Как развести земли при постройке усилителя низкой частоты?

Нередко, во время первого испытания самодельного УНЧ, выясняется, что он фонит (усиливает сигнал помехи частотой 50 или 100 Герц) или воспроизводит ещё какие-нибудь лишние звуки. Особенно хорошо различимы все эти артефакты в отсутствие полезного сигнала на входе.
Причиной возникновения помех может быть, либо возбуждение УНЧ на ультразвуковых частотах, либо проникновение пульсаций напряжения питания в полезный сигнал, либо наводки, вызванные внешними электромагнитными полями.
Возбуждение усилителя обычно возникает из-за нарушения работы Отрицательной Обратной Связи (ООС) по постоянному току, например потери емкости фильтра ООС, или неверного расчёта цепей коррекции частотной характеристики УНЧ. Возбуждение легко идентифицировать по току потребления УНЧ и искажению полезного сигнала. В большинстве случаев, сорвать возбуждение УНЧ можно без каких-либо существенных переделок конструкции.
А вот устранить разного рода помехи, связанные с питанием или внешними наводками, и проникающие в усилительный тракт из-за конструктивных недоработок бывает намного сложнее.
Поэтому желательно ещё во время проектирования усилителя знать о возможных «хомутах» и методах их устранения.
Давайте рассмотрим основные причины, вызывающие фон и другие помехи в акустической системе и попробуем в них разобраться с помощью упрощённых эквивалентных схем.

Будем считать условное обозначение поз.1 соединением с общей шиной или, проще говоря, с проводом к которому подключается общий провод питания и общий провод полезного сигнала УНЧ. В большинстве усилителей низкой частоты эти два проводника соединены гальванически.
Условным изображением поз. 2 обозначим точку соединения элементов экранирования между собой или корпусом УНЧ, если он металлический.

Как правильно развести земли входного сигнала и питания?

Ещё на стадии проектирования УНЧ, следует проанализировать все цепи на предмет протекания токов разных источников через одни и те же провода, экраны или дорожки печатной платы. Удобнее всего сделать это с помощью, так называемых эквивалентных схем. Не обязательно чертить эту схему, вполне достаточно держать её в голове во время проектирования.
Заменим общие проводники паразитными резисторами, а наводки, вызванные электромагнитными полями, конденсаторами.

На этой картинке Вы видите схему подключения двух независимых генераторов переменного тока к соответствующим нагрузкам. Эти две цепи имеют полную гальваническую развязку и проникновение сигнала одного генератора в нагрузку другого, возможно только посредством электромагнитных волн. Но, это вопрос экранирования и его мы рассмотрим в следующем параграфе.

На этой схеме показано подключение двух источников переменного тока к нагрузкам, с использованием общей шины. Необходимость в применении общей шины возникает из-за того, что входные цепи усилителей и цепи их питания связаны гальванически.
Кроме этого, общие шины могут использоваться для экономии провода или для упрощения разводки печатных плат. Хотя, в некоторых случаях, например, при проектировании печатных плат импульсных или ВЧ устройств, причины бывают и иные.

А вот это уже упрощённая эквивалентная схема, на которой видно, что при использовании общей шины, ток обоих генераторов течёт через паразитный резистор R3. И хотя сопротивление этого резистора ничтожно по сравнению с сопротивлением нагрузок генераторов, законы Кирхгофа продолжают действовать и здесь.
Давайте предположим, что работает только генератор G1 и генерирует некоторый ток в нагрузке R1. Этот ток, протекая по общей шине, имеющей некоторое, пусть даже незначительное сопротивление, которое мы условно обозначим R3, создаст падение напряжения на этой самой шине. Это напряжение приложится через внутреннее сопротивление генератора G2 к нагрузке R2 и через последнюю потечёт некоторый ток помехи. Таким образом, помеха от генератора G1 может попасть в нагрузку R2.
Чем это нам грозит?
Напряжение шумов на линейном входе усилителя может составлять доли микровольта, тогда как величина пульсаций в цепях нестабилизированного источника питания может достигать десятых долей вольта. Если при этом иметь виду, что входное сопротивление линейного входа УНЧ составляет десятки килоом, то становится понятно, как эти пульсации могут проникнуть во входные цепи усилителя, если общие шины разведены без оглядки на подобную эквивалентную схему.

Предположим, мы собираем усилитель сигнала по приведённой схеме.

Если мы подключим соединительные провода так, как показано на схеме выше, то получим вот такую картинку. Как видите, при таком подключении, на общей шине появился участок, через который будет течь не только ток входного сигнала, но и ток от источника питания.

Чтобы исправить это безобразие, перенесём точку соединения общих проводов блока питания и входного сигнала поз.1 как можно ближе к схеме усилителя, чтобы снизить влияние помехи. Конечно, этих же принципов придётся придерживаться и при проектировании печатной платы.

