Файл: Audio Power Amp Design Handbook.pdf

Grounding and practical matters

resistance across which signal currents will cause unwanted voltage-drops.
The best method is to keep ground currents apart by means of a suitable
connection topology, such as a separate ground return to the Star Point for
the local HT decoupling, but when this is not practical it is necessary to
make every ground track as thick as possible, and fattened up with copper
at  every  possible  point.  It  is  vital  that  the  ground  path  has  no  necks  or
narrow sections, as it is no stronger than the weakest part. If the ground
path  changes  board  side  then  a  single  via-hole  may  be  insufficient,  and
several  should  be  connected  in  parallel.  Some  CAD  systems  make  this
difficult, but there is usually a way to fool them.

Power  amplifiers  rarely  use  double-insulated  construction  and  so  the
chassis and all metalwork must be permanently and solidly grounded for
safety;  this  aspect  of  grounding  is  covered  in  Chapter  15.  One  result  of
permanent chassis grounding is that an amplifier with unbalanced inputs
may appear susceptible to ground loops. One solution is to connect audio
ground to chassis only through a 10 ! resistor, which is large enough to
prevent  loop  currents  becoming  significant.  This  is  not  very  satisfactory
as:

!

The audio system as a whole may thus not be solidly grounded.

!

If  the  resistor  is  burnt  out  due  to  misconnected  speaker  outputs,  the
audio circuitry is floating and could become a safety hazard.

!

The RF rejection of the power amplifier is likely to be degraded. A 100 nF
capacitor across the resistor may help.

A  better  approach  is  to  put  the  audio-chassis  ground  connection  at  the
input connector, so in Figure 14.1, ground-loop currents must flow through
A–B to the Protected Earth at B, and then to mains ground via B–C. They
cannot flow through the audio path E–F. This topology is very resistant to
ground-loops,  even  with  an  unbalanced  input;  the  limitation  on  system
performance in the presence of a ground-loop is now determined by the
voltage-drop in the input cable ground, which is outside the control of the
amplifier designer. A balanced input could in theory cancel out this voltage
drop completely.

Figure 14.1 also shows how the other grounding requirements are met. The
reservoir charging pulses are confined to the connection D–E, and do not
flow E–F, as there is no other circuit path. E–F–H carries ripple, etc. from
the local HT decouplers, but likewise cannot contaminate the crucial audio
ground A–G.

Ground loops: how they work and how to deal with them

A ground loop is created whenever two or more pieces of mains-powered
equipment are connected together, so that mains-derived AC flows through
shields and ground conductors, degrading the noise floor of the system. The
effect is worst when two or more units are connected through mains ground

405

Audio Power Amplifier Design Handbook

as well as audio cabling, and this situation is what is normally meant by the
term ‘ground loop’. However, ground currents can also flow in systems that
are not galvanically grounded; they are of lower magnitude but can still
degrade the noise floor, so this scenario is also considered here.

The ground currents may either be inherent in the mains supply wiring (see
‘Hum injection by mains grounding currents’ below) or generated by one
or  more  of  the  pieces  of  equipment that make up the audio system (see
sections  ‘Hum  injection  by  transformer  stray  magnetic  fields’  and  ‘Hum
injection by ‘transformer stray capacitance’ below).

Once flowing in the ground wiring, these currents will give rise to voltage
drops that introduce hum and buzzing noises. This may occur either in the
audio interconnects, or inside the equipment itself if it is not well designed.
See section ‘Ground currents inside equipment’, on p. 410.

Here I have used the word ‘ground’ for conductors and so on, while ‘earth’
is reserved for the damp crumbly stuff into which copper rods are thrust.

Hum injection by mains grounding currents

Figure 14.2 shows what happens when a so-called ‘technical ground’ such
as a buried copper rod is attached to a grounding system which is already
connected to ‘mains ground’ at the power distribution board. The latter is
mandatory both legally and technically, so one might as well accept this
and denote as the reference ground. In many cases this ‘mains ground’ is
actually  the  neutral  conductor,  which  is  only  grounded  at  the  remote
transformer substation. AB is the cable from substation to consumer, which
serves many houses from connections tapped off along its length. There is
substantial current flowing down the N + E conductor, so point B is often
1  volt  rms  or  more  above  earth.  From  B  onwards,  in  the  internal  house
wiring, neutral and ground are always separate (in the UK, anyway).

Two pieces of audio equipment are connected to this mains wiring at C and
D, and joined to each other through an unbalanced cable F–G. Then an ill-
advised connection is made to earth at D; the 1 V rms is now impressed on
the  path  B–C–D,  and  substantial  current  is  likely  to  flow  through  it,
depending on the total resistance of this path. There will be a voltage drop
from C to D, its magnitude depending on what fraction of the total BCDE
resistance is made up by the section C–D. The earth wire C–D will be of
at least 1.5 mm

2

cross-section, and so the extra connection FG down the

audio cable is unlikely to reduce the interfering voltage much.

