Linea sbilanciata/bilanciata vs differenziale

[cianfa72]

Ciao,
vorrei gentilmente che qualcuno mi chiarisse la differenza tra linea bilanciata/sbilanciata e linea differenziale. Ho cercato in rete ma mi sembra che il tema sia alquanto confuso.

Grazie

[SediciAmpere]

Hai ragione, il tema è molto confuso e ci sono anche molti tecnici che non ce l'hanno ben chiaro.

Abbiamo una sorgente, ad esempio un microfono, e un ingresso, ad esempio un mixer.
L'ingresso del mixer ha tre poli: ingresso caldo, ingresso freddo e massa; lo stadio d'ingresso non rileva il potenziale assoluto dei segnali rispetto a massa, ma è sensibile solamente alla differenza tra il polo caldo e il polo freddo.

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

Se la linea è realizzata in modo simmetrico, con i due poli attivi perfettamente uguali, con la stessa capacità verso massa e la stessa sensibilità ai disturbi esterni (non è necessario che abbiano una bassa sensibilità ai disturbi, l'importante è i due poli siano ugualmente sensibili) e se il microfono è realizzato in modo ugualmente simmetrico, i disturbi arriveranno all'ingresso del mixer perfettamente uguali (cioè arriveranno sotto forma di un segnale di modo comune). Lo stadio d'ingresso differenziale del mixer, sensibile solamente alla differenza tra i due poli, non rileverà alcun disturbo.

Perciò non è importante che i segnali escano dal microfono uguali ma in controfase, l'importante è che il le due uscite del microfono abbiano la stessa impedenza d'uscita su tutto lo spettro, che la linea abbia i due poli attivi perfettamente uguali e che nell'intero sistema i due poli attivi abbiano la stessa impedenza verso massa e la stessa sensibilità ai disturbi.
Ovviamente lo stadio d'ingresso, in qualunque modo sia realizzato, non è mai perfetto, presenta sempre qualche piccola dissimmetria e una lieve sensibilità ai disturbi di modo comune, perciò è bene che la linea sia schermata e che i due poli attivi siano meno soggetti possibile ai disturbi.

[cianfa72]

Abbiamo una sorgente, ad esempio un microfono, e un ingresso, ad esempio un mixer. L'ingresso del mixer ha tre poli: ingresso caldo, ingresso freddo e massa; lo stadio d'ingresso non rileva il potenziale assoluto dei segnali rispetto a massa, ma è sensibile solamente alla differenza tra il polo caldo e il polo freddo.

Se la linea è realizzata in modo simmetrico, con i due poli attivi perfettamente uguali, con la stessa capacità verso massa e la stessa sensibilità ai disturbi esterni (non è necessario che abbiano una bassa sensibilità ai disturbi, l'importante è i due poli siano ugualmente sensibili) e se il microfono è realizzato in modo ugualmente simmetrico, i disturbi arriveranno all'ingresso del mixer perfettamente uguali (cioè arriveranno sotto forma di un segnale di modo comune). Lo stadio d'ingresso differenziale del mixer, sensibile solamente alla differenza tra i due poli, non rileverà alcun disturbo.

Nello schema che hai riportato, i poli caldo e freddo del microfono sono collegati al primario di un trasformatore che realizza lo stadio di ingresso del mixer. A cosa serve il collegamento a massa ? Tra l'altro con massa intendi: lo chassis del mixer, il collegamento a terra oppure semplicemente un "reference point" che deve essere collegato tra il microfono ed il mixer ?

Perciò non è importante che i segnali escano dal microfono uguali ma in controfase, l'importante è che il le due uscite del microfono abbiano la stessa impedenza d'uscita su tutto lo spettro, che la linea abbia i due poli attivi perfettamente uguali e che nell'intero sistema i due poli attivi abbiano la stessa impedenza verso massa e la stessa sensibilità ai disturbi.
Ovviamente lo stadio d'ingresso, in qualunque modo sia realizzato, non è mai perfetto, presenta sempre qualche piccola dissimmetria e una lieve sensibilità ai disturbi di modo comune, perciò è bene che la linea sia schermata e che i due poli attivi siano meno soggetti possibile ai disturbi.

Per quanto riguarda l'impedenza di uscita delle due linee attive, intendi in sostanza l'impedenza d'uscita del circuito equivalente del microfono di ciascuna delle due linee rispetto alla massa condivisa con il terzo polo dell'ingresso del mixer ?

[stefanopc]

Forse in altro modo rispondo alle tue domande.
Ammettiamo di dover trasferire un segnale analogico di piccola entità (non di potenza elevata ).

La linea sbilanciata più tipicamente utizzata è rappresentata dal cavo coassiale.
In questo tipo di linea a costanti distribuite un polo caldo (polo centrale) è completamente avvolto da uno schermo che protegge il polo caldo dai disturbi provenienti dal mondo esterno.

Le caratteristiche più importanti di questo sistema sono costanza delle caratteristiche dimensionali dei conduttori ovviamente il tipo di isolante e la tipologia di schermatura e la
Il migliore isolante è ovviamente l'aria priva di umidità.
Riguardo alla schermatura si possono avere cavi a schermatura multipla sia elettrica che magnetica.

