Reduzierung des Gleichtaktrauschens der Versorgungsschiene bei Audioanwendungen
24. November 2020 von Ron Stull – Lesezeit: 6 Minuten
In der Welt der Audioverstärkung in professionellen und privaten Umgebungen erwarten wir, dass störende Hintergrundgeräusche im Wesentlichen nicht vorhanden sind. Das „Brummen“ und „Zischen“ des Netzes durch zufällige Geräuschquellen und das „Summen“ durch periodische hohe Frequenzen, die von Schaltkreisen erzeugt werden, sind alle nicht zulässig, können aber schwierig zu beseitigen sein. Der digitale Ton hat das Problem nicht verschwinden lassen, da er irgendwo von einer analogen Quelle ausgeht (vielleicht einem Mikrofon oder einem Instrument), sodass jedes unerwünschte Signal am vorderen Ende originalgetreu wiedergegeben wird, sei es ein Husten des Publikums oder ein Netzbrummen von einer schlecht geregelten Versorgungsschiene.
In modernen Audiogeräten muss das Gleichtaktrauschen gering sein
Toningenieure kennen die verschiedenen Techniken zur Reduzierung des elektrischen Rauschens durch Abschirmung, symmetrische Leitungen, sorgfältige Erdung und Filterung von Gleichstromversorgungsschienen sehr gut, aber ein Bereich, der oft problematisch ist, ist die Aufnahme von Gleichtaktstörungen. Gleichtaktquellen fügen Rauschen zur Audioleitung und dem Rücklauf hinzu, die auf eine lokale Masse bezogen sind. Die Masse kann ihrerseits durch unbestimmte Wechsel- und Gleichspannungspegel von der wahren Masse versetzt sein. Audioverstärker können das Gleichtaktsignal bis zu einem gewissen Grad abweisen – mit ihrem sogenannten Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (Common Mode Rejection Ratio, CMMR). Ein Wert von 60 dB wird als typische Leistung angesehen – die unerwünschte Spannung wird durch einen Faktor von 1.000 reduziert und dann als ein akustisches Differenzialsignal auf dieser Ebene angezeigt. Das mag zwar gut erscheinen, aber wir erwarten selbst bei Home-Entertainment-Systemen einen Dynamikbereich von etwa 100 dB, sodass eine 1-V-Gleichtaktspitze neben einem maximalen 1-V-Differenzsignal ein Knistern erzeugt, das 40 dB beträgt oder 100 Mal lauter ist als das leiseste Nutzsignal.
Während Gleichtaktgeräusche von strahlenden Quellen aufgenommen werden können, leisten Gleichstromversorgungsschienen einen Hauptbeitrag zu den Audioschaltkreisen. Da die Sorge besteht, dass Erdschleifen bei Audioanwendungen ihre eigenen Probleme verursachen, ist es üblich, dass die Versorgungsschienen in der Nähe eines Audiovorverstärkers nicht mit einer festen Masse verbunden sind, sodass Gleichtaktstörungen auf der Versorgungsschiene auftreten können. Aus Effizienz- und Größengründen werden die Gleichstromversorgungsschienen routinemäßig von Schaltnetzteilen (Switched-Mode Power Supplies, SMPS) erzeugt – selbst wenn ihnen lokale Linearregler nachgeschaltet sind, tun diese nichts, um das vom Schalter erzeugte Gleichtaktrauschen zu dämpfen, und Brummen oder Summen kann die Folge sein.
