Снижение шума в звуковой цепи (оптический датчик + операционный усилитель)

Я создаю оптический датчик, используя фотодиод, подключенный к операционному усилителю LM741 . Моя схема похожа на эту:

схема фотодиода

За исключением того, что я добавил пассивный фильтр верхних частот после выхода операционного усилителя, чтобы устранить постоянный ток (поскольку я использую 0 В и + 12 В в качестве моих V- и V + соответственно). Я использую Rf=500 кОм (это слишком много?). Кроме того, у меня есть светодиод рядом с фотодиодом, который служит источником света. Светодиод питается от 5 В, а операционный усилитель от 12 В, оба от блока питания ПК. Фотодиод и светодиод подключаются к схеме с помощью 2-метрового гитарного кабеля ("PL").

Схема работает и выдает звуковой сигнал, когда я модулирую интенсивность света, падающего на фотодиод, но моя проблема в том, что сигнал очень шумный. Я слышу/вижу два типа шума:

  1. Электрический шум похож на шум звукоснимателя электрогитары. Я подозреваю, что это происходит из-за длинного кабеля (или его конца, где соединены фотодиод и светодиод), собирающего окружающий электромагнитный шум. Этот шум присутствует все время, даже когда на фотодиод не падает свет.
  2. Другой шум присутствует только при генерации сигнала, т.е. только когда я модулирую интенсивность света. Я подозреваю, что это результат усиления теплового шума, так как мой коэффициент усиления очень высок.

Я хотел бы знать, каков наилучший подход или, другими словами, с чего начать в моих усилиях по устранению шума:

  • Улучшение отношения сигнал/шум в источнике, т. е. за счет оптимизации физических условий (окружающего освещения, точности положения фотодиода и т. д.).
  • Используя другую схему - я видел много предложений в Интернете и начал с самого простого.
  • Использование другого операционного усилителя, который больше подходит в качестве предварительного усилителя звука.
  • Улучшение экранирования самого звукоснимателя для устранения окружающего электромагнитного шума.
  • Использование батарей в качестве источника питания вместо блока питания ПК (я думаю, что часть шума исходит от сети).
  • Если ничего из вышеперечисленного, что бы вы предложили?
Не могли бы вы предоставить ссылку на таблицу данных для операционного усилителя, который вы используете?
@vicatcu: Он использует 741. Поскольку это совершенно неуместно, его характеристики не имеют значения.
Поставьте вещь в темную комнату, а затем накройте ее, чтобы блокировать еще больше света. Шум еще есть? Я подозреваю, что часть (возможно, даже большая часть) шума исходит от «окружающего» света.
33 просмотра на данный момент, и я первый плюс? Я знаю, что людям нужны такие вещи, как таблицы данных, прежде чем они проголосуют, но для некоторого мусора, который, как я вижу, проголосовал за, не должны ли мы продвигать кого-то, кто действительно подходит и делает серьезную попытку решить проблему, которую они считают сложной, а затем задают вопрос? В нем даже нет редактирования, и в нем уже есть много деталей, которые вам нужны.
@vicatcu: я добавлю ссылку на таблицу данных. Дэвид Кесснер: Я попробую и доложу, хотя я думаю, что окружающий свет только добавляет сигналу постоянный ток.

Ответы (1)

Несколько вещей:

  1. Длинный кабель, по которому проходит самый чувствительный узел во всей системе, — плохая идея. Тщательно экранируйте, а затем плотно соедините усилитель со звукоснимателем. Затем вы можете отправить сигнал более высокого уровня с более низким импедансом по длинному кабелю.

  2. 741 - шутка в этом приложении. Ищите малошумящий операционный усилитель. Существуют усилители специально для аудиоприложений, где большое значение имеет шум. Даже устройство общего назначения, такое как TL07x, будет намного лучше, чем 741, как по коэффициенту усиления, так и по пропускной способности.

  3. Приложения, требующие хорошей линейности и частотной характеристики, обычно используют фотодиод в конфигурации с обратным смещением. Думайте об этом как о диоде, который течет пропорционально свету.

