古河泾清渭浊--如何完善高性能放大器的供电电源系统 Gyrator, CCS

大尾鱼

机壳接地方法不当可产生额外的地环噪音。
近日在下有机会参与了有关的讨论。此论题与本文有多少补充作用，更为方便起见，就将它主要部分移过来，供参考。

例图是在下现用的机壳接地方法。


Active  电源火线
Neutral 电源零线
Earth   电源地线
35A Bridge   35安整流桥(留意极向）
Chassis   机壳
Connect to Chassis 联接机壳
Power Supply Circuit  主机电源
Zero Volt Line           主机"地端＂
Insulated Connector  绝缘垫


此例图的出处：http://sound.westhost.com/earthing.htm

附原作者有关此机壳（机箱）接地方法注解的译文：

「地环破解器的工作原理是在地环中增加了阻抗。减少了环路的电流，进而破解环路。与电阻并联的电容将射频信号引接到机箱，这有助于防止射频干扰。最后，二极管桥堆是为事故电流提供通道。建议使用一个大规格，（35A）型的机箱，因为这将能够应付可能发生非常高的故障电流，而不会变成开路状况。留意桥堆的接线方法，两个AC端子合接一起，两个直流端子也合接一起。其他连接的方式会是危险的，切不可这样做。

在重大事故中，二极管桥堆中的一个（或多个）二极管可能会失效。失效的半导体（几乎）总是处于短路状态。只有当事故电流继续存在或者是连接导线被烧断，失效的半导体才会处开路状态。大电流的桥堆具有非常坚实的导体贯通性能，被击断变成开路的桥堆是非常罕见（至目前为止，我从没遇到过被击断变成开路的大功率桥堆）。桥堆的使用意味着正反两个极向都有两个并联的二极管，所以失去保护作用的可能性是非常小的。

如果使用地环破解器，將所有的音响输入和输出接口与机箱绝缘是至关重要。如果不是这样做的话，就会立马毁掉这个地环破解器，零电位直接地与机箱相通，没有获得任何好处。

通常在机箱电源插座的地线点与分电闸之间有一个1V RMS噪声电压。这个小电压，也许有0.2-0.5欧姆总阻抗，即会引至2～5安培回路电流，所有这些电流是流通在过机信号线的屏蔽层上。这足以造成的一种和普通音信非常相似的电压差，从而被放大器放大引起交流声。如果此电流是通过地环破解器10欧姆的电阻，它就会被降到小于200mA，在过机信号线上造成的电压差也就非常小，不再会引起可闻的交流声。

切不要將巿电的地线间接或绕行到机箱的集中（星状）接地点上。这样做的话，将会和机内的变压器抅成一个半环或全环回路。应尽可能选择合理的机箱集中接地点或变压器的摆位，以确保避免造成这种环路。这样做可能会相互矛盾，但是正确的接地方式，确保最大限度地减小交流声和最大程度的安全保护，通常应该不会是相互排斥的。两者都重要，而且两者都必须被兼顾于最终设计理念中。

地环破解器通常可以防止50Hz或60Hz的交流声窜入到音信中，如果听到的是100Hz或120Hz的交流声（这种交流声通常是较为清脆），那就是接错了电源线，是变压器感应形成的错频电流。大尾鱼拙译于2013年夏」

ADQ

结论的最后一句是：光纤是彻底避免任何接地回路的可选方案之一。

大尾鱼

Baluoya兄弟在点评问问题：
之前仿做过，只是桥没有那么大，也不知道有没有问题。

如7mu兄弟在另帖的解释很到位：
"实质上(35A)桥堆等效于两两对置并联的4支二极管，相当于单向70A的的限幅电路。
起效时10欧电阻作为直流小电流通道，0.1uf电容为交流通道，对置二极管作为大电流通道。
通常的意义是在二极管结电压以下的干扰由电阻和电容起作用泄放，当机内出现击穿险情的时候，大电流经由二极管流入大地，也迫使电网的保险装置断路。"

