Разводка "земли" в усилителях или почему они фонят  13.02.2022 20:23

Мне часто задают вопросы в комментариях и в личных сообщениях, касающиеся борьбы с фоном в ремонтируемых усилителях или в собственных конструкциях. Многим удалось помочь удаленно, но каждый раз формулировать и писать новую "простынь" с рекомендациями, отнимает много времени, поэтому решил написать статью о личном опыте в этой области, на которую можно будет дать ссылку в ответ. Тут я не касался балансных входов и полностью балансных схем от входа до выхода - возможно, напишу об этом позже. Статья и так получилась большая по объему, но делить на части я её не буду - канал создан не для заработка, а иметь весь объем информации в одной статье гораздо удобнее.

1. Введение

Тема эта одновременно и сложная, и простая. Сложная, потому что по ней очень много противоречивой информации, а каждый автор имеет свои положительные результаты, при совершенно противоположных подходах. А когда попадается статья типа той, которую написал известный инженер, автор усилителей UcD Bruno Putzeys, то мозг перегружается, и если раньше хоть что-то было понятно, то теперь вообще ничего:) В то же время, тема простая, потому что когда есть собственное понимание, как это работает, то уже сложностей особых то и нет. Но к этому нужно придти. Даже прочитав мою статью внимательно, не сразу может стать всё ясно и понятно. Но шишек на лбу будет меньше, однозначно.

Ресивер Harman Kardon HK-930

Если посмотреть, как разводилась земля в промышленных усилителях в разные годы, то можно увидеть, что в 60-е, 70-е довольно часто меккой земли был корпус устройства, у которого в разных местах размещались луженые лепестки, куда подсоединялись общие проводники с каждой платы и с разъемов. Рабочий, но не очень хороший вариант, так как корпуса были стальные, чаще всего, а сталь не является хорошим проводником. Некоторое время спустя, появились омедненные шасси у более дорогих аппаратов, чтобы снизить импеданс шины земли и уменьшить помехи.

Лепестки земли на шасси ресивера Harman Kardon HK-930 из 70-х годов

В более поздних конструкциях, начиная с 80-х и по сей день, чаще всего используется два самых распространенных способа разводки земли - это "Звезда" и "Полигон". Способ "Полигон" относится к методу разводки топологии печатной платы, естественно. В корпусе все равно "Звезда", как правило. Я не зря упомянул печатные платы - с них все и начинается: если в корпусе усилителя вы все правильно соединили, то совершенно не обязательно получится хороший результат, если на платах земля уже разведена неправильно.

Одна из моих конструкций бюджетного HI-Fi усилителя

2. Что такое "петля Земли" и почему это плохо?

Все очень просто - "петля земли" - это дважды и более раз соединенные точки земли между собой. Образуется замкнутый виток из земляного проводника, или даже несколько, которые из экрана превращаются в приемные антенны. Самая распространенная ошибка при разводке печатной платы - это замкнутая рамка общего провода по периметру платы или на её участке. Это как раз тот случай, когда, как ни строй правильный конструктив, соединяя все земли в одну точку, результат непредсказуем с такой разводкой. Если на платах все хорошо с топологией, то петли могут образоваться в конструктиве - через крепёж, например. То есть, земля к плате подведена правильно, одним проводом, но некоторые крепежные отверстия платы с металлизацией, соединенной с землей, и тогда, каждое соединение через металлическую стойку крепления платы к корпусу образует свой замкнутый контур - петлю земли. А таких контуров в сложном устройстве может оказаться очень много. Самое интересное, что если провода разводки земли очень большого сечения, если присутствуют "костыли" в виде мало-Омных резисторов между шинами силовой и сигнальной земли, то конструкция с грубыми ошибками в разводке может даже и не фонить сама по себе, но часто имеют место некоторые "необъяснимые чудеса" - усилитель с пустыми входами не фонит совсем, но подключаешь источник на вход и начинается гул в АС, один канал вынимаешь - полная тишина. Или подключаешь к одному источнику - нет фона, а к другому - есть. Еще один "эзотерический" факт, с которым многие сталкивались: собранный на фанерке усилитель отлично звучит, собираешь в корпус - тоже все хорошо, но как только завинчиваешь верхнюю крышку, то вся магия звука исчезает. Открываешь верхнюю крышку - и она возвращается. Один мой знакомый даже подвел под это свою теорию и сделал верхнюю крышку из оргстекла. Есть, кстати, и промышленные модели усилителей, у которых верхняя крышка не металлическая - не просто так, видимо:). Но, когда земля разведена правильно, то наличие или отсутствие металлической верхней крышки в корпусе УМ на звук никак не влияет, даже если это сталь.