Ursprünge von Gleichtaktrauschen
Warum erzeugt ein SMPS Gleichtaktrauschen? Der Effekt wird durch schnelle Spannungsänderungen an Schaltknoten in der Schaltung verursacht, wodurch Strom durch Streukapazitäten in die lokale Eingangs- und/oder Ausgangsmasse bzw. Netzrückleitung gepumpt wird und die Verbindung aufgrund ihrer Eigenimpedanz einen Spannungssprung macht. Ein typischer Pfad ist in Abbildung 2 in einem umrissenen Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler dargestellt, bei dem der Drain des Schalttransistors Q1 zwischen 0 V und mehreren hundert Volt bei hoher Frequenz schaltet. Der Kondensator C1 koppelt Stromimpulse in den Kühlkörper Q1 ein, der häufig geerdet ist, wodurch Strom in das Wandlerchassis fließt. Der Kondensator C2 erlaubt auch Stromspitzen in den Sekundärkreis, die auf einem unbestimmten Weg über eine externe Streukapazität oder Masseverbindung zurückfließen können. Dies ist der Strom, der direkt zu Gleichtakt-Ausgangsspannungen führt. Aufgrund der Wirkung des Netzbrückengleichrichters kann eine gleichmäßige Netzfrequenz Gleichtaktströme durch C2 induzieren. Wenn Sie die primäre Gleichstromschiene des Schaltnetzteils (positiv oder rückfließend) in Bezug auf die Masse des Chassis messen, können Sie eine Halbsinus-Netzspannung sehen, die den Strom durch C2 zwingt und so zu einer potenziellen Quelle von Gleichtaktspannung und Brummen wird.
Es liegt auf der Hand, dass es wichtig ist, den Strom in Streukapazitäten zu vermeiden, und es können Schritte zu seiner Minimierung unternommen werden, wie z. B. das Hinzufügen eines geerdeten Schirms in den SMPS-Transformator. Dies kann jedoch das Erreichen von Sicherheitsabständen erschweren und ist insbesondere bei Ringkerntransformatoren oft physikalisch nicht praktikabel. Gleichtaktdrosseln können in Stromleitungen eingesetzt werden, verschlechtern jedoch die Regulierung und können das Problem einfach an eine andere Stelle verlagern, wodurch der Strom blockiert, aber eine Spannung erzeugt wird. Die Minimierung der Kapazität zwischen den Wicklungen des Transformators durch Vergrößerung des Abstands ist effektiv, führt jedoch in der Regel zu einer zusätzlichen Streuinduktivität, einer Verschlechterung des Wirkungsgrads und einer erhöhten Belastung der Komponenten.
Lokale DC/DC-Wandler können eine Lösung sein
Der Kern des Problems ist die Größe der Leckagekapazität, die bei größeren Systemnetzteilen im Bereich von Hunderten von pF liegen kann. Eine elegante Lösung ist die Verwendung eines separaten isolierten DC/DC-Wandlers mit besonders geringer Kopplungskapazität, der von einer Systemspannung gespeist wird. Dieser Ansatz ermöglicht den relativ geringen Strombedarf des empfindlichen analogen Audioschaltkreises. Ein isolierter DC/DC-Wandler mit einer typischen Kopplungskapazität von 10 pF oder weniger kann den Gleichtaktstrom auf einem sehr niedrigen Niveau halten. Die ursprünglich vorgesehene Anwendung für solche Wandler ist die Versorgung von Gate-Treibern, wobei die geringe Kapazität Immunität gegen die hohen dV/dt-Pegel in Hochseitentreibern bietet. Alternativ können potenziell viele kleinere regulierte und unregulierte isolierte DC/DC-Wandler verwendet werden, deren Koppelkapazität deutlich geringer ist als bei größeren AC/DC-Versorgungen.
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Ron Stull
Seit Ron Stull 2009 zu CUI kam, hat er eine Reihe von Kenntnissen und Erfahrungen in den Bereichen der analogen und digitalen Stromversorgung sowie der AC/DC- und DC/DC-Energieumwandlung gesammelt. Er spielt eine Schlüsselrolle im Engineering-Team von CUI, mit Verantwortlichkeiten wie Anwendungsunterstützung, Test und Validierung sowie Design. Außerhalb der Energietechnik spielt Ron Gitarre, joggt und unternimmt mit seiner Frau Ausflüge in die Natur. Sie haben vor, alle US-Nationalparks zu besuchen.