音響放大器「電流聲」的成因 ── (第二講) 感應雜訊與機內佈線及屏蔽策略

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摘要:
感應雜訊的成因很多而且很複雜,不過佔首兩位的相信是:

  • 機內佈線混亂
  • 屏蔽策略不良

此外,以下的情況我們也很容易會遇上:

  • 器材被置於強烈電磁干擾的環境下
  • 數碼噪音滲進模擬訊號內
  • 接線不穩妥 / 線路出現冷銲 / 假銲現象

對策:
一般使用者:

  • 使用屏蔽良好接線。
  • 把接線穩穩地插在插座上。
  • 把器材遠離通訊設備或電腦等能發出強烈電磁波的東西。
  • 你可能不相信 ── 電源過濾拖板在這個情況下多數不能幫到你的!

DIY 達人們:

  • 記著訊號地 / 公共地 (Signal ground / Common ground) 與大地 (Earth) 只容許單點相接 (若需連接的話)。
  • 機內接線必需雙絞 (Twisted) 或屏蔽 (Shielded) 處理。
  • 使用環牛 (環狀變壓器) 會有不錯的效果。
  • 線路板走線及機內接線必需單點接地 (訊號地 / 公共地)。
  • 放大器與數碼音源 (如聲效卡) 間的連接只容許單點接地。

第二講 ── 感應雜訊與機內佈線及屏蔽策略

金屬外殼對外來干擾有優良的抗疫力,但記著先要把它接地!
金屬外殼對外來干擾有優良的抗疫力,但記著先要把它接地!

  昨天探討過交流啍聲的問題,相信已幫助超過 30% 朋友查找出「電流聲」的出處,不過,現在將要討論的感應雜訊,也是不少發燒友曾經面對過的頭痛問題。若你遇上設計不良的放大器,相信這篇文章找到它的讀者了,一部設計良好的放大器,是應該能夠承受一定程度的電磁干擾而不產生噪音的。

  有一個簡單(但不準確)的測試方法可讓你粗略地得知放大器的防干擾性能,把手提電話接通,總之是在通話狀態下,把手提電話移近放大器,若手提電話在老遠的地方已開始干擾到你的器材,那你便得花花心思為它好好地屏蔽一下。有少數例子,噪音的來源只因為接線不穩妥,甚至接線「內傷」地線斷開了 (不少廉價國產 RCA 線都存在這問題),所以未進行詳細檢查之前,應先做好這些「例行公事」。

  上面提到那些廉價接線,有很多即使是新買回來,其屏蔽工藝都做得不足,地線 (即裸露沒外皮那些銅絲) 並未有好好的包著訊號線,有些更嚴重的就只得兩三根頭髮絲般銅絲濫竽充數,所以買接線時要當心一點,曾 Sir 絕不鼓勵動輒數百甚數千元去買一根接線,但數十元港幣,買一些外觀平實點、不太炫的、老牌的,肯定比起那些貴二、三十元但金光閃閃的來得實在。

  現代人生活己進入了數碼時代,現在不論電視或音響,都逃不離數碼的魔掌,當然每家人都有至少一副數碼工廠 ── 電腦。很悲劇地,數碼器材所產生的干擾往往都是傳統模擬器材的天敵,儘管大多數碼產品都符合 FCC Part 15 認證,但大家別想歪,FCC 認證絕不是為音響器材而設,所以 FCC 並不能幫到你。把音響器材盡量遠離電腦及通訊器材,雖然有少許斬腳趾避沙蟲的感覺,但這個是簡單有有效的方法,如果真的避不了,往後日子我會探討 HTPC 與放大器之間的連接問題,到時我會再詳細討論。(噢!開了太多支票!)

  其實一般金屬外殼對外來干擾已有良好的抵抗力,當然如果你的器材是直接接上市電的話,金屬外殼必須連接大地 (Earth),有很多 DIY 達人為了避免 gound loop 的問題而不把外殼接上大地,這樣做實在不妥,因為任何情況之下,安全第一!而訊號地 / 公共地 (Signal ground / Common ground) 可以不接上外殼嗎?在設計優良的情況下,這的確可以做到而又不被外來雜訊干擾的,但這需要很高水平的設計技巧,所以不少 DIYers 都傾向把 Signal ground 接上機殼;另一方面有一點不能不提的,輸入端子的外殼千萬不要接上外殼,這會為你帶來更多頭痛的問題!

  此外,音量控制的外殼都應該好好的接地,因為音量控制器往往是人體拾波雜訊 (Body pick-up) 的專用通道!所謂人體拾波雜訊,是人體在室內充滿市電 (50Hz) 的電磁場下,令人體感應到微弱的 50Hz 電流,由於放大器的輸入抗阻很高,動輒數十 kΩ,甚至過百 kΩ,所以即使身體上拾到的電流很微弱,也很容易把雜訊放大。大家可以即時做一個實驗:把手指拈著放大器輸入端 (別觸及地端,即是 RCA 線中間突出的部份,不要觸及外圍),放大器自會轟轟作響,很多人以為這是靜電,這顯然是誤解!

