接地˙感應˙隔離與交流聲的補述(三)－老音響資料庫/蘇桑部落格

電源內阻引起失真

　　綜合以上討論,雖然並不完整(因為電路的變化萬千,難一一歸類舉偶),且缺乏次序,不過讀者若能用心體會,相信不難舉一反三,而不必要把ESS前級的線路板給切開來了。

　　在前面我們一直迴避不談訊號加入後,會發生些什麼事情,主要是因為訊號與哼聲根本兩碼子事,你大概沒有聽過那種有訊號才會有哼聲的擴大機罷!

　　然而「接地」問題,可真的與訊號全然無關嗎?當然不是的。

　　請看下面一個擴大機的電路,是一般典型的OTL輸出接法,電源之零,即喇叭之零,分別均直接被接於整流平滑濾波之零,在這一點上,至少在等價電路中,我們可以把它當成是零。對哼聲的防範而言,這種接法也可說是無懈可擊的。唯一我們必須承認的缺憾,是+Vcc到放大器之間,必然有阻值存在,此阻值包含了電源內阻,而電源內阻又包括變壓器的內阻以及濾波電容器的串聯直流電阻,此內阻將成為「迴路失真」的因數。

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　　所謂迴路失真,乃指放大器本身失真之外,因電源或訊號迴路所介入之失真。在上圖中產生迴路失真的情況,概是這樣的:設電源內阻Rp為2歐姆(這個假定值並不算高)Vcc為+30V,放大器在無訊號輸入時,僅有約100mA以內的電流流過放大器,此電流在Rp上所形成的壓降為0.2V,可被忽略,此時輸出電容兩端的電壓,放大器端為½Vcc=15V,負載端為0V,當一正半週訊號進來後,促使上半部晶體導電,電流如下圖一般的方向流過:

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　　設正半週的訊號足可促使產生+15V的擺幅,那麼15V在RL上所形成的電流為15/8≒2A這將近2A的電流同時也在Rp產生壓降,而此壓降高達2A×2Ω=4V,實際上當然不會這麼大,因為在正半週時,Rp為RL的串聯值共同成為實效的負載阻抗,那麼+15V的輸出擺幅實際上只產生15V÷(8+2)=1.5A的電流,也就是說,在RL上的擺幅實際只有8×1.5=12V而非15V。

　　當正半週過後,接著為負半週,此時若輸出電容的充放電予以忽略(即無交連損失,因交連損失是正負半週均為同值),也就是電容兩端的電壓仍維持½Vcc=15V。負半週訊號將促使下半部之晶體導通,使輸出點電壓偏向於零,附在端的電壓則被下推至-15V,此十支電流迴路如下圖所示:

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　　由上圖可以發現,在負半週時之電流迴路,和Rp根本無關,也就是說,其輸出負載單純地只是RL而已,並未受到Rp的分壓,所以其輸出擺幅能相當接近於-15V。

　　這種正負輸出擺幅之不平衡,雖然只在一連續訊號中的前幾週中出現,因為幾週之後,輸出電容的端電壓(或放大器輸出點的直流電壓)會降低下來,維持平均的½Vcc值,在這個過程中,至少已產生了兩種現象:

　①在最初的幾週中,輸出電壓的擺幅不一樣,因此而成為所謂的「瞬時失真」(THD)。

　②在最初幾週過後,中點電壓下降,於是形成直流漂移。這種現象,我們極容易在一般的擴大機上發現(甚至一台數萬元的後級也有此毛病)就是再擴大基因量突然加大的一兩秒之間,可以明顯地看出低音喇叭的紙盆縮了進去或鼓了出來。如果音量大大小小的變化著的時候,低音喇叭也在那裡搖擺不停,而這種搖擺甚至還被拿來做為電視影片的廣告(增加動感)。殊不知這就是因電源內阻太高所產生的迴路失真。