Еще, хотелось бы отметить тот факт, что добавление всяческих локальных экранов, даже практически "глухих", вообще не дает никакого положительного результата, если есть земляные петли в конструктиве. Фон может стать меньше в каком-то режиме работы, но "эзотерические чудеса" становятся еще более вероятными при подключении различных внешних устройств. У меня был случай, когда друг обратился за помощью - говорит, все наглухо заэкранировал, а все равно фонит! Принес мне своё чудо техники и каково было его удивление, когда он получил назад свой усилитель без всяких экранов, без большей части проводов заземления и вообще без фона. Там было столько петель земли, что со счета сбился:)

3. "Звезда" и "Полигон"

Полигон - это когда вся свободная площадь печатной платы является землей или под нее отводится целый слой, если на плате их больше одного. Импеданс такой шины земли очень низкий, что хорошо, но тогда платы должны быть либо с чисто силовыми цепями, либо с чисто сигнальными. К примеру, если вы на плате усилителя напряжения с общим полигоном земли разместите еще и стабилизаторы напряжения для этого УН, то очень трудно будет сделать так, чтобы емкости силового питания не разряжались через участки полигона, куда подключены сигнальные цепи. Ток идет в том направлении, где ему оказывается наименьшее сопротивление, поэтому может оказаться так, что силовая емкость стаба будет разряжаться через землю входного фильтра, то есть, - через самую чувствительную цепь входного каскада. Многие об этом даже не подозревают, да и я тоже, врожденных знаний таких не имел - все пришло со временем и совсем не быстро.

"Звезда" более предсказуема и надежна - своди все дорожки земли в одну точку на плате, а потом соедини этими точками все платы - получится звездочка на плате и звездочка в корпусе. Далее, остается соединить земли входных разъемов (изолированных от корпуса) вместе, в эту же точку заземлить корпус и туда же подсоединить "звезду" от плат. Точнее, к звезде плат просто добавится два луча - это корпус и входные разъемы. О них подробнее ниже.

4. Как должны располагаться в корпусе входные разъемы RCA?

Это вопрос насущный, так как их расположение зависит от внутренней компоновки усилителя и часто определяется стремлением сократить путь сигнала от терминалов RCA до входных цепей усилителя. Если вы не хотите получить дополнительных проблем, то входные разъемы левого и правого каналов нужно располагать ближе друг к другу.

Близкое расположение входных разъемов RCA в усилителе

Если такой возможности нет, то между ними нужно делать соединение земли проводом большого сечения, а лучше - медной полосой сечением 10 кв. мм. и более. Медная полоса будет лучше обычного провода, потому что имеет в разы меньшую паразитную индуктивность, чем круглый проводник того же сечения. Если не соединить земли входных разъемов, то внешняя петля земли, которая образуется источником и межблочным кабелем, может оказаться внутри усилителя и есть вероятность появления фона, наличие или отсутствие которого будет зависеть от качества и длины кабеля.

Не очевидно? Сейчас поясню.