  作為 DIY 達人,當然會比一般人有更多的板斧,同時也能更徹底地解決感應雜訊的問題。首先 DIY 一座放大器時,環形變壓器幾乎是大家的必然選擇,環形變壓器對環境干擾是眾多變壓器中最少的,令機內的佈線甚至零件的佈局都變得相對簡單,這對於一般業餘的 DIY 人士尤其重要。

  所有訊號線都必須屏蔽或作雙絞處理,雙絞線可減低外來干擾的同時,也減低了線內訊號對外的干擾。老實說,以曾 Sir 的經驗,把訊號線雙絞已經可以應付大部份的情況,除非環境真的很惡劣,否則用到屏蔽線的機會不多,另外,曾 Sir 建議一些新手 DIYers 先用銅線,待技術有所進步才考慮銀線,而且也不用太粗的機內接線,這只會增加難度從而提升了出岔子的可能!

  此外,屏蔽線,尤其是粗的屏蔽線,是很難讓你擺得它貼貼服服的,我看過很多 DIYers 的器材,入面有很多粗得不成比例的訊號線,但礙於空間問題只能讓它們到處亂竄,結果當然會弄巧反拙,因為機內有好一些地方都是訊號線的禁地,例如電源附近,或輸出管一帶的地方,都不應讓訊號線擅闖。

  最後有關單點接地及線路板走線等問題,我放在下一段「原理」內,因為比較技術性……

原理:
  作為一位 DIY 達人,都知道環形變壓器的成本比 C-core 或 EI-core 都要貴,原因是環形變壓器的製作工序既繁且難,但環形變壓器的鐵芯是一體化的,當中沒有罅隙,所以其磁阻低、效率高、體積小、磁漏少,磁漏少很重要,因為變壓器漏出來的磁場往往會闖進放大器的線路裏,形成類似交流啍聲的噪音!由於環形變壓器的磁芯被線圈完全包圍著,所以其磁漏少得幾乎可以忽略,所以環形變壓器的屏蔽罩子可說是可有可無,大部份情況下,只是錦上添花而已!

  不過由於環形變壓器的製作比較困難,所以市面上亦同時充斥著大量不及格的環形變壓器,最普遍的情況當然是變壓器造的不穩固,操作時產生振動,令變壓器嗡嗡作響,曾 Sir 購買環形變壓器時,往往都是相信一些老牌廠家,雖則國產的有很多較平價的選擇,但國產的品質素往往良莠不齊,曾 Sir 不太願意當白老鼠,而且他們的 QC 亦不嚴謹 (簡直是兒嬉),即使這一次你買到了好東西,但下一次就算買回同一個型號,也可能會有天淵之別!

  為何要把機內接線作雙絞處理?大家都知道,放大器只會對輸入端對地端的差分訊號 (Differential signal) 放大,而對共模訊號 (Common mode signal) 有著天然的抵抗力,甚麼是共模訊號?簡單地說,就是同時存在於地端與輸入端的訊號,在理想的情況下,任何位置的地端都應為 0V,但世事那有這麼理想,經過漫長的接線後,外來的干擾往往就此溜了進來,地端也無可避免地會出現雜訊,雙絞線讓訊號端與地端共同進退,同時間接受相同的干擾雜訊,然後放大器自然會使出它對共模訊號的抗疫本能,把雜訊技術性擊倒!但很可惜,由於地端與訊號端的抗阻並不一樣,所以對單端輸入的放大器來說,這個方法並不徹底。

  若論對共模訊號的抗疫力,一般單端輸入的放大器絕對不是平衡輸入放大器的對手,平衡輸入放大器利用兩組輸入訊號,而兩組訊號是一模一樣的但相位恰恰相反,換句話說,一個是正訊號,一個是負訊號,而且兩個號端的抗阻相等,對共模訊號的抗疫力近乎完美!平衡放大器不單在對抗訊號干擾方面有著優異的性能,而且對抗迴圈接地也有一手,只可惜提供平衡訊號輸出的器材都是價值不菲的高級器材,以致一般人都很少能享用到平衡放大器的優異性能!

  很多 DIY 達人設計或製作線路板時,甚或在使用萬用板時,都忽略了佈線的重要性,當然,佈線的第一秘訣是「短」,相信這個不用我多解釋,而第二秘訣,就是星形接地,要解釋單點接地或星形接地的原理,實在不是一百幾十字可以做到,但曾 Sir 即管極簡單地打個比喻,一個完整的訊號路徑必定以地端為終站,我們可以想像為河水最後流出大海,如果每條河都獨自流入大海,每條河都可以互不相干,正正是河水不犯井水,但如果小河滙聚成大河再流入海,小河可能會因為隔鄰的小河氾濫而遭殃;而星形接地就是確保每一個訊號不受干擾,平平安安的流進地端。夠清楚了罷!



小結:

  其實物理學的世界是用數學來解決問題的,以上所說的東西其實包含了不少算式在內,都被曾 Sir 一一略過!不過,即使略去算式,大家都應該理解一下音響的原理,曾 Sir 相信凡事必有因,充實自己的知識,以科學頭腦來對待疑問,才會讓人對音響發燒友給予幾分面子,否則我們只會停留在人們眼中一群又迷信又人云亦云的瘋子而已!