этого есть несколько причин: улучшение подавления помех и условий для сигнала, усиление подавления синфазных шумов, как отражено здесь. Гальваническая изоляция экрана может устранить Проблему Первого контакта, однако, не гарантирует этого. Заметим, что экран соединительного кабеля добавляет ещё одно соединение между землями (если рассматривать соединение защитных заземлений, как первое соединение) двух шасси. Если какой-либо из компонентов имеет проблемы с внутренней разводкой земли, то мы тут же столкнёмся с Проблемой Первого контакта.
Из-за этого существуют противоположные мнения в среде профессионалов аудио по поводу необходимости двухстороннего соединения экрана кабеля (или соединять его только с той стороны, откуда передаётся сигнал).
Среди аргументов «за» и «против» наибольшим весом обладает фактор сложности соединений в больших профессиональных комплексах. Используя большое количество компонентов, имеющих Проблему Первого контакта, многие установщики склоняются к соединению экрана кабеля только со стороны источника сигнала. Технические вопросы соединения экрана обсуждаются во врезке к Bill Whitlock-а о соединении аудиокомпонентов. Домашний стереокомплекс намного проще профессиональных установок, кабели — намного короче, что само по себе значительно уменьшает проблему синфазного шума. Предполагая что вы можете решить Проблему Первого контакта, в домашней стереосистеме преимущества соединения экрана на обоих концах перевешивают недостатки. Однако если эту проблему не удаётся решить, подключение экрана только со стороны источника сигнала является лёгким решением. Следует отметить, что покупные кабели подключены к контактам 1 разъёмов с обеих сторон, так что придётся модернизировать эти кабели, чтобы воплотить в жизнь подключение только со стороны источника.
Я предпочитаю изменять именно кабели, а не соединения внутри компонента, поскольку когда-нибудь в будущем вам может понадобиться подключить другой компонент и не придётся вспоминать, требуется ли восстановление соединений. Гораздо проще иметь пару промаркированных кабелей, модифицированных для подключения экрана только со стороны источника.
Перед тем, как перейти к небалансным соединениям, хотелось бы прояснить одну вещь, связанную с защитным заземлением, показанным на рисунках. Рисунки показывают, что устройства соединены между собой посредством защитного заземления напрямую. Конечно, это не так. Шасси соединены с защитным заземлением в электрических розетках, к которым они подключены, и предполагается, что оба устройства включены в тот же самый блок розеток, т.о. соединение происходит «через розетку». Розетки не показаны на рисунках, чтобы повысить наглядность. Абсолютное значение напряжения по отношению к глобальной земле не имеет никакого отношения к рассматриваемым вопросам, поскольку являются синфазным напряжением для обоих устройств (вспомним: глобальная земля — это не пылесос).