迴路平衡效果

　　像上面所發生的這種毛病,除非設計者願意或可能投入相當的代價,加大變壓器及電容器的容量,甚至將電源經過穩壓,實在很難有效予以制止。

　　一個有效的抑制此類失真的方法是,使不平衡的迴路變為平衡迴路,也就是改成OCL輸出的形式。

　　在表面上,OCL輸出較OTL少去一個輸出交連電容,但如果把OCL的效益過分集中於除掉的那個電容器,並不正確,因為OCL輸出形式,在低頻段的效果上,和前面曾經述及的,把輸出跨在由兩個等質電容所形成的分壓點上,並沒有什麼兩樣,如下圖:

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　　所不同的,是在OCL的電源中,變壓器有一零抽頭點,接於電容器的中點上,然其作用卻是直流而非交流的,就交流動作而言,OCL放大器在正負半週的電流迴路如下圖所示:

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　　因此可知,不管正或負半週,電流仍然必須經過電容器,如果我們懷疑OTL放大器上的那個輸出電容弊端太大,那麼難道OCL上的兩個也涵蓋在輸出迴路的電容沒有毛病?同樣的毛病既然存在,由OTL到OCL真正的效益,就不在除掉了輸出電容,而在「迴路平衡」上。

　　由上圖,相信讀者已經發現,OCL電路在正負半週時均能構成平衡而對稱的迴路,所以一如OTL般的迴路失真及直流漂移不致出現,除非兩個濾波電容器在容量上出現明顯的不平衡。

反交連與反紋波

　　電源紋波通常是伴隨電源頻率而存在的,例如電源頻率為60Hz,經全波整流產生120Hz鋸齒狀的紋波,此為電源串入性哼聲之根源,其防止的方法已如前述。

　　除了電源紋波之外,訊號也可能串入電源而影響另一級的工作,就像前一節中我們所舉的例子,一電源內阻為2歐姆,Vcc=+15V,RL=8歐姆的放大器,在正半週峯值輸出時,可能使電源電壓降下3伏之鉅。此Vcc若直接被送於與輸出同相的輸入端,當成偏壓電源,問題或許不會發生。但若被送入與輸出為反相的輸入端,因偏壓源所生之變動,若大於放大器的增益時,在低頻就出現了所謂「汽船聲」模樣的振盪,在中高頻則為嘯叫。

　　再者,因輸出端所引起的電源電壓波動,對非反相的輸入,理論上雖不會發生問題,但往往由於放大器本身微小的相移,而引起所謂「超聲頻振盪」。

　　為了防止這類級與級間,因電源迴路而生的交連,我們常施於反交連措施,由於本文的主題,實際乃繞著「哼聲」問題而轉,不想就反交連問題多作分析。

兩種感應

　　哼聲的產生,除了上述由電源迴路直接串入之外,另有因感應而生的可能。在基本上因電源迴路所生之哼聲與感應所生之哼聲,波形並不一樣。因電源迴路所生之哼聲,呈鋸齒波形狀;因感應所生之哼聲則由正弦波混雜著一些不規則的雜波成為變了樣的正弦波形。兩種波形不僅可以由示波器上被分辨出來,即使憑聽覺,也不難加以區別。

　　既稱之為「感應」,通常便只有兩種形式,一是電磁性的或為動態性的;一為靜電性的,或為電容性的。

　　電磁性的感應因磁場而生,感應與被感應的電路間,必須各成迴路。一如變壓器,初級是一迴路(不成迴路則無磁場),次級也是一迴路(不成迴路則感應電動勢無由動作)。

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　　靜電性感應因靜電場而生,感應與被感應的電路間,必須共同形成迴路,一如再兩者之間,介入一電容器為交連一樣。

靜電感應乃電容交連

　　我們生存在今天這樣一個無處不用電的空間中,任何一樣暴露在空間中而未實施隔離的導體,都可能被許許多多的電場、磁場所感應,甚至於我們可以這樣說,任何一個人體,在未實施隔離的情況下,都是一付天線,人體上隨時都充滿了各類的電動勢。