  4. Не пытайтесь получить все усиление за один этап, особенно на первом. Первый каскад должен принимать слабый входной сигнал и делать его более сильным и иметь более низкий импеданс, чтобы он был намного менее восприимчив к шуму. Усилитель первого каскада может сделать это лучше, если он не приближается к своему произведению усиления на полосу пропускания. Вам не нужно заботиться о напряжении смещения, поскольку звук может быть связан по переменному току между каскадами. Затем второй каскад может дать хороший сильный сигнал, который можно отправить по 2-метровому проводу.

Проектирование аудиосхем в основном заключается в том, чтобы тщательно продумывать шум на каждом этапе пути. Полоса пропускания может быть низкой, но отношение сигнал/шум должно быть очень высоким.

У него нет отрицательной шины в цепи, но он использует инвертор без смещения. Это, вероятно, получает так же мало шума от ограничения, как и из-за смещения, генерируемого операционным усилителем, и относительного размера сигнала. Верхний проход также, вероятно, помогает справиться с отсечением. Мне нравится ваш список, и я подумал, что это может быть еще один пункт, который стоит добавить, на самом деле он не стоит того, чтобы быть единственным ответом.
@Olin Lathrop: Спасибо, ваш ответ очень полезен. Не могли бы вы объяснить, что вы имеете в виду под «жестко соединить усилитель со звукоснимателем»? Кроме того, что вы подразумеваете под «... если не приближаться к своему продукту усиления и пропускной способности»? Что касается смещения постоянного тока, единственная причина, по которой я хотел удалить его, заключалась в том, что я не был уверен, что усилитель бас-гитары, на который я подаю сигнал, может работать с постоянным током. Что порекомендуете в качестве второго этапа?
@Kortuk: я использую осциллограф, чтобы убедиться, что мой сигнал находится в пределах динамического диапазона операционного усилителя, то есть в сигнале нет отсечения в условиях освещения, которые я использую.
@Itamar: Под тесной связью я имел в виду размещение усилителя физически близко к источнику. Звукосниматель и усилитель вместе легче экранировать, и не будет длинных проводов, которые улавливают шум. В общем, постарайтесь оставить примерно 10-кратный запас между вашим усилением и произведением усиления на полосу пропускания. Например, для операционного усилителя с частотой 1 МГц его коэффициент усиления без обратной связи на частоте 20 кГц равен 50. Это означает, что вам следует избегать коэффициентов усиления замкнутого контура выше 5 для этого усилителя, если максимальная интересующая вас частота составляет 20 кГц.
@OlinLathrop: Большое спасибо. Предел, который вы предлагаете для усиления замкнутого контура, применим ко всем каскадам усиления (1-й и 2-й)? Не слишком ли это мало для моего приложения?
@Itamar: Как я уже сказал, если вы используете операционный усилитель в режиме замкнутого контура с отрицательной обратной связью, рекомендуется иметь запас по напряжению около 10. Мой пример 5x был с операционным усилителем 1 МГц. Операционный усилитель с частотой 10 МГц можно использовать для увеличения в 50 раз. Я не хотел бы проходить более 100 раз за этап по другим причинам. Вы справляетесь с этим ограничением, используя несколько этапов. Не забудьте установить связь по переменному току между каскадами, чтобы напряжение смещения не усиливалось вместе с сигналом.
Олин, как это сделать: «Усилитель первой ступени может делать это лучше, если он не приближается к своему произведению усиления на полосу пропускания». Вы хотите сказать, что сохранить такое усиление, чтобы оно было меньше x? Что такое х? Я понимаю, что пропускная способность = (фунты стерлингов/выигрыш замкнутого контура). Как можно одновременно контролировать пропускную способность и фунты стерлингов? Как вход постоянного тока влияет на это? Извиняюсь, если это очень простой вопрос, но я пытаюсь более простым способом узнать «счастливую» точку любого операционного усилителя.
@Anuj: Произведение коэффициента усиления операционного усилителя на пропускную способность - это то, что сделал производитель, и вы смотрите в таблице данных. Общий коэффициент усиления замкнутого контура зависит от вас. Я говорю, что вы должны установить усиление замкнутого контура равным 1/10 или меньше от полосы пропускания усиления операционного усилителя, деленной на самую высокую интересующую частоту.
Снижение шума в звуковой цепи (оптический датчик + операционный усилитель)
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v