Правильная развязка

Развязывающие конденсаторы всегда следует размещать как можно ближе к микросхеме. В большинстве случаев в таблицах данных будут указаны рекомендуемые для использования развязывающие конденсаторы, и рекомендуется следовать этому и при необходимости увеличивать. В техническом описании TL072 (стр. 32) указано использование конденсаторов 0,1 мкФ (100 нФ) рядом с контактами источника питания.

Что касается вашей ИС зарядового насоса, то на них всегда будет шум из-за работы ИС. Конденсатор 10 мкФ на выходе должен быть размещен как можно ближе к микросхеме, и вы также можете добавить конденсатор 100 нФ параллельно, если хотите, чтобы посмотреть, поможет ли это.

Если это не решит вашу проблему, используйте осциллограф, чтобы попытаться точно определить избыточный шум и посмотреть, сможете ли вы определить, откуда он исходит.

После просмотра вашего макета:

У вас есть ИС зарядового насоса. Это будет получать импульсы тока с его входа, который является шиной + 5 В. Это неадекватно развязано, так как для этого потребуется крышка гораздо большего размера . 100 нФ недостаточно, поэтому ваша шина +5 В будет шумной. Фильтр на входе зарядового насоса также может помочь избежать загрязнения шины +5 В.

Затем эти импульсы тока передаются на шину -5В. Если ваш конденсатор на 10 мкФ является стандартным алюминиевым конденсатором общего назначения на 10 мкФ, то он будет иметь ESR в несколько Ом, что делает его бесполезным для фильтрации такого шума. Также 100 нФ — сквозные и пленочные, опять же бесполезные, потому что индуктивность очень высока. Керамический конденсатор SMD X7R емкостью 1 мкФ обеспечит гораздо лучшую фильтрацию (ESL около 1 нГн при правильном монтаже по сравнению с 4-6 нГн для пленочной крышки с шагом выводов 5 мм плюс длина дорожки).

Конденсатор 470 мкФ, о котором я упоминал выше, имеет ESR около 0,1 Ом и отличные характеристики ВЧ (для электролита), и он прекрасно работает с керамическим конденсатором SMD 1 мкФ. Кроме того, они дешевы и служат вечно.

Таким образом, я бы сделал это:

Между двумя операционными усилителями поместите по одному алюминиевому колпачку на каждую шину (+5 В и -5 В). Эти алюминиевые колпачки не обязательно должны иметь низкое ESR, они получают максимальный мкФ, который подходит для расстояния между контактами 2,5 мм. Можно добавить дополнительные конденсаторы по 100 нФ, но для медленных операционных усилителей, таких как TL072, это не обязательно. Если вы используете более быстрый операционный усилитель типа rail-to-rail из-за того, что ваши 5 В слишком низки для TL072, а затем добавьте керамические конденсаторы SMD 1 мкФ, вы можете сэкономить дополнительные цент или два по сравнению со 100 нФ, верно?

Тогда я бы поставил фильтр на входе и выходе нагнетательного насоса. Попробуйте, например , эту ферритовую бусину . Дайте локальные конденсаторы зарядного насоса на входе и выходе (я подключил Panasonic + 1 мкФ MLCC).

Теперь у вас есть проблема и с расположением вашего нагнетательного насоса на земле. Если вы внимательно посмотрите, то заметите, что контакты заземления входного и выходного конденсатора не соединены тесно друг с другом с контактом GND микросхемы, что означает, что импульсы тока будут проходить долгий путь через заземляющий провод схемы. И это очень близко к входному разъему, так что вы будете вводить шум земли. Итак, дайте зарядному насосу его локальный заземляющий остров и подключите его к основному заземлению в одной точке...

РЕДАКТИРОВАТЬ

Развязка аудио операционных усилителей:

Это довольно легко. Мы не говорим здесь о высокоскоростных чипах, у нас есть, скажем, 10-30 МГц GBW-части, такие как ваши, NE5532 и тому подобное. Их вполне устраивает импеданс питания от нуля до, скажем, «несколько» резистивных Ом. Что им не нравится, так это высокая индуктивность в питании, т.е. длинные дорожки от выводов питания до конденсатора.

Если вы прочитаете техническое описание конденсатора «общего назначения», вы заметите параметр с именем «тангенс дельта», и вы получите:

$ESR = \frac{ tan \delta }{ 2 \pi f C }$

Обычно$tan \delta$дается для 120 Гц, поэтому установите f = 120 Гц, для стандартной крышки общего назначения она будет между 0,2 и 0,3. C - это емкость, поэтому быстрый расчет дает ESR более 20 Ом для конденсатора 10 мкФ ... это делает конденсатор совершенно бесполезным. Всегда имейте в виду, когда вы покупаете цоколь, они дают вам последовательно резистор бесплатно!

Итак, выберите электролитический конденсатор с максимальной емкостью мкФ, который поместится в удобной упаковке, например, диаметром 6 мм и расстоянием между выводами 2,5 мм. Кажется, это 470 мкФ . Таким образом, вы получаете ESR 0,5-1 Ом, что нормально. Емкость слишком велика, но кого это волнует, если это личный проект, на котором вы не пытаетесь сэкономить несколько центов. Вы получаете 10 из них за 1,5 €. Вы можете добавить керамику SMD 100 нФ параллельно, но для медленных операционных усилителей, таких как TL072, это необязательно.

Если вы настаиваете на конденсаторе 10 мкФ, у вас могут возникнуть проблемы с его поиском, если только это не конденсатор 50 В или более, потому что никто больше не беспокоится о том, чтобы делать конденсаторы 10 мкФ 10 В, они будут стоить столько же, сколько 100 мкФ.