　　現在,我們姑且把人體可能感應到的無線電波(包括各類雜波)略而不談,專看對60Hz交流市電感應的情形。設你現在正坐在書桌或工作檯前,則此時檯燈、照明燈、牆上的插座等等的電力佈線可能圍繞著你,這些圍繞著你的電力線與你身體(都是導體)之間,互相形成了一些雜散的電容量,它們可能只有數pF,不管怎麼小,容量總是容量(不等於零)。而這個時候,你可能穿著塑膠拖鞋,坐在木頭椅子上,甚或你的書房根本就在高樓大廈上,地面舖著地氈,換句話說,你的身體與大地是絕緣的,沒有「接地」。

　　現在,請你想一想:假如我們再AC110V的電線上,接一個10pF的電容,如下圖:

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這10pF電容的另一端到「地」之間,會有多少電壓呢?答案是:如果沒有電流,電壓仍然是110V。那麼怎樣才會有電流呢?那就是在電容器到「地」之間,並非完全絕緣,不絕緣的方式有二,依舊是有電阻存在,一是有電容量存在。

　　人體到地之間,當然不可能完全絕緣,因為一、拖鞋、樓板等絕緣物多少帶點溼氣,於是形成可能是數百Meg歐姆的電阻;二、人體和大地自然也存在著潛佈的電容,由是乎一個等效電路變如上圖般成立了。

　　我們當然很難預估在此等效電路中,各個RC的數值,因為我們的環境情況實在複雜得難以預估了。例如工作檯如果是微微導電的東西,但它卻與地面絕緣,於是他與人體一樣帶了電漂浮起來了,四根墊了橡皮腳的鐵椅腳也漂浮起來了,角鋼架成的床舖漂浮起來了......他們相互之間,乃至與人體之間,形成了一個極其複雜的多角關係,在此情形下,人體、工作檯、床架各存在數十伏的漂浮餘地上的交流電位是可能的,此時,你可能會問,身上既有那麼高的電壓,為什麼一腳踩在地上,絲毫感覺都沒有呢?是的,那是因為這些電壓只因為數pF或數十pF的潛佈電容「交連」而來,電抗非常高,換算成電阻,可能在一百到數百Meg歐姆以上(10pF在60Hz時之Xc=265Meg歐姆),如此微小的電流,自然是不會被感覺出來了。

　　以上的敘述,我們肯定了一個事實:人體上帶有數十伏以上的電位,這個電位,使我們觸及示波器的輸入端時,可形成一不甚規則的60Hz波形。根據示波器的輸入阻抗,靈敏度控制及波形所佔的格數,我們不難求出人體對AC電源間究竟存有多少「電阻」。

把電壓交連給擴大機

　　如果我們以手指接觸擴大機的輸入端,喇叭於是「叭!」的大叫一聲,因為人體上的交流電位「直接交連」到擴大機的輸入端去了。那麼當我們以手指接近唱頭或麥克風等低電平輸入端,為什麼也會有哼聲出現呢?那是因為手指和輸入端之間形成了一個電容,電容是可以通過AC的......(請不要只說感應,因為感應一詞太含糊了)。

　　那麼,我們如何去隔絕這種無形的電容交連呢?辦法之一,就是使輸入端遠離帶有AC電位的物體,遠離的實際效用就是減少交連電容量,使得Xc加大,提高Xc對輸入阻抗的分壓比。而辦法之二,即是把那些必須近接而又帶有AC電位的物體「接地」──此所謂「地」乃是只被訊號視為零的相對點──如此一來,該物體上所感應的電位,便被導於地(電位)而致AC電位並不存在了──而這正是本文的主題之一──隔離性的接「地」。

　　隔離性接地與共第迴路接地所稱之「地」意義上是相當明顯不同的,在共地迴路中之地,乃指使之形成迴路之地表、車體、機箱......等等,隔離性接地之地,乃指電路中某一可被視為零電位參考之點而言,我們是把一恐生電容性感應的導體或刻意形成的隔離網罩,接到這一點上。以圖示之即:

