GNDの配線方法  1、問題の本質は何か?
 

GNDの配線方法について、機器内のGND配線に流れる電流による影響(内部処理の問題) を考えます。 まずは問題の本質として「何が原因で、何が悪いのか?」を明確にします。


●電源や出力周りの大電流経路と、小信号入力電圧部の干渉が着目ポイント

特にパワーアンプでは扱う電力が大きいため、電源や最終出力段周りの配線など、大電流の流れる部分が必ずあります。真空管アンプでも電源整流・平滑部やヒーター周りで比較的大きな電流が流れます。

相当太い導線を使ったとしても、AWG18(0.82mm^2)で20mΩ/mの抵抗ですから、配線には必ずmΩ単位の抵抗があると考えなければなりません。1Aの電流が流れていれば、mV単位の電圧は銅線のそこらじゅうに発生しているのです。

「GND問題」とは、この電圧が小信号入力電圧部に干渉して「ハムが出る」等の症状が現れる事を指すのが一般的です。少し範囲を広げれば、電源や出力の大電流に対して信号が影響を受けないようにすること、とも言えます。


●駄目な例(電源整流周り、出力段周りなど大電流の流れる所)

下の図は、8Ω100Wアンプの電源(300VAクラスの電源トランス、2次AC40Vを10,000uFの電解Cで平滑)で、約500Hzのフルパワー1ch分出力時の平滑CのGND配線(図に赤色でマークした部分)に流れる電流を見たものです。

グラフの赤がC1側、緑がC2側で、アンプ出力の放電電流5Aがマイナス側、電源トランスからの充電電流8Aがプラス側に現れており、非常に汚い波形である事が分かります。
(この電流波形と同じ電圧が配線上にも分布している)


赤色でマークした配線上で、図のように微妙にずれた点で配線を引き出すと、その位置がわずか1mmずれただけでも8A*20mΩ/1000=160uVの電圧差が発生し、出力電圧に加算されます。(信号の基準電位が汚い電流で揺さぶられる。)
断面積が10倍の極太の配線材を使ったとしても、160uVが16uVになるだけで根本的な解決にはなりません。この「汚いライン」をシャーシアースに繋ぐなど以ての外だが、ここでシャーシGNDに落とす例は非常によく見られます。

この配線図には3つの大きなエラーがあります。
1、出力に負荷抵抗を繋ぐポイントがGND接続点と違う電位にある
2、アンプ部のNFBを掛ける接続ポイントがOUT_Pと違う電位にある
3、汚い電流のラインでGNDに接続しており、入力信号のGNDにノイズを撒き散らす
 どうすれば解決するかは、次の「効果的な対策法」で説明します。


もう一つ悪い例。写真はLEADER LMV-186A(2chACミリボルトメーター) の電源部です。
S52年に電源のE.cap交換でサービスされており、その際にパターンを加工しています。



橙色の丸印が交換した電解C、元のパターンは左上部のベタGNDに整流Diブリッジが直接繋がっており、整流後の充電電流がベタGNDにそのまま流入する状態でした。
GNDパターンの右側には安定化電源の基準電圧ZDiがあり、100Hzのリプルが電源に重畳されてしまう。パターンを書いた人は、何も知らずに回路図のGND記号の通りに(忠実に)GNDに落としただけなのでしょう。

パターン加工によって整流DiブリッジのGND側電流は電解Cのマイナス側へ直接接続され、この電流がGNDパターン内をぐるぐる回る状態は解消されています。


●電源ラインのパスコンのGND側配線の問題

これも良くある駄目な例。
下の図で、C3とC4はアンプの電圧増幅段の電源パスコンですが、このGND側リターン(赤い配線部分)を信号GNDに繋いでいるのがいけない。


図のパワー段周辺の接続は問題ないのですが、パワー部からアンプドライブ基板までのGND配線は多少は長くなるので線材の抵抗は図のR6に書いたように10mΩ程度あるのが普通です。

この図のような接続にすると、電源平滑C(C1, C2=10,000uF)に流れる汚い電流の容量比でパスコン(C3, C4=220uF)を通じて、200mA近い電流がR6に流入します。配線抵抗が10mΩだと2mVの汚い電圧がGNDに注入されてしまう。
電源パスコンはデカップリングなしには信号GNDに繋いではいけないのです。

【注】:電源平滑C(C1, C2=10,000uF)の電流が上下で等しい場合は、C3, C4に流れる電流も等しくなり、GNDへ流入する電流は打ち消されてゼロになる。
つまり、電源トランスの中点(電源平滑CのGNDと接続する配線)に抵抗を追加して電流を制限すればパスコンからの電源充電電流成分のGND注入は軽減される。(音質対策としてこれをやったメーカーがあるが、パスコンの処理に問題があったのかも知れない)


●電圧での干渉の他に、電磁結合による干渉もある

入力信号を次へ伝える為には、信号ラインと共にGND電位を決めるラインも必ず必要です。 2つのラインの隙間に磁束が入り込むと、電磁誘導で1ターン分の誘起電圧が発生します。

上の回路図で見ると、入力信号源V1の+と-がR3を通ってアンプ入力+/-に繋がる部分が入力信号のループ、負荷抵抗R1両端(Out_P/Out_N)からGNDとR3, R2で一回りするのがNFBのループです。

