Redukcja szumów w obwodzie audio (przetwornik optyczny + wzmacniacz operacyjny)

10

Buduję przetwornik optyczny za pomocą fotodiody podłączonej do wzmacniacza operacyjnego LM741 . Mój obwód jest podobny do tego:

obwód fotodiody

Tyle że dodałem pasywny filtr górnoprzepustowy po wyjściu wzmacniacza operacyjnego, aby wyeliminować DC (ponieważ używam 0 V i + 12V odpowiednio jako moich V- i V +). Używam Rf = 500 K Ohm (czy to o wiele za dużo?). Ponadto mam diodę LED przylegającą do fotodiody, która służy jako źródło światła. Dioda LED jest zasilana napięciem 5 V, a wzmacniacz operacyjny jest zasilany napięciem 12 V, oba z zasilacza komputera. Fotodioda i dioda LED są podłączone do obwodu za pomocą 2-metrowego kabla gitarowego („PL”).

Obwód działa i wytwarza sygnał audio, gdy moduluję intensywność światła padającego na fotodiodę, ale moim problemem jest to, że sygnał jest bardzo głośny. Słyszę / widzę dwa rodzaje hałasu:

  1. Hałas elektryczny podobny do głośnego odbioru gitary elektrycznej. Podejrzewam, że pochodzi on z długiego kabla (lub jego końcówki, gdzie połączone są fotodioda i dioda LED), zbierając szum elektromagnetyczny z otoczenia. Ten hałas występuje cały czas, nawet jeśli na fotodiodzie nie świeci żadne światło.
  2. Kolejny szum występuje tylko wtedy, gdy generowany jest sygnał, tj. Tylko wtedy, gdy moduluję natężenie światła. Podejrzewam, że jest to efekt wzmocnienia szumu termicznego, ponieważ moje wzmocnienie jest bardzo wysokie.

Chciałbym wiedzieć, jakie jest najlepsze podejście, czyli innymi słowy od czego zacząć, starając się wyeliminować hałas:

  • Poprawa stosunku sygnału do szumu u źródła, tj. Poprzez optymalizację warunków fizycznych (światło otoczenia, precyzja położenia fotodiody itp.).
  • Korzystanie z innego obwodu - widziałem wiele sugestii w Internecie i zacząłem od najprostszego.
  • Używając innego wzmacniacza operacyjnego, który jest bardziej odpowiedni jako przedwzmacniacz audio.
  • Poprawa ekranowania samego przetwornika w celu wyeliminowania elektromagnetycznego hałasu otoczenia.
  • Używanie baterii jako źródła zasilania zamiast zasilania komputera (myślę, że może część hałasu pochodzi z sieci).
  • Jeśli nic z powyższego, jaka byłaby twoja sugestia?
Itamar Katz
źródło
Czy możesz podać link do arkusza danych dla używanego wzmacniacza operacyjnego?
vicatcu
@vicatcu: Używa 741. Ponieważ jest to całkowicie nieodpowiednie, jego specyfikacja nie ma znaczenia.
Olin Lathrop
1
Umieść rzecz w ciemnym pokoju, a następnie przykryj ją, aby zablokować jeszcze więcej światła. Czy hałas wciąż tam jest? Podejrzewam, że część (może nawet większość) hałasu pochodzi ze światła „otoczenia”.
2
33 odsłon w tym momencie i jestem pierwszym entuzjastą? Wiem, że ludzie chcą takich danych, jak arkusze danych, zanim poprą głosowanie, ale w przypadku niektórych śmieci, które widzę, zostały przegłosowane, czy nie powinniśmy promować kogoś, kto faktycznie się zbliża i solidnie próbuje rozwiązać problem, który uważają za złożony, a następnie zadaje pytanie? Nie ma nawet edycji i ma już wiele potrzebnych szczegółów.
Kortuk
@vicatcu: Dodam link do arkusza danych. David Kessner: Spróbuję i zdam raport, chociaż myślę, że światło otoczenia dodaje DC tylko sygnał.
Itamar Katz

Odpowiedzi:

11

Kilka rzeczy:

  1. Długi kabel przenoszący najbardziej wrażliwy węzeł w całym systemie to zły pomysł. Ostrożnie osłonić, a następnie mocno połączyć wzmacniacz z przetwornikiem. Następnie możesz wysłać sygnał o niższej impedancji wyższego poziomu przez długi kabel.