У стандартного источника земли каналов соединены на выходе, а когда вы подсоединяете кабель в источник и в усилитель, то неизбежно образуется петля из двух земляных проводников левого, правого каналов и соединений земли с обоих концов. Но когда входные RCA разъемы усилителя рядом и их земли соединены коротким проводом, то петля так и остается снаружи усилителя, а её паразитная индуктивность невысока, так как площадь контура невелика. А вот если RCA разъемы установлены по краям тыловой панели и подключены сигнальным и общим проводниками напрямую к платам УМ внутри корпуса, да еще кабелем длиной сантиметров 20, то петля межблочного кабеля попадает внутрь усилителя и замыкается только в блоке питания. Контур получается большой площади и проходит через весь усилитель. Медная шина между землями RCA входов левого и правого каналов не дает петле земли "попасть" внутрь усилителя.

Удаленное расположение входных разъемов RCA

На фото выше, мой оконечный усилитель образца 2000-го года. Вот при таком расстоянии между разъемами RCA и нужна медная шина большого сечения. Этот аппарат был последним, с которым я мучился с фоном:) После сборки соотношение сигнал\шум оказалось невысоким для усилителя мощности - 93 дБ, и пришлось конкретно повозиться, чтобы довести его до 106 дБ. Сейчас, мои конструкции, без всяких "танцев с бубнами" имеют соотношение шума (фона) и полезного сигнала 110-120 дБ. Даже на АС с чувствительностью более 100 дБ ничего не слышно, если засунуть уши прямо в динамики:). Причем, речь не об оконечниках, а о полных усилителях.

5. Как развести землю, если у усилителя оба канала в одном корпусе, но построен он по технологии "Двойное моно"?

Усилитель TiERRA - настоящее "двойное моно"

Все как обычно, звездой. Земли левого и правого каналов нигде не пересекаются, а соединяются вместе только на входных разъемах, а точка соединения земель соединяется с корпусом в непосредственной близости от входов RCA. Кабели земли выходных терминалов для АС тянутся отдельными проводами для каждого канала от силовой земли блоков питания - от места соединений больших банок электролитов БП. Причем, сечение кабелей земли и тех, что идут к "горячим" клеммам выходных разъемов для АС, должны быть одинаковые, а лучше, если и их длина будет аналогичной. Ну, и чем они короче, тем лучше. Идеальный вариант - все выходы на акустические терминалы делать прямо с платы.

Фрагмент рисунка платы с прямым выходом на акустические терминалы

На фото выше, плата усилителя с общим БП (не "двойное моно"), но принцип точно такой же.

Вот, как это выглядит в железе:

Фрагмент платы с прямым выходом на акустические терминалы

6. Что означает фраза "земля - это просто еще один провод"?

Вышеупомянутая статья Bruno Putzeys (ссылка выше есть на русский перевод статьи) почти вся об этом, но прочитав ее полностью раза два, поймал себя на мысли, что много в ней действительно ценной информации, но с некоторыми вещами я не согласен. Что не вызывает сомнения, так это тот факт, что аудиосигналу для прохождения одинаково нужны два провода и если осциллограф клеммой земли зацепить за сигнальный проводник, а щупом коснуться земли, то на экране мы увидим тот же сигнал, что и в стандартном подключении, только инвертированный по фазе. Но этот стереотип, что сигнал у нас идет по красному проводу, а черный - это просто экран, очень силен. Ведь и схемы так нарисованы, и в приборах так обозначено. А в принципе, какой проводник взять за общий - абсолютно без разницы. Мне попадались в ремонт старые ресиверы, у которых земля была на (+) питания и все сигналы нужно было смотреть относительно плюса, естественно, да и в автомобилях кузов, бывает, соединен с плюсом, а не с минусом аккумулятора. В 90-е годы мой друг купил с рук магнитолу от такой машины и установил себе в Волгу ГАЗ-31029. Счастье от покупки фирменной вещи длилось недолго - до первого включения. То, что на ней написано "Positive Ground" прочитали потом, когда из нее дым пошел:)

7. Как развожу землю в своих конструкциях

Я пользуюсь комбинированным методом из Звезды и Полигона. Это удобно для того, чтобы исключить влияние силовых элементов схемы на сигнальные через землю. Вот, например, разводка земли в моем ММ корректоре для винила:

Земля RIAA корректора

Два нижних полигона - это земля питания, два верхних - сигнальная. На плате оба канала корректора, земли каналов раздельные. Точка, в которую они сходятся, является местом соединения с землей RCA разъемов и корпусом. Никаких резисторов, с одной шины земли на другую, не использую никогда - по моему мнению это костыль для нивелирования ошибок в разводке. Иногда хорошо помогает.