入力信号のループに入ったノイズはアンプのゲイン倍されますので特に注意が必要。NFBのループも、ゲインは1ですが大電流のラインと直接繋がる部分なので油断は禁物。

ノイズ源となる磁束も出力電流と相似なら非常にわずかなゲイン変化だけで済みますが、AB級出力段の片側は半波整流波形で非常に大きな高調波成分を含んでいます。ワイヤーで手配線する状態なら距離を離すことも簡単ですが、基板上にパターンで繋ぐ場合は電流ループがどう干渉するかを見極めないと歪率が下がり切らない場合がある。

受ける側が1ターンのループ面積で誘起電圧が決まるのと同様に、ノイズ源も必ず行きと帰りがセットになって電流ループを形成するので、大電流のループがどこをどう流れているかを把握することが問題解決には非常に重要です。


●ACラインからの電磁・静電結合問題

ACラインには電源の整流後充電波形(大きなピークを持つパルス波形)が流れているので、トランス2次側だけでなく1次側も配線からの磁束放射は気を付けなければならない。

電流の行きと帰りの2本を必ずペアにして少しよじるだけで大きな改善ができます。大電流ラインをペアにしないで1本だけで引き回すと、意図せずに大きなループ面積を発生させて磁束を撒き散らす事があるので要注意。

電源周りで最も大きな磁束発生源は、電源トランスと平滑ケミコンです。大型ケミコンは内部で電極が巻き取られているので、端子引出部を中間部にして打消しを図っても近距離ではかなりの漏れ磁束がある。
円筒形の端面が最も磁束が出るので、その方向の近くには影響を受けやすい部品や配線は配置しない方が良い。ケミコンの頭に銅箔を貼ったりすると音質改善になる場合があるのは、これが原因かもしれません。

電源トランスの漏れ磁束は非常に厄介で、発生源をピタッと止める対策はありません。
コア外周を磁気シールドしたり、外側からショートリングを巻くと少し低減できますが、半減以上の効果は相当厳重にやらないと得られません。簡易的な対策では気休め程度。

漏れ磁束の量はEIコアタイプが一番悪く、カットコア、さらにはリングコア、トロイダルコアの順で良くなるのが普通です。(材料や最大磁束密度の設定、巻線のバランス具合で変わる)

基本は敏感な入力部回路を出来るだけ離す、回路側で磁束を拾わないようにパターンや配線を工夫する(ループ面積が最小になるように配線を捩る、パターンを接近させて中央で配置を反転する)ことで影響を回避します。方向性もあるので、トランスを取り付ける方向を変えてみるのも最後の手段。

なお、漏れ磁束が小さいはずのトロイダルトランスは、2次巻線をきちんと整列させて巻くのが難しく、さらに低損失で抵抗ロスが小さいので充電電流のピークが大きくなり、大出力時にはかなり大きな磁束が漏れることが報告されています。トロイダルでも距離を離すことは必須。


ACラインは電圧も高いので、空間を通じての直接的な静電結合も問題となる場合があります。インピーダンスが数10kΩ以上になる部分は敏感なので、他の部品の陰にしたりして静電シールドが必要。

ACラインの配線が回路部に接近しないようにすれば普通は大丈夫ですが、心配な場合はACラインの外皮をシールドしてしまう手段もあります。(ACなので耐圧に注意が必要だが、上で紹介したLMV-186A/2chACミリボルトメーターでは機器内の1次配線にシールドを使っている。)

機器内部にACラインが露出していなくても、ケースで静電シールドされていない状態(プラスチックのケース等)では、室内のACラインからの誘導ノイズが発生します。
アルミのケースでもアルマイト処理で導通がない事も多く、天板を含めて全てのパーツがGNDに落ちている事を確認必要。

油断しがちなのが音量VRの軸で、金属の軸がGNDに落ちていないとVRノブに触るとハムが出ることがある。静電結合によるハムは高周波成分が主なので、電磁結合の「ブー」ではなくて、「ジー」という耳障りな音になるのが特徴です。


●改善するポイント(目的によって実現手段を選ぶ)

以上のように、問題が発生する所には必ず「原因」があり、その発生メカニズムによって有効な対策方法も変わります。

まずは基本的なルールを守って配線作業を行う、問題が出た場合は症状をじっくり確認し、原因が何かを追及して対策方法を検討します。やみくもに想像だけで対策すると効果がないばかりか当初の設計になかった余計な物がくっ付くことになります。

まずは「原因」を特定することが対策への最良の手段であり、その為には症状(ノイズの質、量、外部機器接続との関連性、変化を与えた時の応答、etc..)の分析能力を高める必要がある。

診断の第一歩は「耳で聞く」事で、50/60Hzのブー音なのか、整流波形や充電パルスのビー音なのか、静電結合のジー音なのか、白色ノイズのザー音なのか、信号が歪むのかで大体の混入経路は予想できます。

信号のリターン系の干渉で発振している場合、ノイズそのものは数100kHz以上なので耳では聞こえず、オシロとかミリバルでの観測が必要となります。その場合でも、音量VRを回したり、電源ON/OFF時に「ピュイン」とか「シュババ」とか変な音が聞こえる事もあるので、「発振かな?」と当りを付けることが出来ます。


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