バランスオーディオ

バランス オーディオは、バランス インターフェイスを使用してオーディオ機器を相互接続する方法です。このタイプの接続は、長いケーブルを使用でき、電磁干渉による外部ノイズの影響を受けにくくなるため、サウンドの録音や制作において非常に重要です。バランス インターフェイスにより、誘導ノイズが受信機でコモン モード電圧として表示され、差動デバイスによって除去できるようになります。

バランス接続では、通常、シールド付きツイストペア ケーブルと 3 芯コネクタを使用します。コネクタは通常、3 ピンXLRまたは1 ⁄ 4インチ (6.35 mm) TRS フォンコネクタです。この方法で使用すると、各ケーブルは 1 つのチャネルを伝送するため、たとえばステレオ オーディオには 2 つのケーブルが必要になります。

バランスオーディオでは、信号源がバランスラインの 2 つの信号導体に反対極性の等しい波形を供給する必要があるというのがよくある誤解です。しかし、多くのバランスデバイスはラインの片側のみをアクティブに駆動しますが、そのインピーダンスはラインの駆動されていない側のインピーダンスに等しくなります。このインピーダンスバランスにより、バランスラインレシーバー (次のデバイスの入力ステージ) は、電磁結合によって 2 つの導体に導入されたコモンモード信号を排除できます。

多くのマイクロフォンは低電圧レベルで動作し、一部のマイクロフォンは高出力インピーダンス(hi-Z) で動作するため、長いマイクロフォン ケーブルは特に電磁干渉の影響を受けやすくなります。したがって、マイクロフォンの相互接続はバランス接続の一般的な用途であり、受信機はこの誘導ノイズのほとんどを排除できます。拡声システムのパワー アンプがミキシング コンソールから離れた場所にある場合、ミキサーからこれらのアンプへの信号パスにバランス ラインを使用するのも一般的です。グラフィック イコライザーやエフェクト ユニットなど、他の多くのコンポーネントには、これを可能にするバランス入力とバランス出力があります。録音や一般に短いケーブル配線では、バランス ラインによるノイズ低減と、必要な追加回路によって発生するコストとの間で妥協する必要があります。

一部のデバイスは、通常、トランス出力を備えており、グランドに対して「浮動」しているバランス出力を提供します。つまり、出力の両側からグランドへのインピーダンスは高くなります。より一般的には、デバイスはバランス インターフェイスの片側または両側を、グランドを基準とした信号で駆動します。片側が駆動されていない場合は、グランドへのインピーダンスが駆動側のインピーダンスと等しくなるように注意します。

バランスオーディオ接続では、ノイズを低減するためにさまざまな技術が使用されます。

一般的なバランスケーブルには、2 本の同一ワイヤが撚り合わされ、シールドとして機能する 3 本目の導体 (箔または編組) で包まれています。2 本のワイヤがオーディオ信号を伝送できる回路を形成します。

バランスという用語は、回路内の各配線のインピーダンスをバランスさせる方法に由来しています。配線と、それに直接接続されたすべての回路 (ドライバーやレシーバーなど) は、ある基準点に対して同一のインピーダンスを持つ必要があります。つまり、電磁干渉の多くは、各配線に等しいノイズ電圧を誘導します。受信側の差動デバイスは、 2 つの信号ライン間の電圧差にのみ反応するため、両方の配線で同一のノイズは除去されます。この方法は、差動増幅器を使用して実装できます。アクティブ入力段の代わりに トランスを使用することもできます。

ツイストペアは、導体間のループ領域を可能な限り小さくし、隣接するループを均等に通過する磁場が両方のラインに同じレベルのノイズを誘導し、それが受信機の差動装置によってキャンセルされることを保証します。ノイズ源がケーブルに非常に近い場合、一方のラインにもう一方のラインよりも多く誘導され、キャンセルされない可能性がありますが、両方のラインで等しいノイズ量の範囲内でキャンセルが行われます。

バランス オーディオ ケーブルに一般的に備わっている個別のシールドは、シールドが信号リターン ワイヤとしても機能する必要があるアンバランス2 導体構成 (一般的な家庭用ステレオで使用されるものなど) に比べて、ノイズ除去の点で有利です。したがって、バランス オーディオ シールドに誘導されるノイズ電流は、2 導体システムでは信号に直接変調されますが、バランス オーディオ シールドでは直接変調されません。また、シールド/シャーシを信号グランドから分離することで、 グランド ループの問題も防止されます。

信号は多くの場合、差動モードを使用した平衡接続で伝送されます。つまり、ワイヤは大きさは同じで極性が互いに反対の信号を伝送します (たとえば、XLR コネクタでは、ピン 2 は通常の極性の信号を伝送し、ピン 3 は同じ信号の反転バージョンを伝送します)。一般に信じられているのとは異なり、この配置はノイズ除去に必須ではありません。インピーダンスが平衡である限り、ノイズは 2 本のワイヤに等しく結合し (差動増幅器によって除去されます)、そこに存在する信号に関係なく結合されます。^{[1] [2]} 平衡ラインを駆動する簡単な方法は、既知のソース インピーダンスを介して「ホット」ワイヤに信号を注入し、「コールド」ワイヤを同一のインピーダンスを介して信号のローカル グランド リファレンスに接続することです。差動信号に関する一般的な誤解により、これはしばしば準平衡またはインピーダンス平衡出力と呼ばれますが、実際には完全に平衡であり、コモン モード干渉を除去します。