To get a feel for the magnitudes involved, take a plausible ground current
of  1 amp.  The  1.5 mm

2

ground  conductor  will  have  a  resistance  of

0.012 !/metre, so if the mains sockets at C and D are one metre apart, the
voltage C–D will be 12 mV rms. Almost all of this will appear between F
and G, and will be indistinguishable from wanted signal to the input stage

406

Figure 14.2

The pitfalls of adding a ‘technical ground’ to a system which is already grounded via the mains

Audio Power Amplifier Design Handbook

of  Unit  2,  so  the  hum  will  be  severe,  probably  only  30 dB  below  the
nominal signal level.

The best way to solve this problem is not to create it in the first place. If
some  ground  current  is  unavoidable  then  the  use  of  balanced  inputs  (or
ground-cancel outputs – it is not necessary to use both) should give at least
40 dB of rejection at audio frequencies.

Figure 14.2 also shows a third earthing point, which fortunately does not
complicate  the  situation.  Metal  water  pipes  are  bonded  to  the  incoming
mains  ground  for  safety  reasons,  and  since  they  are  usually  electrically
connected to an incoming water supply current flows through B–W in the
same  way  as  it  does  through  the  copper  rod  link  D–E.  This  water-pipe
current does not, however, flow through C–D and cannot cause a ground-
loop problem. It may, however, cause the pipes to generate an AC magnetic
field which is picked up by other wiring.

Hum injection by transformer stray magnetic fields

Figure 14.3 shows a thoroughly bad piece of physical layout which will
cause ground currents to flow even if the system is correctly grounded to
just one point.

Here Unit 1 has an external DC power supply; this makes it possible to use
an inexpensive frame-type transformer which will have a large stray field.
But  note  that  the  wire  in  the  PSU  which  connects  mains  ground  to  the
outgoing  0 V  takes  a  half-turn  around  the  transformer,  and  significant
current will be induced into it, which will flow round the loop C–F–G–D,
and  give  an  unwanted  voltage  drop  between  F  and  G.  In  this  case
reinforcing the ground of the audio interconnection is likely to be of some
help, as it directly reduces the fraction of the total loop voltage which is
dropped between F and G.

It  is  difficult  to  put  any  magnitudes  to  this  effect  because  it  depends  on
many imponderables such as the build quality of the transformer and the
exact physical arrangement of the ground cable in the PSU. If this cable is

408

Figure 14.3

Poor cable layout in
the PSU at left wraps a
loop around the
transformer and
induces ground
currents

Grounding and practical matters

rerouted to the dotted position in the diagram, the transformer is no longer
enclosed in a half-turn, and the effect will be much smaller.

Hum injection by transformer stray capacitance

It  seems  at  first  sight  that  the  adoption  of  Class  II  (double-insulated)
equipment  throughout  an  audio  system  will  give  inherent  immunity  to
ground-loop problems. Life is not so simple, though it has to be said that
when such problems do occur they are likely to be much less severe. This
problem afflicts all Class II equipment to a certain extent.

Figure 14.4 shows two Class II units connected together by an unbalanced
audio  cable.  The  two  mains  transformers  in  the  units  have  stray
capacitance  from  both  live  and  neutral  to  the  secondary.  If  these
capacitances were all identical no current would flow, but in practice they
are not, so 50 Hz currents are injected into the internal 0 V rail and flow
through the resistance of F–G, adding hum to the signal. A balanced input
or ground-cancelling output will remove or render negligible the ill-effects.

Reducing  the  resistance  of  the  interconnect  ground  path  is  also  useful  –
more so than with other types of ground loop, because the ground current
is  essentially  fixed  by  the  small  stray  capacitances,  and  so  halving  the
resistance  F–G  will  dependably  halve  the  interfering  voltage.  There  are
limits to how far you can take this – while a simple balanced input will give
40 dB of rejection at low cost, increasing the cross-sectional area of copper
in the ground of an audio cable by a factor of 100 times is not going to be
either  easy  or  cheap.  Figure  14.4  shows  equipment  with  metal  chassis
connected to the 0 V (this is quite acceptable for safety approvals – what
counts  is  the  isolation  between  mains  and  everything  else,  not  between
low-voltage circuitry and touchable metalwork); note the chassis connec-
tion, however, has no relevance to the basic effect, which would still occur
even if the equipment enclosure was completely non-conducting.

The  magnitude  of  ground  current  varies  with  the  details  of  transformer
construction, and increases as the size of the transformer grows. Therefore
the more power a unit draws, the larger the ground current it can sustain.
This is why many systems are subjectively hum-free until the connection of

409

Figure 14.4

The injection of mains
current into the ground
wiring via transformer
inter-winding
capacitance