พื้นฐานระบบกราวด์

โดย Mr.K

      นำสาระจากกระทู้ดีๆในเว็บ www.diyaudio.com เกี่ยวกับเรื่องระบบกราวด์ในเครื่องเสียง ว่ามีเทคนิคอย่างไร
อะไรคือปัญหาระบบ Ground ในเครื่องเสียง เป็นแนวทางการศึกษาเพื่อแก้เสียงฮัม เสียงจี่ หรือแม้แต่แก้การออสซิลเลท
ผมอาจไม่ได้แปลเนื้อหาทั้งหมดของผู้เขียนออกมานะครับแต่จะอธิบายตามความเข้าใจเป็นการส่วนตัว หวังว่าจะมีประโยชน์ต่อผู้ที่กำลังศึกษาไม่มากก็น้อย
ขอบคุณเครดิตที่มาของข้อมูลและรูปภาพ  http://www.diyaudio.com/forums/power-supplies/115698-understanding-star-grounding.html

รูปที่1 การกราวด์เพาเวอร์แอมป์ระบบโมโน และ ตัวอย่างการเชื่อมต่อสายสัญญาณมาตรฐาน

   จากรูปที่1โดยปกติระบบกราวด์ภายในเครื่องเพาเวอร์แอมป์แบบ Mono มักจะไม่ใช่ปัญหาหลัก
แต่ปัญหาส่วนใหญ่ในระบบกราวด์มักเกิดจากระบบ หรืออุปกรณ์ที่นำมาเชื่อมต่อทางสายสัญญาณ
และ ระบบสายดิน ที่อาจจะก่อให้เกิดปัญหาเรื่องกราวด์ลูป และสัญญาณรบกวนได้ในภายหลัง

   การเชื่องต่อแบบ Unbalance สาย RCA จะมีตัวนำ 2 เส้นคือสายสัญญาณ(Signal) และสาย ชิลด์ โดยสายชิลด์จะทำหน้าที่เป็น Signal Return ด้วย
แต่หากเราใช้สายสัญญาณแบบบาลานซ์ จะใช้สายชิลด์เป็นตัวห่อหุ้มกันสัญญาณรบกวนเพียงอย่างเดียว และสายสัญญาณอีกเส้นทำหน้าที่เป็น Signal Return 

รูปที่2 ตัวอย่างการกราวด์ในเพาเวอร์แอมป์ระบบสเตอริโอที่ไม่ถูกต้อง

รูปที่3 ปัญหาการกราวด์ในระบบสเตอริโอที่ไม่ถูกต้อง

   จากรูปที่2 เป็นการเดินระบบกราวด์ในเพาเวอร์แอมป์แบบสเตอริโอที่ทำได้ไม่ดีนัก อธิบายได้ในรูปที่ 3
เพราะเมื่อมีการเชื่อมต่อสายสัญญาณระหว่างเพาเวอร์แอมป์กับแหล่งสัญญาณแล้ว
สายสัญญาณที่มีชิลด์เป็นกราวด์ภายในทั้งสองเส้นจะทำให้เกิดการกราวด์ลูปขึ้น
อาการกราวด์ลูปแบบนี้ปัญหาจะไม่เกิดหาก ยังไม่มีการเชื่อมต่อ หรือการเชื่อมต่อใช้งานพียงข้างใดข้างหนึ่ง
แต่เมื่อต่อสายสัญญาณครบทั้งสองข้างอาจพบปัญหาอาการฮัมจากกราวด์ลูปเป็นต้น