ただし、完全差動出力でラインを駆動することには、いくつかの小さな利点があります。

• 公称レベルの標準化により信号レベルは変化しないものの、差動ドライバからの最大出力は2倍となり、6dBの余裕が生まれます。 [ ^1]
• 長いケーブル配線でケーブルの静電容量が増加すると、高周波が減衰される信号レベルが低下します。各ワイヤが完全差動出力のように信号電圧振幅の半分を伝送する場合、高周波を失うことなく長いケーブル配線を使用できます。
• 2 つのアンプ間で相関するノイズ (たとえば、不完全な電源除去によるもの) はキャンセルされます。
• 高周波では、出力アンプの出力インピーダンスが変化し、小さな不均衡が生じる可能性があります。2つの同一のアンプで差動モードで駆動すると、このインピーダンスの変化は両方のラインで同じになり、相殺されます。^[1]

プロフェッショナルオーディオ製品（レコーディング、拡声など）は、通常、XLRまたはTRS フォンコネクタを介してバランス入力と出力を提供します。ただし、ほとんどの場合、内部回路は完全にアンバランスです。

少数のオーディオ製品は、入力から出力まで完全にバランスのとれた信号経路で設計されており、回路はデバイス全体でインピーダンスのバランスを維持します。この設計は、「ホット」導体と「コールド」導体の両方に同一の（ミラーリングされた）内部信号経路を提供することで実現されます。重要なアプリケーションでは、100%バランスの回路設計により、フロントエンドのアンバランス化とバックエンドの再バランス化に必要な追加のアンプ段やトランスフォーマーを回避し、より優れた信号整合性を実現できます。^[3]

バランス オーディオ インターフェイスでは、 3 ピンXLR コネクタと 1/4 インチ (¼ インチまたは 6.35  mm) TRS フォン コネクタが一般的に使用されます。現在、多くのジャックは XLR または TRS フォン プラグのいずれかを使用するように設計されています。長期設置を目的とした機器では、端子ストリップまたはユーロブロックコネクタが使用されることがあります。一部のバランス ヘッドフォン接続では、 Pentaconn 4.4  mm TRRRS コネクタも使用されます。

• 
  2.5、3.5、6.35  mm TRSフォンプラグ
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  3ピンXLRコネクタ、左側がメス、右側がオス
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  3 ピン XLR と 6.35  mm TRS フォンのハイブリッド ジャック。

XLR コネクタでは、ピン 1、2、3 は通常、それぞれシールド (理想的にはシャーシに接続) と 2 本の信号線に使用されます。(「X、L、R」に対応する「グラウンド、ライブ、リターン」というフレーズは、記憶を助けるためによく使用されますが、差動信号の場合、2 番目の信号線は「リターン」ではありません)。TRS 電話プラグでは、チップは信号/非反転、リングはリターン/反転、スリーブはシャーシ グラウンドです。

ステレオ信号やその他のバイノーラル信号をこのようなジャックに接続すると、片方のチャンネル (通常は右) がもう一方のチャンネル (通常は左) から減算され、通常のモノラルL + R (左プラス右) ではなく、聞き取れない L − R (左マイナス右) 信号が残ります。バランス オーディオ システムの他のポイントで極性を反転すると、後で他のチャンネルとミックスダウンされるときに、この効果も発生します。

電話回線も平衡回路を通じて音声を伝送しますが、これは現在では通常、市内回線に限定されています。2 本の線が平衡ループを形成し、電話の通話の両側がそのループを通過するため、このように呼ばれています。電話機は動作し、簡単なオン/オフフック検出を可能にするために DC 電源を必要とするため、必要な AC 信号の短絡を防ぎ、インピーダンスのバランスを保つために、1 本の信号線に交換電源バス (通常 -50 ボルト) から電力を供給し、もう 1 本を接地する追加の回路が開発されました。両方とも、約 400 オームの DC 抵抗を持つ等値のインダクタを介して接続され、必要な AC 信号の短絡を回避します。

プロフェッショナル環境におけるデジタル オーディオ接続もバランス接続であることが多く、通常はAES3 (AES/EBU) 規格に準拠しています。この接続では、XLR コネクタと 110 オームのインピーダンスを持つツイストペア ケーブルが使用されます。対照的に、一般消費者向け機器でよく見られる 同軸S/PDIFインターフェイスはアンバランスです。

バランス回路とアンバランス回路は、多くの場合DI ユニット(「DI ボックス」または「ダイレクト ボックス」とも呼ばれる) を介してバランを使用してインターフェースできます。

最後の手段として、出力段に使用される電子設計が分かっている限り、バランスオーディオラインをアンバランス入力に供給することも、その逆も可能です。バランス出力からアンバランス入力への接続の場合、負の出力をグランドに接続できますが、場合によっては負の出力を切断したままにする必要があります。^[4]

• 差動信号
• AES3
• ファンタム電源

• 英国音響照明コミュニティ — バランスのとれたラインに関する記事
• レイ・レイバーン: 「バランスからアンバランスへ; 正しいやり方」