Если вы хотите продлить срок службы в жарком месте, используйте 105 ° C (например, серии FC или FR, о которых я говорил). Тем не менее, они будут иметь более низкое ESR, поэтому, если вы настаиваете на параллельном подключении керамического конденсатора емкостью 100 нФ, чтобы не создавать резонансную LC-цепь, которая может плохо реагировать на ВЧ-шум вашего зарядового насоса, вы не должны выбирать конденсатор со слишком низким ESR. ! Таким образом, в серии Panasonic FC я бы выбрал 100 мкФ 10 В, который имеет характеристики 0,8 Ом.

Примечание: аудиофилы говорят, что колпачки FC звучат как дерьмо. Суть этого такова: не ставьте конденсатор с низким ESR параллельно с керамическими или пленочными конденсаторами, если не считать, у него будет пик импеданса из-за LC-резонанса. Старые добрые простые дешевые кепки прекрасно работают. Не устанавливайте ограничение в 2 доллара на свой операционный усилитель за 0,5 доллара;)

A) Что вы имеете в виду между двумя операционными усилителями?

Между двумя чипами это упростит разводку трасс питания. Вам, вероятно, придется переделывать плату из-за размещения шумного зарядового насоса рядом с наиболее чувствительным местом (т. е. входными сигналами)...

«Итак, дайте зарядному насосу его местный заземляющий остров и соедините его с основным заземлением в одной точке…» Что вы имеете в виду?

^{смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab}

Вот краткое объяснение. Блок справа — это ваш зарядный насос, он будет посылать импульсные токи в землю (обозначен буквой G) и свои собственные развязывающие колпачки (4 колпачка справа).

Это означает, что узел "G" будет шумным. Ваша схема соединяет это с входной землей, которая вводит шум во входной сигнал.

Я предлагаю: добавить ферритовые бусины на входе и выходе питания (или небольшие катушки индуктивности), чтобы увеличить ВЧ-импеданс и убедиться, что импульсы тока остаются внутри местного заземления («G»). Ток, потребляемый от основных конденсаторов (которые являются развязывающими конденсаторами ваших операционных усилителей), теперь должен быть намного более плавным.

И единственная земля, которую вы должны подключить к вашей сигнальной земле, — это земля слева, а не узел «G», который шумит.

РЕДАКТИРОВАТЬ 2

Хорошо, я упустил тот факт, что это экран Arduino: это создает другие проблемы, так как мы должны быть осторожны с шумом, создаваемым Arduino. Также я думаю, что это нуждается в обзоре дизайна ...

TL072 не рассчитан на +/- 5В, его выходы не пойдут на рейку, скорее +/-2В. Если это проблема, вы можете использовать операционный усилитель с выходом от рельса к хвосту или более мощные источники питания.

3V3 от arduino будет шумным, хотя ваш RC-фильтр (R19-R20-C10) должен смягчить шум на линии 1V6. C18 должен быть с низким ESR для лучшей фильтрации (мне нравится Panasonic FR).

Обратите внимание, что входной каскад можно было бы сделать без отрицательного источника питания (что упростило бы ситуацию), если бы вместо TL072 вы использовали входной/выходной операционный усилитель от шины к шине.

Выходной каскад также можно сделать без отрицательного источника питания: подключите R14 к GND через конденсатор (например, C3), а операционный усилитель U2A должен смещать напряжение до 1,6 В, что является средним значением DAC0 и DAC1. Затем вы можете удалить C11, подключить следующий операционный усилитель в качестве повторителя, и вы избавитесь от отрицательного источника питания.

(Это на тот случай, если вы решите переделать плату, конечно).

Теперь на вашей текущей плате: откуда берется шум?

Если микросхема зарядного насоса вставлена ​​в розетку, замените ее батареей на 4,5 В (3 AA последовательно), которая дает около 5 В, если батареи свежие. Это даст вам чистые -5V. Шум пропал? Если да, то у вас есть причина.

Удалите С11. Теперь выход будет игнорировать выход ЦАП. Шум пропал? Тогда это исходит от ардуино, ЦАП или АЦП, кто знает.

Вставьте C11 обратно, убедитесь, что ваш код всегда выводит 0 на ЦАП, шум все еще присутствует?

Я выбрал зарядный насос, потому что не заметил ардуино (к тому же у вас плохое расположение и развязка зарядного насоса), но шум также может исходить от ардуино... В любом случае, вы поняли идею: разделяй и властвуй!

Узнайте, откуда оно взялось. Нет смысла переделывать плату или возиться с развязкой, если шум исходит от ардуино...

--

Если вы переделываете плату: при разводке операционных усилителей всегда раздражает то, как проложить источники питания, поэтому проще всего сделать это следующим образом:

Когда микросхемы размещаются в линию, оба источника питания проходят под ними, а на конце находятся развязывающие колпачки. Это позволяет соединить два контакта GND двух развязывающих колпачков в одном месте. Ячейки, помеченные ABCD, представляют собой компоненты обратной связи для каждого операционного усилителя. Вы вроде как сделали это так, но один из ваших операционных усилителей повернут на 180 °, что означает пересечение источников питания, а затем ваша компоновка усложняется. Легче разместить их в одинаковой ориентации и сначала проложить источники питания, а затем прокладывать сигналы. Поскольку вы используете детали со сквозным отверстием, вы можете использовать резисторы и колпачки в качестве перемычек, чтобы перепрыгнуть через дорожки питания.