GNDの配線方法  2、効果的な対策法
 

ここでは、問題点を確認した次のステップとして、干渉経路を把握して効果的な対策をする為の方法について検討します。


●干渉の経路を正しく見分けなければ物量対策も効果がない

下の写真はKRELL KMA-100の内部です。(「オーディオの足跡」から引用しました。)
電源整流平滑部の配線として、アルミ板を直接ケミコンのGND端子にネジ止めしています。

2mm厚のアルミならこの寸法で10μΩ程度の抵抗になり、かなりの物量を掛けた構造ではありますが、1点アースが目的なら写真のようにケミコンのネジ端子から別々に配線を取り出してしまっては何にもなりません。(10Aで10μΩなら100μVものリプル電圧が混入する)
KRELLの意図は、単に整流ダイオードの放熱板をGND配線と兼用したいだけなのでしょう。




製作記事などで見られるGND部分の配線には、右のような物も時々見られます。

1つ目は電源トランス側のGNDリターンとアンプ出力側のGNDリターンを別々に分けた物。
何となく右側へ戻る電源の充電電流と左側のラインは分離された気分になりますが、C1からC2へ抜ける電流は左側の線も通るのでその効果はほんのわずか。何もしないよりは「まし」ですが、配線を追加した手間とコスト増加に見合うかといえばNO。


2つ目の整流Diブリッジを上下巻線で分けたのが下側の図。
こちらはC1とC2のGND配線結合部には整流後の充電電流は流れないので、一定の効果はあります。(メーカー品でもここを分離したのを売りにしているアンプがありました。)

しかし、アンプ出力に必要な電流はGND中点を通るので、SEPPの半波整流波形の汚い電流が流れているのは同じ。わざわざダイオードを2倍にしてコストも性能(損失と電圧低下が倍になる)も劣化させてまでやる必要はないと思われます。

干渉の経路はそこではなく、別な所にあるのです。 もっと簡単でシンプルに根本的な改善が出来るのに、なぜそれをやらないのか不思議です。

●電流経路と信号Gを干渉させない。同じ電流でも「汚い」電流に特に注意

私の考える「正解」を書きます。
下の図で、赤いラインはSEPPの「半波整流波形の汚い電流」が流れるライン。
ここからまず、負荷抵抗(出力端子)を引き出す緑のラインを1本だけ取ります。(”1本だけ”が重要)
接続するポイントは赤いライン上のどこでも良い。「接続した点」が出力/GND電位を決める。

緑のライン上はすでにSEPPの電流が合成されてきれいな正弦波になっているので、線材の抵抗による電位差は歪やノイズにはならず、単なるゲイン誤差にしかなりません。
さらに電源トランスからの充電電流に対しては、赤のラインにいくらリプル電流が流れていても緑のラインには全く影響がありません。たったこれだけの事で完全に電源リプルをGNDから分離できるのです。

この緑のライン上の任意の点に信号GNDとNFBの帰還ポイントを1カ所だけ取り出せば、この接続ポイントが最終的なGND電位と出力信号電位となります。つまり、「きれいな電流」のラインを作って、GNDはそこに繋げばよい。「汚い電流」のラインをGNDに繋ぐと汚い電圧が混入してしまう。

要するに大電流のループはGNDから浮かせて一度完全に閉じた回路を完結させ、その中の1点から基準電圧を引き出してGNDに繋ぐ。大電流ラインに対しては「1点アース」は必須で、複数点からGNDに繋がると必ずGNDへ電流が流れ込んでしまうのです。GNDに電流を流してはいけない。

緑の線の抵抗成分で大電流ラインとの接続ポイントや実際の出力端子(out_P/out_N)とは微妙に電位差が生じますが、これはSPKケーブルの長さで電圧降下が生じるのと同じで、歪みやノイズにはならない。

赤い部分の配線材の太さは最大電流を流すのに必要な定格があれば十分で、電解Cのインピーダンスより十分小さければOK。必要以上に太い線を使っても大した効果はありません。

電源系統が複数ある(例えばプリ段用に別の巻線を使う)場合も、電流ループを一度閉じたうえでパワーGND部から1点で基準GNDへ接続することで共通インピーダンスの影響を最小限に出来ます。


なお、出力端子のGND側とアンプNFB回路の信号GNDを繋ぐ線は、電流は少し(2V入力で20mA)しか流れないが、線が長くなりがちなのでAWG20程度の太さは確保したい。(全長で10mΩ以下)
ここに流れる電流による 影響は、20mAでの電圧降下(0.2mV以下)が出力(20V)に加算されるだけ。入力信号と同じきれいな電圧なので、ゲインが0.001%増えるだけです。