当回路电压达650mV时，桥堆开通。当发生事故出现大电流时，如果桥堆电流额值不够，触发电网保险装置断路的预设指标没能达到，从而延长了机壳的事故带电时间, 或本身被烧断失去保护作用。得小心！

baluoya

大尾鱼 发表于 2013-8-23 23:19
Baluoya兄弟在点评问问题：
之前仿做过，只是桥没有那么大，也不知道有没有问题。

大尾鱼兄：我这样理解对吗？

那它就是一个三重作用的装置：

1、电路中的交流残余成分通过0.1UF电容入地；

2、10欧电阻作为直流通道，是不是可以平衡机壳地的电位，消除比如麻手的感应电；

3、70A双向二极管，当然是最强防护了，可以避免意外发生。

7mu

baluoya 发表于 2013-8-24 08:29
大尾鱼兄：我这样理解对吗？

那它就是一个三重作用的装置：

细读大尾鱼前辈的译文，10R电阻和0.1uf电容并联，还有玄妙：环路阻断器，这就不只泄放的问题了。还需再理会。

大尾鱼

kenny 发表于 2013-8-21 18:25
不错的好帖。

不过根据本人的实做，场管（包括一切晶体管）的恒流源和电子管配套时有一点特别， ...

6BQ5五极管使用CCS两个例图。本电路的亮点是增益为125，输出阻抗为500欧姆，在90伏RMS时失真为0.25％。




(图片清晰度欠佳，抱歉！）

kenny

看见了，谢谢大尾鱼兄。我的意思是Gyrator的上管用五极管如何。五极管比三极管有更加优异的恒流特性。帘栅压可以考虑悬浮固偏。而且不会有晶体造成的一些目前我还说不明白的问题。光看THD只是一个方面。

大尾鱼

7mu 发表于 2013-8-24 08:54
细读大尾鱼前辈的译文，10R电阻和0.1uf电容并联，还有玄妙：环路阻断器，这就不只泄放的问题了。还需再理 ...

...还有玄妙：环路阻断器，这就不只泄放的问题了...


先分析下电阻(R)与电容(C)并联电路对不频率信号的阻抗(Z)

第一组: 观察阻抗Z

固定阻(10欧）并联容（0.1 uF)改变信号频率














第二组: 观察阻抗Z

A) 针对50 Hz 改变电阻，电容0.1u;不变。








B) 针对50 Hz 加大电容至1uF，电阻如上分别为5,10,20欧。







第三组阻抗Z

A) 1.0 MHz改变电阻







B)  1.0 MHz 改变电容 (假设这是个理想平直电容）






解除地环需要提升50Hz的阻抗。
要去除可能出现的高频率干扰波则需要降低阻抗将其引入地。
要了解50Hz的阻抗与什么相关，而高频的阻抗又与什么相关？观察阻抗Z的变化，结论就显而易见了。

大尾鱼

kenny 发表于 2013-8-24 13:18
看见了，谢谢大尾鱼兄。我的意思是Gyrator的上管用五极管如何。五极管比三极管有更加优异的恒流特性。帘栅压 ...

噢，Kenny 兄弟，在下理解有误，抱歉。
用胆五极管做CCS,如下图？

kenny

谢谢大尾鱼兄，这个还是不算用五极管做恒流源。真正恒流的是TL431的基准电压。

7mu

大尾鱼 发表于 2013-8-24 13:23
...还有玄妙：环路阻断器，这就不只泄放的问题了...

谢谢大尾鱼前辈的分析。如果按后面提及的二条，数值就不是一定定值在10R和0.1uf。
个人的看法，电阻可以用再大一点的数值，而C是大小并联组合。

大尾鱼

7mu 发表于 2013-8-25 06:22
谢谢大尾鱼前辈的分析。如果按后面提及的二条，数值就不是一定定值在10R和0.1uf。
个人的看法，电阻可以 ...

上述列举的Z值计算，仍取几个通常数值做例子。
参考值一般是，电阻5至20欧，电容0.1至1.0uF。不同大小的电容并联确有助于平直Z值。

7mu

大尾鱼 发表于 2013-8-25 07:20
上述列举的Z值计算，仍取几个通常数值做例子。
参考值一般是，电阻5至20欧，电容0.1至1.0uF。不同大小的 ...

