평형 회로

섬네일|upright=1.5|밸런스트 라인을 통해 전송되는 신호. 신호는 온전하게 유지되는 반면, 수신단에서 공통 모드 신호로 나타나는 노이즈는 완벽하게 제거된다.

전기공학에서 **평형 회로**()는 밸런스트 라인과 함께 사용하기 위한 전자 회로 또는 밸런스트 라인 그 자체를 의미한다. 밸런스트 라인은 두 개의 전선에서 두 지점 사이의 다양한 유형의 전기 신호를 전송하는 일반적인 방법이다. 밸런스트 라인에서 두 신호선은 선로에 유도된 간섭이 공통 모드 신호가 되도록 보장하고, 우수한 공통 모드 제거 기능을 가진 회로를 통해 수신단에서 이를 제거할 수 있도록 임피던스 매칭을 이룬다. 평형을 유지하려면 라인과 인터페이스하거나 라인에 연결된 회로 블록 또한 평형을 이루어야 한다.

밸런스트 라인이 작동하는 이유는 주변 환경으로부터 유입되는 방해 노이즈가 두 전선 모두에 동일한 노이즈 전압을 유도하기 때문이다. 수신단에서 두 전선 사이의 전압 차이를 측정함으로써 원래의 신호는 복구되고 노이즈는 제거된다. 각 전선에 유도된 노이즈의 불균형은 평형을 깨뜨려 노이즈가 완전히 제거되지 않는 결과를 초래한다. 평형을 위한 한 가지 요구 사항은 두 전선이 노이즈 소스로부터 동일한 거리에 있어야 한다는 것이다. 이는 종종 전선을 가능한 한 서로 가깝게 배치하고 꼬아서 달성한다. 또 다른 요구 사항은 라인 길이를 따른 모든 지점에서 두 도체의 접지(또는 차동 검출기에서 사용하는 기준점)에 대한 임피던스가 동일해야 한다는 것이다. 한 전선이 접지에 대해 더 높은 임피던스를 가지면 더 높은 노이즈가 유도되는 경향이 있어 평형이 깨진다.

## 평형과 대칭
[섬네일|350px|설명을 위해 [로우패스 필터를 사용한 4가지 회로 구성 예시. 
**그림 1.** 불평형, 비대칭 회로. 
**그림 2.** 불평형, 대칭 회로. 
**그림 3.** 평형, 비대칭 회로. 
**그림 4.** 평형, 대칭 회로.]]
평형 회로는 일반적으로 두 도체 사이의 중간 지점을 지나는 수평선을 기준으로 소자들이 대칭을 이룬다(그림 3의 예시). 이는 일반적으로 중간 지점의 수직선을 기준으로 소자들이 대칭을 이루는 대칭 회로와는 의미가 다르다. 대칭 회로의 예는 그림 2에 나와 있다. 밸런스트 라인용으로 설계된 회로는 그림 4와 같이 평형과 대칭을 동시에 갖추도록 설계되는 경우가 많다. 대칭의 장점은 양쪽 포트에서 동일한 임피던스가 나타나고, 회로가 라인의 양방향으로 이동하는 신호에 대해 동일한 효과를 가진다는 것이다.

평형과 대칭은 일반적으로 그림 1에서 4까지 표시된 것처럼 각각 수평 및 수직의 물리적 반사 대칭과 관련이 있다. 그러나 물리적 대칭이 이러한 조건의 필수 요구 사항은 아니다. 전기적 임피던스가 대칭적이기만 하면 된다. 물리적으로는 대칭이 아니지만 대칭적인 등가 임피던스를 갖는 회로를 설계하는 것이 가능하다.

## 차동 신호와 평형 회로
차동 신호는 각 전선의 전압이 접지(또는 다른 기준)에 대해 대칭인 신호이다. 즉, 신호가 서로 반전된 상태다. 평형 회로는 양측이 모든 면에서 동일한 전송 특성을 갖는 회로다. 밸런스트 라인은 차동(대칭) 전압이 가해졌을 때 두 전선에 평형 전류(즉, 크기가 같고 방향이 반대인 전류)가 흐르는 라인이다. 수동 회로의 경우 임피던스가 평형을 이루면 라인과 회로의 평형 조건이 충족된다. 인가된 신호 자체가 차동(대칭)인지 여부와 관계없이, 신호를 생성하는 발생기가 라인의 임피던스 평형을 유지한다면 라인과 회로는 평형을 유지하며 공통 모드 노이즈 제거의 이점이 계속 적용된다.