รูปที่ 4 การกราวด์เพาเวอร์แอมป์ 3 แชนแนล

     เพื่อป้องกันปัญหากราวด์ลูปจากการเชื่อมต่อกับแหล่งสัญญาณ สามารถทำได้ดังรูปที่4
ตัวอย่างนี้สามารถนำไปประยุกต์ใช้กับเพาเวอร์แอมป์ตั้งแต่ 2 แชนแนลขึ้นไป
โดยใช้วิธีเชื่อมต่อกราวด์อินพุตทั้งหมดให้ถึงกัน เพื่อตัดช่องทางไม่ให้ Signal Ground เข้าไปกวนกับกลุ่ม Power Ground
ซึ่งเป็นที่มาของสัญญาณรบกวนจากกราวด์ลูปดังตัวอย่างในรูปที่ 3 แล้วใช้ Ground Track วงจรเพาเวอร์แอมป์เพียง 1 ข้างในการเชื่อมต่อ
วิธีนี้อาจยังไม่ดีนักเพราะเราใช้ Ground Track จากวงจรเพาเวอร์แอมป์เพียงข้างใดข้างหนึ่ง
แต่ในกรณีที่ออกแบบ PCB ให้วงจรเพาเวอร์แอมป์ทั้งหมดอยู่บนแผ่น PCB เดียวกัน อาจมี Track ที่ Common Ground ร่วมกันอยู่แล้ว
และอาจมีทางเลือกในการออกแบบไม่มากวิธีนี้ก็เป็นอีกทางเลือกที่น่าพอใจ

รูปที่ 5 การกราวด์เพาเวอร์แอมป์ 3 แชนแนล

       จากรูปที่ 5 เป็นตัวอย่างทางเลือกการกราวด์ที่ดีในการออกแบบระบบกราวด์ในเพาเวอร์แอมป์
โดยแยกสายกราวด์สำหรับ Signal จาก Star Ground โดยอิสระ เป็นวิธีแก้ปัญหาระบบกราวด์ที่ดีกว่าตัวอย่างข้างต้นทั้งหมด

 ข้อสังเกต: การเดินระบบกราวด์ภายในเครื่องจะมี Break Resistor ก่อนที่จะต่อกราวด์ลงแท่นเครื่อง หรือ Chassis
ค่าความต้านทาน 6 โอห์มเป็นค่าสมมุติ การใช้งานจริงสามารถเลือกความต้านทานค่าอื่น หรือ ออกแบบโดยใช้อุปกรณ์อื่นๆ ได้ตามวัตถุประสงค์ของผู้ออกแบบ

                                   รูปที่ 6 กราวด์ลูปจากระบบสายดิน

       ทำไมระบบกราวด์จึงต้องการ Break resistor จากรูปที่ 6 เพื่อตัดช่องทางกราวด์ลูปที่เกิดจากสายดิน
จึงต้องแยกกราวด์ของระบบ ออกจาก EARTH หรือ แท่นเครื่องออกจากกัน ด้วยตัวต้านทาน นอกจากตัวต้านทานแล้วอาจจะใช้อุปกรณ์อื่นร่วมด้วยก็ได้โดยขึ้นอยู่กับผู้ออกแบบวงจร แต่ทั้งหมดนั้นทำหน้าที่เป็น Ground Break สังเกตว่าเพาเวอร์แอมป์ หรืออุปกรณ์บางประเภทมักจะมีสวิตซ์ Ground Lift สวิตซ์ดังกล่าวมีหน้าที่ตัดต่อระบบกราวด์ของเครื่องเพาเวอร์แอมป์ว่าควรจะต่อโดยตรง หรือ ผ่านอุปกรณ์ Ground Break เพื่อแก้ปัญหา Ground Loop นั่นเอง  นอกจากการใช้สายดินร่วมกันแล้ว อีกกรณีที่ทำให้เกิดปัญหากราวด์ลูปได้เช่นกันคือ การติดตั้งอุปกรณ์ระบบเสียงไว้ใน Rack เดียวกันมักพบเห็นบ่อยๆในระบบเสียง PA ส่วนมากแท่นเครื่อง หรือ Chassis จะถูกขันด้วยน็อต ให้เชื่อมต่อถึงกัน การใช้สวิตซ์ Ground Lift และการออกแบบระบบกราวด์ในเครื่องให้มี Ground Break จะช่วยแก้ปัญหาเหล่านี้ได้นั่นเอง