Как правильно организовать экранирование?

Даже если все проводники общий шины усилителя разведены правильно, он всё ещё не защищён от воздействий помех, которые могут быть наведены на элементы усилителя внешними или внутренними электромагнитными полями.

На картинке знакомая уже схема подключения двух генераторов переменного тока. Но, в данном случае, мы попробуем проследить, как внешнее или внутреннее электромагнитное поле может стать причиной проникновения помех во входные цепи усилителя.
Условно обозначим ёмкость между «горячими» проводниками генераторов как C1.
Предположим, что генератор G2 выключен. Тогда ток, генерируемый G1 может потечь по цепи: верхний вывод генератора, паразитная ёмкость C1, резистор R2, общая шина, нижний вывод генератора G1. Таким образом, ток генератора G1 может проникнуть в нагрузку R2.

Чтобы минимизировать проникновение помехи, применим экранирование.
Это могло бы значительно снизить влияние внешних полей на входной сигнал, если бы мы не стали пускать ток генератора G1 по экранирующей оплётке кабеля точно так же, как это было в случае с общей шиной, описанном выше.

Поэтому доработаем нашу схему так, чтобы предотвратить протекание тока генератора G1 по экранирующей оплётке. Для этого достаточно подключить оплётку кабеля к общей шине только в одной точке.

Теперь применим экранирование сигнального провода в УНЧ, чтобы защитить его от наводок.
Это хорошее решение и оно в большинстве случаев может защитить входной сигнал от помех. Но, всё может оказаться не так радужно, когда мы будем иметь дело с уровнем сигнала на порядок ниже, чем уровень сигнала линейного входа.

Когда уровень усиливаемого сигнала очень мал, то становится ощутимым воздействие помех от всевозможных электромагнитных излучений. Электромагнитные волны легко проникают через экранирующую оплётку провода, которую обычно изготавливают из немагнитных материалов.
Кроме этого, электромагнитные волны по-разному воздействуют на оплётку и центральный провод, в силу их различной формы и величин распределённой ёмкости и индуктивности. Если предположить, что на кабель воздействует однородное переменное электромагнитное поле, то последнее вызовет в центральном проводе и оплётке токи разной величины. И хотя токи эти будут иметь разный знак по отношению к полезному сигналу, алгебраическая сумма их будет больше ноля. Если величина этих паразитных токов превысит уровень шумов усилителя то помеха может стать заметной на слух.

Для того чтобы минимизировать уровень помех в высокочувствительных цепях усилителя, используют экранированную витую пару, которую в народе называют микрофонным кабелем.
Токи, генерируемые электромагнитными полями в проводах витой пары текут в одном направлении и практически равны, благодаря идентичной форме каждого проводника витой пары. В то же время, токи полезного сигнала текут в разных направлениях по проводникам витой пары. Таким образом, в одном проводе ток помехи складывается с полезным сигналом, а в другом вычитается, что приводит к полной компенсации помехи.
Но, в любительской практике, витая пара может понадобиться не так часто, и используется разве что для подключения динамического микрофона или электромагнитного звукоснимателя к предварительному усилителю.

Обычно линейный вход усилителя низкой частоты подключают примерно по такой схеме. Как видите, общий провод линейного входа не соединён с корпусом гнезда. В то же время, корпус гнезда соединён с металлическим корпусом усилителя. Точно также с металлическим корпусом усилителя соединяют и другие элементы экранирования, например, межобмоточный экран силового трансформатора и металлический экран предварительного усилителя.
Но, во всех случаях, общую шину усилителя соединяют с металлическим корпусом (экраном) только в одной точке поз.1. Если таких точек будет больше одной, то токи «путешествующие» по металлическому корпусу усилителя начнут «заглядывать» в общую шину, что может стать причиной помех.

Если для линейного входа используется гнездо типа Джек 3,5мм, а корпус усилителя металлический, то придётся изолировать крепление гнезда от корпуса, так как общий вывод поз.1 и элементы крепления поз.2 в таких гнёздах соединены гальванически.

Итак, подведём итоги.

Чтобы минимизировать паразитные токи и другие влияния источников помех на полезный сигнал, нужно ещё на стадии проектирования усилителя минимизировать любую возможность протекания токов разных источников по общим шинам.
Металлический корпус усилителя должен быть соединён с общей шиной усилителя только в одной точке. Хотя другие элементы экранирования, за исключением тех, по которым протекает полезный сигнал, могут быть соединены с корпусом произвольно.
Для подключения слабых источников сигнала, таких как головка динамического микрофона или электромагнитного звукоснимателя, следует использовать витую экранированную пару.

Источник: oldoctober.com


Ответить