## 구동 및 수신 회로
섬네일|300px|'''그림 5.''' 변압기를 사용하여 수동적으로 연결된 밸런스트 라인.
섬네일|400px|'''그림 6.''' 능동 평형 회로에 연결된 밸런스트 라인.
섬네일|350px|'''그림 7.''' 비대칭 신호로 능동 구동되지만 평형 임피던스에 연결된 밸런스트 라인.
밸런스트 라인을 구동하고 신호를 감지하는 방법에는 여러 가지가 있다. 모든 방법에서 양호한 노이즈 내성이라는 이점을 지속적으로 누리기 위해서는 구동 및 수신 회로가 라인의 임피던스 평형을 유지하는 것이 필수적이다. 또한 수신 회로가 차동 신호만을 감지하고 공통 모드 신호를 거부하는 것도 필수적이다. 전송된 신호가 평형(즉, 접지에 대해 대칭)이어야 할 필요는 없지만, 그런 경우가 많다.

### 변압기 평형
밸런스트 라인에 연결하는 개념적으로 가장 간단한 방법은 그림 5와 같이 양쪽 끝에 변압기를 통하는 것이다. 변압기는 전화 통신에서 이러한 연결을 만드는 원래의 방법이었으며, 능동 회로가 등장하기 전에는 유일한 방법이었다. 전화 애플리케이션에서는 이를 중계 코일(repeating coil)이라고 한다. 변압기는 다른 방법에서 발생할 수 있는 바람직하지 않은 현상인 접지와 접지 루프 전류로부터 라인을 완전히 분리(또는 "플로팅")시키는 추가적인 장점이 있다.

품질이 좋은 설계에서 라인을 향하는 변압기 측은 라인 평형을 유지하기 위해 정밀하게 평형을 맞춘 두 부분으로 감겨 있다(종종 중간 탭이 제공됨). 이러한 종류의 변압기를 논의할 때는 일반적인 1차 및 2차 권선보다 라인 측 및 장비 측 권선이 더 유용한 개념이다. 송신단에서 라인 측 권선은 2차 권선이지만, 수신단에서 라인 측 권선은 1차 권선이다. 2선식 회로를 논의할 때 신호가 양방향으로 동시에 흐르기 때문에 1차 및 2차라는 용어는 더 이상 의미가 없다.

변압기의 장비 측 권선은 그렇게 정밀하게 평형을 맞출 필요는 없다. 실제로 그림 5에 표시된 것처럼 라인의 평형에 영향을 주지 않고 장비 측의 한쪽 다리를 접지할 수 있다. 변압기를 사용하면 송신 및 수신 회로가 완전히 불평형이어도 변압기가 평형을 제공할 수 있다.

### 능동 평형
능동 평형은 라인의 각 끝단에서 차동 증폭기를 사용하여 달성된다. 이에 대한 연산 증폭기(op-amp) 구현이 그림 6에 나와 있으며, 다른 회로 구성도 가능하다. 변압기 평형과 달리 회로가 라인으로부터 분리되지 않는다. 두 전선 각각은 하나는 반전이고 하나는 비반전이라는 점을 제외하고는 동일한 연산 증폭기 회로에 의해 구동된다. 각각은 개별적으로 비대칭 신호를 생성하지만, 함께 라인을 대칭 신호로 구동한다. 각 증폭기의 출력 임피던스가 동일하므로 라인의 임피던스 평형이 유지된다.