             ทีแรกกะจะจบ แต่ขอแถมอีกนิดหน่อย หลังจากที่ศึกษาวิธีการจากฝรั่งมังค่าไปแล้วกลับมาเมืองไทย  เพื่อให้เนื้อหาเข้ากับสินค้ารูปแบบบ้านเราเป็นที่นิยม    นั่นคือการประกอบแอมป์โดยมีโครงสร้างของบอร์ดไดร์ (Drive Amp) และ มีวงจรบาลานซ์อินพุต   โดยทั่วไปเราก็มักจะพบปัญหากราวด์ลูปอยู่เสมอแต่อาจไม่รู้ตัวเพราะขาดการวางแผนระบบกราวด์ก่อนประกอบเพาเวอร์แอมป์   ถ้ากราวด์ลูปไม่รุนแรง  หรือเกิดลูปในตำแหน่งที่ไม่ก่อให้เกิดการรบกวนของวงจรภาคดิฟเฟอเรนเชียลแอมป์ วงจรก็จะยังทำงานได้ปกติดี แต่ถ้าลูปที่เกิดขึ้นมีการไหลของกระแสปริมาณมากจนไปรบกวนวงจรดิฟเฟอเรนเชียลแอมป์แล้วอาจก่อให้เกิดปัญหาตามมา ซึ่งไม่อาจคาดเดาความรุนแรงของปัญหาได้ 

      เมื่อเราต่อเพาเวอร์แอมป์ หากเดินสายโดยไม่ได้วางแผนระบบกราวด์ให้ดี ส่วนใหญ่จะพบว่าเรามักเดินสายกราวด์ภายในเครื่องให้เกิดลูป     จากรูปที่7 เป็นวิธีเดินสายกราวด์โดยทั่วไปที่พบได้บ่อย  และจะเห็นว่ากราเดินสายแบบนี้จะเกิด กราวด์ลูปขึ้นถึง 2 ลูป เนื่องจากเส้นแทรกในบอร์ด Drive  Amp ทั่วไปในท้องตลาด กราวด์จะเชื่อมต่อกันทั้งหมดทั้งด้านอินพุตและเอาต์พุตดังรูปที่ 7

                                              รูปที่ 7 กราวด์ลูปที่พบในบอร์ด Drive Amp ทั่วไป

          บอร์ดเพาเวอร์แอมป์ทั่วไปในท้องตลาด มักจะต่อกราวด์ในบอร์ดถึงกันทั้งหมดตั้งแต่อินพุตถึงเอาต์พุต ซึ่งมันจะเป็นปัญหาเรื่องกราวด์ลูปตามมา เมื่อใช้งานร่วมกับวงจรบาลานซ์อินพุต ทางแก้คือต้องเพิ่ม อุปกรณ์เพื่อหยุดลูปที่เกิดขึ้น โดยการใส่ Ground Break ดังรูปที่8 ซึ่งเป็นการแยก Power Ground และ Signal Ground ออกจากกันชัดเจนเพื่อยับยั้งเส้นทางกระแสปริมาณมาก และกระแสในส่วนของสัญญาณขนาดเล็กออกจากกัน

                                         รูปที่ 8 การหยุดกราวด์ลูปโดยใช้ Ground Break

    การที่มีอุปกรณ์กราวด์เบรคมีข้อดีคือ ขณะที่อินพุตของวงจรยังไม่ได้เชื่อมต่อสัญญาณเข้ามา Signal Ground วงจรภาคดิฟเฟอเรนเชียลแอมป์จะใช้  Power Ground ที่มาจากเพาเวอร์ซัพพลายจ่ายเข้ามาในบอร์ดเป็นจุดอ้างอิง ซึ่งในช่วงไม่มีสัญญาณอินพุตนี้ Power Ground จะมีระดับการรบกวนของกราวด์น้อยอยู่แล้ว แต่เมื่อใดที่เราต่อกราวด์อินพุตเข้ามา  Signal Ground จุดอ้างอิงจะย้ายไปที่แหล่งกำเนิิดสัญญาณ หรือวงจรบาลานซ์อินพุตทันที คราวนี้ต่อให้ Power Ground มีสัญญาณรบกวน แต่ดิฟเฟอเรนเชียลแอมป์จะใช้ Signal Ground ในการอ้างอิงและเป็นทางไหลของกระแสขากลับของสัญญาณเสียง (Signal Return)ที่สะดวกกว่าผ่านอุปกรณ์กราวด์เบรค ไปยังฝั่ง Power Ground