La linea bilanciata più tipicamente utizzata è rappresentata dal cavo a due conduttori twisted (il classico doppino telefonico).
In questo tipo di linea a costanti distribuite si utilizza un approccio completamente differente.
Si cerca per quanto tecnicamente realizzabile di esporre entrambi i conduttori alla stessa quantità di disturbi provenienti dal mondo esterno.
Si utilizzano quindi due conduttori identici isolati tra loro e cordati a spirale (twisted) con un passo x determinato il più possibile costante lungo tutta la linea.

Se la realizzazione di questi requisiti (sia nel caso della linea bilanciata che nel caso di quella sbilanciata) avviene perfettamente il segnale trasferito dalla linea sarà esente dal rumore e dai disturbi derivanti dal mondo esterno.

Riguardo al tipo di interfaccia di linea ne esistono di svariate tipologie tra cui la migliore è sicuramente quella differenziale priva di riferimenti (flottante).
Questo tipo di interfaccia è utilizzabile sia nel caso di linee sbilanciate che bilanciate e se ben adattata ne aumenta la funzionalità complessiva.
Ciao

[SediciAmpere]

A cosa serve il collegamento a massa ? Tra l'altro con massa intendi: lo chassis del mixer, il collegamento a terra oppure semplicemente un "reference point" che deve essere collegato tra il microfono ed il mixer ?

con massa intendo la massa del mixer, a cui è connesso lo chassis e ha lo stesso potenziale di terra (anche se potrebbe non essere connesso direttamente). Il collegamento a massa serve solamente per collegare alla massa del mixer la calza del cavo, con funzione di schermatura; tra l'altro se è un micorofono magnetodinamico è fatto allo stesso modo: la bobina ha due capi, conessi ad un trasformatore per alzare l'impedenza e due capi del secondario sono connessi a due poli del connettore, il terzo polo (massa) è connesso solamente all'impugnatura e ha solamente la funzione di schermatura elettrica.

Per quanto riguarda l'impedenza di uscita delle due linee attive, intendi in sostanza l'impedenza d'uscita del circuito equivalente del microfono di ciascuna delle due linee rispetto alla massa condivisa con il terzo polo dell'ingresso del mixer ?

esatto

[cianfa72]

con massa intendo la massa del mixer, a cui è connesso lo chassis e ha lo stesso potenziale di terra (anche se potrebbe non essere connesso direttamente). Il collegamento a massa serve solamente per collegare alla massa del mixer la calza del cavo, con funzione di schermatura; tra l'altro se è un micorofono magnetodinamico è fatto allo stesso modo: la bobina ha due capi, conessi ad un trasformatore per alzare l'impedenza e due capi del secondario sono connessi a due poli del connettore, il terzo polo (massa) è connesso solamente all'impugnatura e ha solamente la funzione di schermatura elettrica.

Ok, quindi per capirci la massa del mixer e' la "pista comune/reference point" del PCB che lo realizza. Tale pista e' collegata allo chassis metallico del mixer ed eventualmente, attraverso il cavo di protezione PE, all'impianto di terra.

La calza del cavo coassiale e' collegata a tale massa con funzione di schermatura nei confronti dei poli "caldo" e "freddo" all'interno del cavo stesso. Quindi in teoria i due poli caldo e freddo dovrebbero restare esenti da disturbi elettromagnetici esterni.

Altra cosa: giustamente parlavi di disturbo come segnale di modo comune. Dal punto di vista dello stadio di ingresso del mixer questo eventuale disturbo si presenta come una stessa tensione in ingresso tra polo caldo e massa/calza e polo freddo e massa/calza, corretto ? Quindi usando un amplificatore differenziale in ingresso la reiezione ai segnali di modi comune e' stabilita dal parametro CMRR.

[SediciAmpere]

Sì, tutto corretto
Forse l'hai spiegato in modo più chiaro di me

[stefanopc]

Un pochino di fraintendimenti ci sono sempre a cominciare dalla recente passione per i cavi bilanciati in campo audiofilo.
In ogni caso più che i parametri relativi ai singoli stadi i problemi nascono dalle interazioni (spesso non previste) tra i vari stadi e le rispettive alimentazioni (considerando anche masse riferimenti e collegamenti di terra).

Giusto per capire stiamo parlando di ambito audio?
Se si sarebbe il caso di considerare anche gli eventuali vantaggi di un collegamento in digitale ottico o elettrico .
Ciao

[cianfa72]

Giusto per capire stiamo parlando di ambito audio?
Se si sarebbe il caso di considerare anche gli eventuali vantaggi di un collegamento in digitale ottico o elettrico.

Come caso specifico pensavo sia all'ambito audio che a quello dei collegamenti Ethernet 10/100/1000 Mbps su coppie in rame twisted.

Ecco, in questo secondo caso, la massa non viene "trasportata" in linea ma solo le 2 coppie twisted bilanciate (una in TX ed una in RX). Per cui lato scheda Ethernet in ricezione, i segnali ricevuti su ciascun filo della coppia RX quando riferiti alla massa locale, si possono sempre "scomporre" in un segnale differenziale ed uno di modo comune.

Ora tra la massa della scheda Ethernet in TX e quella della scheda in RX ci sara' in generale una d.d.p. non nulla. Tale d.d.p. immagino inficia la componente "segnale di modo comune" lato scheda Ethernet in ricezione rispetto alla sua massa locale.

[stefanopc]

Nei collegamenti Ethernet il problema non si pone.
Le interfacce delle linee bilanciate twisted sono tutte terminate con trasformatori per impulsi di isolamento dedicati.
Ciao