还有一点可以再过细思考。
这个接地办法可能倾向于石机，如果以胆机的情形，可能要另外考量。

kenny

kenny 发表于 2013-8-24 16:10
谢谢大尾鱼兄，这个还是不算用五极管做恒流源。真正恒流的是TL431的基准电压。

看来大尾鱼兄更喜爱仙童。

就从原理来看，靠五极管实现恒流作用，同时上下管直流工作点牵扯最小的（指因上下管虽然理论上偏置在相同静态电流下，但因为实际特性差异而实际相互牵扯，毕竟不存在完全配对的管子），当属Mu-Stage，因其有单独泄流通道。



Mu-Stage可否改成Gyrator接法呢？值得试试。

7mu

7mu 发表于 2013-8-25 07:27
还有一点可以再过细思考。
这个接地办法可能倾向于石机，如果以胆机的情形，可能要另外考量。

粗浅之见：石机低阻抗运作而胆机高阻抗运作；所以胆机的搭配可考虑高阻形式，因在不同阻抗下，传输特性也有所不同。

7mu

在不同阻抗条件下，要保持相同的频率特性，有不同的RC组合。但我不能确定这种情况符不符合胆石差别。

大尾鱼

7mu 发表于 2013-8-25 17:06
在不同阻抗条件下，要保持相同的频率特性，有不同的RC组合。但我不能确定这种情况符不符合胆石差别。

这个地环计算图初看让人感到复杂。不过仔细看下，对7mu兄弟上边问题的思索可能有帮助。



Audio Source 前级
Audio Receiver 后级
Output Jack 输出插座
Input Jack 输入插座
Audio Cable 过机线

Zc是音频过机线的外套本身阻抗加上插座接触阻抗总和(total of audio cable sleeve impedance and jack contact impedance)。
Zx是被联接前级和后级的地环阻抗总和(total impedance in the ground connections between the source and the receiver)。
Gs是前级对地电势。
Gr是后级对地电势。
GX= Gs  -  Gr
Gc是地环电势或地环噪音，Gc= (Gx•Zc )/(Zc + Zx)
Va是前级在输出端点上的音频信号值。

Vr是后级输入端点上的音频信号值。地环电势是噪音成分，没有地环解除器的Vr=(Va+ Gc) 。

加入地环解除阻抗后，降低地环电势减少噪音：-Gc= (Zc + Zx )/(Zc + Zx +地环解除器阻抗)


• Zc （音频过机线的外套本身阻抗加上插座接触阻抗总和)，通常是落在200 至300 mΩ。音频过机线的外套本身阻抗一般在100 mΩ。高质量的插座接触阻抗一般是100 mΩ，而低等级的插座接触阻抗过高至1 Ω。
• Zx (被联接前级和后级的地环阻抗总和),一般在200 mΩ.
•地环解除器 Rgbk 的电阻是 5 至20 Ω。
• 如果Zc = 200 mΩ, Zx = 200 mΩ and Rgbk = 5 Ω：
-Gc (被减弱地环噪音）
=(Zc + Zx )/(Zc + Zx +地环解除阻抗)
=(200 mΩ + 200 mΩ)/ (200 mΩ + 200 mΩ + 5Ω)
=0.4 /5.4
= 0.074 即是 -23dB
即降低噪音23 dB，相当可观的降低噪音改善。

kenny

大尾鱼兄，多说说怎么用有源方式改善电源系统。

大尾鱼

回到本帖主题相关的恒流器CCS。

有位西人，名叫 Gary Pimm，是一位在Tectronix示波器公司工作了20多年的电子工程师，在西方DIY界颇为活跃，也正是这位仁兄于10多年前首次将TI的TL431作为基准恒压应用在五极胆管制作的恒流器, 见Kenny 兄弟第30楼的帖子。他认为: 胆管放大器中採用有源负载（CCS）相对于无源的屏极电阻负载有几大优势：1. 使胆完全处于Mu运行状态，2. 低失真，3. 大大提高了电源噪声抑制比。此西人在近6, 7 来, 却也十分热衷于耗尽型 MOSFET制作的CCS。耗尽型MOSFET与增强型（enhancement mode） MOSFET最大的差别是简易的单个电阻可作自偏，并处于常通(门偏置处于零)状态。


图左侧是耗尽型MOSFET，图右侧是增强型enhancement mode MOSFET
Supertex DN2540, IXYS 10M45S 都是耗尽型MOSFET。
IRF820是增强型 MOSFET。

下面是他的有关几只不同耗尽型MOSFET制作的CCS测量图。
纵座标是阻抗，横座标是频率。



(图片被压缩后变得蒙蒙胧胧，抱歉！）



暗蓝色线(靠图的下层)：DN2540 简易式CCS
浅明蓝色线(靠图的上层）:  DN2540 复式CCS
绿色线:  单只IRF820的 CCS
紧贴绿色线那条线:  单只IXYS 10M45S的CCS
红色线:  2G欧电阻
紫色线:  本测量硬件的最大敏感上限

kenny

那大尾鱼兄，增强型MOSFET如何做串叠恒流源呢？