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把電動勢交連給擴大機

　　除電容性感應之外,另一種感應為磁感應,磁感應的原理一如變壓器一般,再出及線圈中(必為一迴路)通過AC電流,使產生交變的磁場再去切割次級線圈(亦為一迴路)在次級線圈遂產生一電動勢。

　　為了使交連效率提高,所以在變壓器中使用了鐵心,使磁束集中,又在鐵心上繞以適當線圈,以產生適當強度的磁場。他們交連的效率通常在80%、90%或更高以上。如果不計較效率的話,只要兩條導線互相靠近,它們就會產生感應。

　　為了明白電磁感應的情形,我們可以做一個實驗:在擴大機的唱頭輸入端,引一條約一公尺左右的導線出來,在線長二分之一處,將導線在一枚鐵質小螺絲上繞上三、五圈,然後把另一端與原線互相絞合回到擴大機上「接地」。把擴大機打開,是將那個繞有線圈的小螺絲,在空中四面八方轉動看看,一定有某個方向哼聲特別大,某些方向則哼聲較小。如果將它靠近(平行)於烙鐵,則哼聲會更大。這種類型的感應,就是電磁感應。

和靜電感應有所不同嗎?

　　這個實驗,說不定會令你心裡有些不服氣,因為要使他產生感應,何必那麼麻煩,我只要把回到擴大機上那一根接地線剪去,立刻就哼聲大作了!

　　不錯,我們之所以做此實驗的原因是希望能辨別靜電感應和電磁感應究竟有何不同之處?現在既已將接地端剪去,就姑且先作剪去的實驗,為了免於損及擴大機或喇叭,也為了便於聽出哼聲的增減變化,最好能將輸入端所感應到的哼聲以電阻略作衰減。此時,接於輸入端的一根單線,就像是天線一樣,在空中撿拾著哼聲與雜音,它大致有一些規則,例如:①近接的導電物與地(系統地)絕緣者,會感應,②距離近感應大,③與方向無關,④與AC之是否有電流無關,以及⑤可被另一接地的導體隔絕...等等。

　　接著我們把那根被剪去的地線接回去,再試試電磁感應的情形,為了使感應更明顯些,可以一小錄音頭代替那繞了幾圈的螺絲釘,結果,你也可以發現一些規則,例如:①必須有AC電流(即OFF的電路不生磁場,故無感應)②與方向有密切關係,甚至轉九十度後感應變得很小,③不能被片狀的接地導體所隔絕,甚至導磁的東西(鐵片)亦無明顯的隔絕作用...等等。

　　明辨了上兩種不同特性感應的不同規則,將有助於你對感應性哼聲問題的解決。

兩種感應的不同對策

　　一般裝置擴大機若遇到哼聲問題,可循以下步驟,設法解決之:

　①分辨哼聲究係來自整流後的電源紋波,還是來自感應。

　②如果確是來自感應,則要分辨屬於靜電性的?還是電磁性的?

　　屬於電源紋波性的哼聲,雖然可以降低電源紋波的方法減輕之,但絕非根本之法,除非你純粹採用電池為電源,有關紋波與哼聲的問題,在前面大部分的篇幅我們都在討論它,在此不擬重覆之。至於靜電感應性的哼聲問題,解決的方法也不算難,一般只要加上適當的屏蔽處理(靜電隔離)就可以了。其中如遇到電磁性的感應,想要防止,就比較困難一些了,因為:

　①磁場不能被導磁物質完全屏蔽,一般有效的隔離磁場的方法是:先用導磁物質,將磁力線誘導集中經過某一處,然後在此處置上一短路線圈,使磁力線先變為電流,將電流短路,則化為熱能。所以一般錄放音頭的隔離罩共有三層以上,一層鐵(誘磁)一層銅(短路)再一層鐵。在變壓器上為防漏磁,光加上鐵罩是不夠的,應該還要加上短路銅環。

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