Вот другой пример, полный усилитель:

Фрагмент рисунка платы усилителя

Тут синим цветом обозначена сигнальная земля, а зеленым - земля силовая. У этого усилителя общий БП на два канала, поэтому силовая земля одна. Все полигоны сходятся в одну точку, причем сигнальная земля нигде не используется в системе питания, а питание нигде не опирается на сигнальную землю. Этот же кусок платы, но уже "в железе":

Фрагмент платы усилителя

Точка "Case Ground" прикручивается к корпусу и это единственное место, которым корпус касается земли. Кстати, сигнальные цепи не рисую над или под полигонами земли - паразитная емкость между слоями может сыграть в минус.

Средний контакт сетевого разъема лучше не подсоединять к корпусу - мало того, что есть вероятность, что это небезопасно, так как в розетке может быть использовано "зануление", а не "заземление", так еще может возникнуть петля земли, образованная общими проводниками земли межблочного кабеля и проводами от средних контактов сетевого питания, если в удлинителе есть под них клеммы. То есть, получается, что земля между источником и усилителем подсоединена дважды - через межблочный кабель и через сетевой кабель. В некоторых случаях это является источником НЧ фона.

Еще, памятуя о том, что "земля - это просто еще один провод", стараюсь как можно точнее соблюдать сечение проводников в силовых и выходных цепях. А именно, если у меня плюс питания и минус питания имеют на плате сечение по 2 кв. мм., то шина земли будет 4 кв. мм. Также и с проводниками, которые идут к выходным терминалам на АС - они должны быть совершенно одинаковые и по сечению, и по длине, желательно. Наверное все видели и не раз - шину земли с палец толщиной и провода питания в десять раз меньше сечением:)

Резюме

Чтобы было нагляднее, соберу все правила в один список:

1. Все разъемы должны быть изолированы от корпуса

2. Корпус должен касаться земли строго в одной точке, которая определяется вблизи от входных терминалов.

3. Все платы должны иметь одно соединение с общей землей, никаких соединений с корпусом через крепеж быть не может

4. Проводник, соединяющий земли RCA разъемов левого и правого каналов должен быть как можно короче (разъемы в идеале должны быть рядом) или иметь большое сечение (лучше плоская медная шина), если разъемы удалены друг от друга. Плоская шина лучше, потому что при одинаковом с круглым проводом сечении она имеет в разы меньшую паразитную индуктивность

5. В разводке платы нельзя допускать на одном полигоне, или в одном луче звезды, наличие сигнальных и силовых цепей. Это очень грубая ошибка. Может привести и к помехам, и к значительной потере в качестве звучания

6. Средний контакт сетевого разъема лучше вообще никуда не подключать. В современной промышленной аудиотехнике он, чаще всего, никуда и не подключен

7. Сечение проводников земли питания должно равняться сумме сечений проводников двухполярного питания. При однополярном они должны быть одинаковы

8. Все проводники - питание, сигнал, земля должны быть как можно короче

9. В усилителе, построенном по технологии "двойное моно", земли соединяются вместе только на входных разъемах, больше нигде. В эту же точку подсоединяется корпус

10. Землю для выхода на АС нужно тянуть к акустическим терминалам от общей точки земли БП (от силовых электролитов питания) и для каждого канала своим проводом, даже если УМ не "двойное моно". Сечение, а по возможности и длина этих проводников, должны быть такие же, как у проводов, идущих с выхода оконечного усилителя к выходным клеммам на АС.

Статья написана на основе личного опыта. Все фото мои.

9 ноября 2021

Автор - Prophetmaster Audio

Статьи о винтажной аудиотехнике и о Российском Hi-End.