理想論で言えば、NFB抵抗(R2, R3)に流れる電流も一つのループなので、入力信号源のGND側を繋ぐラインはR3のGND側基準点(緑のラインからGND電位を取り出した1点)に接続するべきですが、そうすると入力端子のGNDをパワー段の大電流ラインまで引き回すことになり、アンプの入力信号側のループが大きな磁界にさらされます。
これによる弊害とゲインが0.001%増える事の影響を比較すれば、どちらが良いかは明白。

つまり、「GNDに流してはいけない」のは「汚い電流」であって、きれいな電流なら少しは許されるのです。初段から電圧増幅段までの回路の中で何ヶ所かはGNDに繋ぐ部分が出てきますが、それを全部「電流ループを完結させてから1点アース」する必要はなく、数mAのきれいな電流ならブロック内のベタアースに最短距離で落とすのが良い。


●電源パスコンのGND処理方法

「1、問題の本質は何か?」の中でパスコンのGND側配線の問題を取り上げました。
電源パスコンをデカップリングなしに信号GNDに繋ぐと、電源を通じて汚いラインのリプルが流入してしまいます。これに対する対策は次の2つが基本。

1、電源パスコンのGND側リターンは電源の大元へ戻し、信号GNDには接続しない。
2、さらに、電源ラインのリプルが回路へ流入するのを阻止する為のフィルタを設ける。

下の回路図は、パワーアンプの電源部とGNDとの接続を説明する為の例です。
黒は信号GND、赤は汚い電流の流れるパワーGND、緑はきれいな出力大電流の流れるライン。


電圧増幅段の電源は、大出力時の電源リプルを避けるために一旦470uFにピーク電圧を保持してリプルを0.2Vp-pに抑えた後に簡単な能動フィルタを通してさらに1/100にリプルを除去しています。これをしないと電源リプルが出力に1μV以上漏れてしまう。

電源元の470uFのGNDをパワーGNDに繋ぐのは当然ですが、リプルフィルタの100uFのGNDも直接信号GNDには落とさずに大元の信号GNDを引き出した近傍に接続する必要があります。
信号GNDには汚い電流は0.1mAも流してはいけない。(配線抵抗が10mΩあれば1mAで10μVのノイズが加算されてしまう。)

この回路の場合、+電源側(Q12)は負荷が定電流なのでパスコンは必要なし、-電源側(Q13)はQ6のエミッタ電流が変動するのでパスコンを入れたくなります。その場合はQ6コレクタ電流のリターン経路は出力Trのベースを通って出力-側になるので、C7のGND側にパスコンを繋ぐのが正しい。
Q6の電流は歪を含んでいるのであまりきれいではなく、信号GNDには流さない方が良い。

回路的に信号GND内で電流ループを完結させる場合は、上の回路のリプルフィルタ(Q11, Q12)のベースにもう1段CRフィルタを追加し、2段目のベース側パスコンと出力(エミッタ側)のパスコンを信号GNDに落とす。CRフィルタを1段通過した後ならGNDへのリプル流入は十分に小さく出来ます。


●GNDや信号線とのループ(空間的な電磁結合)対策のポイント

この写真は、LUXMANのB-1000fという巨大なパワーアンプの電力部の配線です。
(http://www.luxman.co.jp/product/b-1000f より引用)

一見、銅板のブスバーを用いて電源供給インピーダンスを極端に小さくしているように見えますが、この配線には大きな欠点があります。
それは、「電流のリターン経路」の配慮がなく、電流ループが大きく開いている点です。

配線を見ると、パワーGNDと電源±の3本を重ね合わせてループ面積を小さくしようとしている意図が感じられます。
しかし、このブスバーには電流のリターン経路が入っていない。GNDには出力電流は流れず、±電源からの電流は全く別の経路(出力端子への配線)を通り、電源平滑部の中央のビスへ戻ってくる。

出力段の基板の配線も同様で、電源±の銅板とアンプ出力のブスバーは離れており、大きな面積のループが出来ています。

電流ループの面積を小さくするには、このGNDブスバーをアンプ出力電流リターンに使うのが正しい。
電源平滑部の中央に戻ってきた所で電源GNDとショートするが、この直前で切り離して出力端子へ接続する(GNDとペアで配線する)ことでループ面積を最小に出来るのです。