  2. 741 to żart w tej aplikacji. Poszukaj opampa o niskim poziomie hałasu. Istnieją wzmacniacze specjalnie do zastosowań audio, w których szum ma duże znaczenie. Nawet urządzenie ogólnego przeznaczenia, takie jak TL07x, będzie znacznie lepsze niż 741, zarówno pod względem wzmocnienia, jak i przepustowości.

  3. Aplikacje, które wymagają dobrej liniowości i odpowiedzi częstotliwościowej, zwykle wykorzystują fotodiodę w konfiguracji odwróconego odchylenia. Pomyśl o tym jak o diodzie, która przecieka proporcjonalnie do światła.

  4. Nie staraj się uzyskać całego zysku na jednym etapie, szczególnie na pierwszym. Pierwszy etap powinien przyjąć mały sygnał wejściowy i sprawić, by był silniejszy i miał niższą impedancję, tak aby był znacznie mniej podatny na zakłócenia. Wzmacniacz pierwszego stopnia może to zrobić lepiej, jeśli nie działa w pobliżu swojego produktu zwiększającego przepustowość. Nie musisz przejmować się napięciem przesunięcia, ponieważ audio może być sprzężone prądem przemiennym między stopniami. Drugi stopień może następnie wygenerować ładny silny sygnał, który można wysłać przewodem o długości 2 m.

Konstrukcja obwodu audio polega przede wszystkim na uważnym myśleniu o hałasie na każdym kroku. Szerokość pasma może być niska, ale stosunek sygnału do szumu musi być bardzo wysoki.

Olin Lathrop
źródło
2
Nie ma na obwodzie szyny ujemnej, ale używa falownika bez przesunięcia. Prawdopodobnie dostaje to tylko tak mało szumu z wycinania, jak to ma miejsce ze względu na przesunięcie generowane przez wzmacniacz operacyjny i względny rozmiar sygnału. Górne przejście prawdopodobnie pomaga również w radzeniu sobie z obcinaniem. podoba mi się twoja lista i pomyślałem, że może to być jeszcze jeden element, który warto dodać, naprawdę nie jest to warte pojedynczej odpowiedzi.
Kortuk
@Olin Lathrop: Dzięki, twoja odpowiedź jest bardzo pomocna. Czy możesz wyjaśnić, co masz na myśli przez „ścisłe połączenie wzmacniacza z przetwornikiem”? Co również rozumiesz przez „... jeśli nie zbliżysz się do produktu zwiększającego przepustowość”? Jeśli chodzi o przesunięcie DC, jedynym powodem, dla którego chciałem go usunąć, jest to, że nie byłem pewien, czy wzmacniacz gitary basowej, którym zasilam sygnał, może poradzić sobie z DC. Co polecasz jako drugi etap?
Itamar Katz
@Kortuk: Korzystam z lunety, aby upewnić się, że mój sygnał mieści się w zakresie dynamicznym wzmacniacza operacyjnego, tzn. Nie występuje obcinanie sygnału w warunkach oświetleniowych, których używam.
Itamar Katz
@ Itamar: Przez ścisłe połączenie miałem na myśli umieszczenie wzmacniacza fizycznie blisko źródła. Przetwornik i wzmacniacz razem mogą być łatwiej ekranowane i nie będzie długich przewodów do wychwytywania szumu. Zasadniczo staraj się pozostawić około 10-krotny zapas między zyskiem a produktem zwiększania przepustowości. Na przykład w przypadku opamp 1 MHz jego wzmocnienie w pętli otwartej przy 20 kHz wynosi 50. Oznacza to, że powinieneś unikać wzmocnienia w pętli zamkniętej powyżej 5 dla tego wzmacniacza, jeśli twoja maksymalna interesująca częstotliwość wynosi 20 kHz.
Olin Lathrop,
1
@Anuj: Produkt opampa na zwiększenie przepustowości jest tym, czym producent go stworzył, i patrzysz w arkusz danych. Ogólne wzmocnienie w zamkniętej pętli jest czymś, co decydujesz. Mówię, że powinieneś ustawić wzmocnienie w pętli zamkniętej na 1/10 lub mniej pasma wzmocnienia opampa podzielonego przez najwyższą interesującą częstotliwość.
Olin Lathrop,