연산 증폭기 회로만으로 절연된 구동을 만드는 것은 불가능하지만, 플로팅 출력을 만드는 것은 가능하다. 이는 라인의 한쪽 다리가 접지되거나 다른 전압 기준에 연결될 수 있는 경우 중요하다. 그림 6의 회로에서 라인의 한쪽 다리를 접지하면 현재 하나의 연산 증폭기만 신호를 제공하므로 라인 전압이 절반으로 줄어든다. 플로팅 출력을 달성하려면 두 연산 증폭기 사이에 추가적인 피드백 경로가 필요하며, 이는 그림 6보다 복잡한 회로가 되지만 여전히 변압기 비용을 피할 수 있다. 플로팅 연산 증폭기 출력은 연산 증폭기의 공급 레일 한도 내에서만 플로팅될 수 있다. 옵토아이솔레이터를 추가하면 변압기 없이도 절연된 출력을 얻을 수 있다.

### 임피던스 평형
위에서 언급했듯이 단일 종단 신호로 밸런스트 라인을 구동하면서도 라인 평형을 유지할 수 있다. 이는 그림 7에 개략적으로 표시되어 있다. 저항기를 통해 라인의 한쪽 다리를 구동하는 증폭기는 이상적인(즉, 출력 임피던스가 0인) 단일 종단 출력 증폭기라고 가정한다. 다른 쪽 다리는 동일한 값의 다른 저항기를 통해 접지에 연결된다. 양쪽 다리의 접지에 대한 임피던스는 동일하며 라인은 평형을 유지한다. 수신 증폭기는 차동 입력을 가지고 있으므로 여전히 공통 모드 노이즈를 제거한다. 반면 라인 신호는 대칭이 아니다. 두 다리의 입력 전압 V+와 V−는 다음과 같다.

:V_+ = V_\mathrm {in} \frac{Z_\mathrm {in}+R_1}{Z_\mathrm {in}+2R_1}

:V_- = V_\mathrm {in} \frac{R_1}{Z_\mathrm {in}+2R_1}

여기서 Zin은 라인의 입력 임피던스다. V−가 V+보다 훨씬 작기 때문에 이들은 분명히 대칭이 아니다. 심지어 반대 극성도 아니다. 오디오 애플리케이션에서 V−는 일반적으로 매우 작아서 0으로 간주될 수 있다.

## 평형-불평형 인터페이스

평형 회로와 불평형 회로 사이의 인터페이스를 가능하게 하는 특정 목적을 가진 회로를 발룬이라고 한다. 발룬은 위에서 설명한 변압기 평형 섹션과 같이 불평형 측의 한쪽 다리를 접지한 변압기일 수 있다. 단권변압기나 능동 회로와 같은 다른 회로도 가능하다.

## 커넥터
평형 회로에 사용되는 일반적인 커넥터에는 전화기 및 광대역 데이터용 모듈러 커넥터와 프로페셔널 오디오용 XLR 단자가 포함된다. 1/4" TRS(tip/ring/sleeve) 폰 커넥터는 한때 수동 교환기와 기타 전화 인프라에서 널리 사용되었다. 이러한 커넥터는 현재 불평형 스테레오 오디오에 사용되는 소형 크기(2.5 및 3.5 mm)로 더 흔히 볼 수 있다. 그러나 믹싱 콘솔과 같은 전문 오디오 장비는 여전히 1/4" 폰 잭을 사용하는 평형 및 불평형 "라인 레벨" 연결을 흔히 사용한다.

## 각주

## 참고 문헌
* Rod Elliot, Uwe Beis, "Balanced transmitter and receiver II",  Elliot Sound Products, 1 April 2002, accessed and archived 7 October 2015.
* A. J. Peyton, V. Walsh, Analog electronics with Op Amps: a source book of practical circuits, Cambridge University Press, 1993 .
* Mike Rivers, "Balanced and unbalanced connections", Presonus, accessed and archived 7 October 2015.
* G. Randy Slone, Electricity and electronics, McGraw-Hill Professional, 2000 .
* Daniel M. Thompson, Understanding audio: getting the most out of your project or professional recording studio, Hal Leonard Corporation, 2005 .
* Gabriel Vasilescu, Electronic noise and interfering signals, Springer, 2005 .
* Jerry C. Whitaker, The resource handbook of electronics, CRC Press, 2001 .
* Jerry C. Whitaker, Master handbook of audio production: a guide to standards, equipment, and system design, McGraw-Hill Professional, 2003 .

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