これを回路図で示したのが右図。

出力段の配線は電源とエミッタ抵抗(出力電流)をペアにして、なるべく早くNPN/PNPを合流して「きれいな」電流波形にし、±電源との3本セットで戻す。
NPN/PNPの出力Trに流れる電流は半波波形の非常に汚い電流なので、なるべく近くに置いて早く合流させることが重要。複数並列にする場合はNPN/PNPを交互に並べると良い。

アンプ出力端子への配線もGND側は±電源との3本セットが必要。従って、アンプの出力端子への配線の分岐点には必ず出力段への±電源の配線がペアになる。
電源の電流は出力Trに流れる電流と同じで汚いが、±を合わせると出力と同じ正弦波になるので±電源の配線は必ずペアで引き回さなければならない。

これらの配慮は、妨害磁束の発生を減らすと共に配線の浮遊インダクタンスを減らし、電源インピーダンスを下げる効果もあります。
なお、パワー段の電源にパスコンを入れる場合は、そのGND側のリターンはパワーGNDなので、その為のGND配線追加が必要。

電源の整流平滑部も、電流の戻るルートと必ずセットで一つにまとめて充電の大パルス電流のループを減らす。3本を撚り合せるとさらに磁束放射を減らすことが出来ます。

NFBと信号GNDの配線も、出力端子への分岐点で直ちにペアにして撚り合せることで大電流からの電磁誘導を減らせます。汚い電流のエミッタ抵抗から遠ざける事も必要。


●妨害を出す側と受ける側の両方で配慮が望ましい

GNDの共通インピーダンスやパスコンの電流は、「発生部位」で対策出来るが、電磁結合の場合は完璧な対策はできないので、出す側と受ける側の両方で丁寧に対策することが必要です。
(発生源で1/10にして、受ける側で1/10にすれば妨害レベルは掛け算で1/100にできる。)

配線のループ面積は部品サイズや取り回しの都合でゼロには出来ず、受ける側も部品配置での限界もある。一方で配慮したつもりでも、意図せずに垂れ流しの部分があるとシャーシの中を駆け巡ってどこかで漏れてきてしまいます。大電流ラインは必ずリターン配線とペアにしてループ面積を減らし、できれば撚り合せることが望ましい。


●1点アースとベタアースどちらも万能ではない。目的が何かを見極めること

1点アースの利点:大電流経路に対し、配線抵抗による電位差の影響を避けられる
 欠点:GND点が多数の場合には配線が長くなり、GNDインピーダンスが上昇する

ベタアースの利点:最短距離で繋ぐことによりGNDインピーダンスを下げられる。高周波で有利。
 欠点:大電流のループがある場合は抵抗分による干渉が大きくなる。

つまり、大電流の流れる部分は必ず他と分離して1点アースで基準電位を明確化し、小電流で小信号の部分は回路ブロックごとのベタアースで高周波インピーダンスを下げる。方法論にはこだわらないで両者の良い所を活用すべきです。

回路全体の信号の流れを把握して、入力信号の基準点はどこか、NFBの基準点とGND接続点はどこになるかを明確化し、信号電流のリターンが干渉しないように各ブロックのGNDの接続順序を決める。
大抵は最終のパワー段基準GNDから次第に枝分かれして行き、最後に信号の入力部でシャーシと繋がるのがセオリーです。


●GNDループに対する注意点

GNDや普通の信号線も含めて、全ての配線にはその抵抗分と流れる電流の掛け算で電圧が発生します。従ってアースに電流を流さなければ、GND電位はどこも同じはずです。
その意味では「電流ループに共通インピーダンスを持たない」なら多点でアースしても問題はない。

しかし、周囲に有害な磁束が存在すると話は別。ループ面積を通過する磁束の量に比例して「何もない」所に起電力が発生し、電流ループが閉じられていると電流が流れる。これは多点でシャーシアースした時も同じで、シャーシに誘導電流が流れます。
アルミシャーシのフレームその物が大きなループとなる場合もあるので、「シャーシには誘導電流が流れている物」と思った方が良い。したがって、シャーシでGNDの配線を兼用させようとするのはNG。

同様に、一つの回路ブロックのベタアースのパターンを周囲を1周回ってループにするのもNG。
数mm厚の分厚い銅板ならショートリング効果で磁束の侵入を防げますが、薄い銅箔や単なる線ではその効果は期待できない。
信号ラインをGNDに沿わせてループ面積を小さくしていても、GNDが大きなループになっていると誘導電流の電圧降下で信号と電位差が発生してしまう。GNDのループを切っていれば誘導電流は流れないので、周囲の磁束による誘導電圧は信号とGNDの両方のラインに同じだけ発生し、受ける側では打ち消されるのです。



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