               รูปที่ 9  Ground Break Resistor ในบอร์ด Drive Amp รุ่น C-500V

     ทำไมต้องแยกระหว่าง Signal Ground และ Power Ground ในทางอุดมคติกราวด์ในวงจรใดๆ จะมีศักย์ไฟฟ้าเป็นศูนย์เสมอ  แต่ในทางปฏิบัติไม่ได้เป็นเช่นนั้น เนื่องจากสายไฟ เส้นแทรกของลาย PCB หรือ ตัวนำกราวด์ ล้วนแล้วแต่มีความต้านทานแฝง ถึงแม้จะมีค่าน้อยๆ แต่เมื่อมีกระแสปริมาณมากๆ จึงสามารถสร้างให้แรงดันตกคร่อมตัวมันได้ ดังนั้นกราวด์ ในทางปฏิบัติ จึงมีโอกาสที่จะไม่เป็นศูนย์ 100 เปอร์เซ็นต์ การไม่เท่ากันทุกจุดของกราวด์จึงป็นปัญหาในระบบ ยิ่งเป็นระบบที่มีกำลังสูง หรือเพาเวอร์แอมป์วัตต์ยิ่งสูง ยิ่งมีความจำเป็นที่จะแยกกราวด์ออกเป็นส่วน เพื่อไม่ให้ผลจากศักย์ที่ไม่เท่ากันของกราวด์จากกระแสที่ไหลปริมาณมาก เกิดแรงดันตกคร่อมระดับมิลลิโวลต์-ไมโครโวลต์ไปรบกวนในส่วนของปรีแอมป์ หรือวงจรดิฟเฟอเรนเชียลแอมป์ในภาคหน้าที่มีความไวต่อสัญญาณสูงมากอยู่แล้วให้ทำงานผิดพลาดได้

                                                                          รูปที่10 ตัวอย่างวงจร

     รูปที่10 แสดงตัวอย่างวงจร จะสังเกตได้ว่า S_GND ที่เราแยกออกจาก GND ด้วยอุปกรณ์กราวด์เบรค จะเป็นส่วนของวงจรป้อนกลับทางลบและอินพุตของดิฟเฟเรนเชียลแอมป์ ซึ่ง Net ของ S_GND ที่ว่านี้ต้องเป็นกราวด์ที่เดินคู่มากับสัญญาณเสียง บางตำราเรียกกราวด์จุดนี้ว่า Signal Return ต้องอ้างอิงไปที่แหล่งกำเนิดสัญญาณจากบอร์ดบาลานซ์อินพุตเท่านั้น จึงจะทำให้วงจรขยายเกิด CMRR (Common Mode Rejection Ratio) ได้สูงสุด ถ้าเรานำ S_GND ไปปนกับ GND ในบอร์ดซึ่งอาจมีสัญญาณรบกวนปนจากการดึงกระแสสูงตามจุดต่างๆ หรือมีจุดที่บายพาสสัญญาณสกปรกลง GND วงจรดิฟเฟเรนเชียลแอมป์อาจถูกรบกวนและทำงานผิดพลาด อาการที่พบคือเมื่องเร่งเสียงดังๆแล้วเสียงยิ่งเพี้ยน หรือเลวร้ายถึงขั้นเกิดออสซิลเลทควันขึ้นไปเลยก็มี ซึ่งปัญหาเหล่านี้นักประกอบแอมป์มือใหม่ หรือผู้ออกแบบ PCB วงจรเพาเวอร์แอมป์มักจะได้รับบทเรียนกันมาบ้างไม่มากก็น้อย 

      การมีระบบกราวด์ที่สมบูรณ์จะทำให้สเปคค่า Signal to Noise Ratio (SNR) ของเพาเวอร์แอมป์มีค่าสูง เพาเวอร์แอมป์จะให้เสียงที่ชัดเจนตั้งแต่ความดังน้อยๆจนถึงความดังสูงสุด ทำให้ THD+N ต่ำลง  Noise ที่ปนมาในทางหนึงก็คือความเพี้ยนนั่นเอง ซึ่งในระบบเสียงที่ดีควารจะมีระดับ Noise ที่ต่ำ ยิ่ง Noise ต่ำเท่าไหร่ เสียงยิ่งดีมากขึ้นเท่านั้น การต่อแอมป์ให้เสียงดี ไม่ได้ขึ้นอยู่แค่รูปแบบวงจรที่ดีเพียงอย่างเดียว แต่รวมถึงเทคนิคของผู้ประกอบเพาเวอร์แอมป์ ที่จะจัดการให้วงจรขยายทำงานได้เต็มศักยภาพของวงจรนั่นเอง