音響放大器「電流聲」的成因 ── (第三講) 星形接地與迴圈接地

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摘要:

  • 基本上本篇所涉及的都是理論性的內容,大家遷就一下吧……
  • 簡單來說線路板上的星形接地以至器材間的單點接地,都是為了避免迴圈接地所引起的問題。
  • 星形接地是指設計線路板時,以一點作為地的參考點,所有訊號的接地都應該有一獨立的路徑通往此點,以避免形成迴圈接地。
  • 當把訊號地 / 公共地接上器材的外殼時,同樣很易會有迴圈接地的問題,所以有一些器材為了避免這個問題,訊號地與大地是隔離的。


原理:
先看下圖:


  這是一個典型的非反相放大器,R1 為放大器的輸入抗阻,RL 是放大器的負載,R2 及 R3 組成反饋網絡,此機的放大率為 1+(R2/(R2+R3)),線路就是這樣,沒甚麼特別。一個 DIY 達人根據此電路製作了以下的線路板:

  線路板在邏輯上沒錯,各個零件的接腳都正確連接,但這個線路板的走線存在著很大的問題,令這放大器的效能不能達到預期的效果,甚至很可能會發生震盪,輕則引起失真,重則令放大器燒毁,究竟錯在那裏呢?在線路板上,輸出訊號經過 RL 便急不及待跟 R1 接上了,令到由 R1 返回的訊號在這裏與流經 RL 的訊號滙合,再經過漫長的銅泊,在地端跟 R3 的回輸訊號重逢。

  問題在銅箔是有少量的電阻的,這個電阻我們暫且稱之為 RT,RL 與 R1 的訊號滙合了才經 RT 返回地端,RT 雖然小,但當 RL 的電流增強時,RT 兩端的電壓的影響隨時會是致命的!如果我們把 RT 納入線路內,再看看線路會變成怎樣?


  嚇了一跳吧!RL、RT 竟然跟 R1 組成一另一個回輸網絡,但這個是正回輸來的!大家都知道,正回輸是引致放大器震盪的兇手,而 RT 愈大,正回輸程度也愈高,當然,RL 愈小也會加強正回輸,這也意味著,電流愈大的線路下,星形接地的重要性愈高。這解釋了很多功率放大器 IC 是有獨立電源及接地接腳給予 IC 內的功率管,就是因為這個原因了。

金屬機殼應接上大地還是訊號地?抑或全都接上?
 

  如果你的器材是直接插上市電的,即是使用內置變壓器的,還是乖乖的把外殼接上大地吧,這是安全的問題,萬一外殼出現漏電的狀況,這可是人命攸關的!不過作為一個 DIY 達人,在使用外置獨立電源時,你仍然可以選擇是否把訊號地接上外殼,把訊號地接上金屬外殼,好處是整個外殼頓成了屏蔽層 (記著如果金屬殼只接大地,在算式上並不算是屏蔽層,雖然它有一定程度的屏蔽作用,但完全不是那一回事。),卻有可能因為多個器材同時把訊號地及大地接上而造成迴圈接地,最突顯迴圈接地問題的器材可算是 HTPC(影視電腦) 了,因為電腦的外殼必然會接上大地,同時電腦主板都會把訊號地跟外殼接通,這時如果你的放大器也是訊號地跟大地接上,就會形成下圖的情況:


  問題是,市電的地線是一個大型垃圾桶,甚麼被棄掉的電流雜訊都可能由此通過,有電流就有電勢差,換句話說,市電插座 A 跟市電插座 B 很可能處於不同電位,更壞的情況甚至是不同相位,這些統統都會流入紫色的連接線入面,結果如何,可想而知!解決方法首先試試把電腦及放大器都插在同一組市電插座上,這可以減少兩個器材的「地勢差」,如果都不行,可能要考慮把放大器的訊號地抽起不與大地連接。

  最後,市面上是有一些 Ground loop breaker 或 Signal isolator 出售,這些產品聲稱可以解決 Ground loop 問題,但曾 Sir 未試過此類產品,所以未知成效如何。