Уменьшение шума в аудио цепи (оптический датчик + операционный усилитель)

10

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

фотодиодная схема

За исключением того, что я добавил пассивный фильтр верхних частот после выхода операционного усилителя, чтобы исключить постоянный ток (так как 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. Питание светодиода составляет 5 В, а операционного усилителя - 12 В, оба от источника питания ПК. Фотодиод и светодиод подключены к цепи с помощью гитарного кабеля длиной 2 м («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 могу слышать / видеть два типа шума:

  1. Электрический шум похож на шумный звук электрогитары. Я подозреваю, что это происходит в длинном кабеле (или наконечнике, где соединены фотодиод и светодиод), собирая окружающий электромагнитный шум. Этот шум присутствует постоянно, даже когда на фотодиод не светит свет.
  2. Другой шум присутствует только тогда, когда генерируется сигнал, т.е. только когда я модулирую интенсивность света. Я подозреваю, что это результат усиления теплового шума, так как мое усиление очень высокое.

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. Путем оптимизации физических условий (окружающий свет, точность 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 датчика, для устранения электромагнитного шума окружающей среды.
  • Использование батарей в качестве источника питания вместо блока питания ПК (я думаю, что, возможно, часть шума исходит от сети).
  • Если ничего из вышеперечисленного, что бы вы предложили?
Итамар Кац
источник
Можете ли вы предоставить ссылку на таблицу данных для операционного усилителя, который вы используете?
Викацу
@vicatcu: Он использует 741. Поскольку это совершенно неуместно, его характеристики не имеют значения.
Олин Латроп
1
Поместите вещь в темную комнату, а затем накройте ее, чтобы заблокировать еще больше света. Шум все еще там? Я подозреваю, что часть (возможно, даже большинство) шума исходит от "окружающего" света.
2
33 просмотра на данный момент, и я первый upvote? Я знаю, что люди хотят такие вещи, как таблицы данных, прежде чем они проголосуют, но за некоторые из мусора, которые я вижу, проголосовали, разве мы не должны продвигать кого-то, кто действительно приближается и давать твердую попытку решить проблему, которая им кажется сложной, а затем задавать вопрос? Он даже не имеет редактирования, и в нем уже есть много деталей, которые вам нужны.
Кортук
@vicatcu: я добавлю ссылку на таблицу. Дэвид Кесснер: Я попробую и сообщу, хотя я думаю, что окружающий свет только добавляет DC к сигналу.
Итамар Кац

Ответы:

11

Несколько вещей:

  1. Длинный кабель с наиболее чувствительным узлом во всей системе - плохая идея. Осторожно оградите и затем плотно соедините усилитель с датчиком. Затем вы можете отправить более высокий уровень сигнала с низким импедансом по длинному кабелю.

  2. 741 это шутка в этом приложении. Ищите тихий операционный усилитель. Есть усилители специально для аудио приложений, где шум имеет большое значение. Даже устройство общего назначения, такое как TL07x, будет намного лучше, чем 741, как по усилению, так и по пропускной способности.

  3. Приложения, которые нуждаются в хорошей линейной характеристике и частотной характеристике, обычно используют фотодиод в конфигурации с обратным смещением. Думайте об этом как о диоде, который пропускает пропорционально свету.

  4. Не пытайтесь получить весь выигрыш за один этап, особенно на первом. Первая ступень должна принять небольшой входной сигнал и сделать его более сильным и с более низким импедансом, чтобы он был гораздо менее восприимчив к шуму. Усилитель первого каскада может сделать это лучше, если не будет работать близко к своему продукту с усилением полосы пропускания. Вам не нужно заботиться о смещенном напряжении, так как звук может быть подключен к переменному току между каскадами. На втором этапе можно подать хороший сильный сигнал, который можно отправить по 2-метровому проводу.

Дизайн аудиосистемы в основном заключается в том, чтобы тщательно продумывать шум на каждом этапе пути. Ширина полосы может быть низкой, но отношение сигнал / шум должно быть очень высоким.

Олин Латроп
источник
2
У него нет отрицательной шины на цепи, но он использует инвертор без смещения. Вероятно, из-за смещения, генерируемого операционным усилителем, и относительного размера сигнала он получает лишь меньше шума от ограничения. Высокий проход также, вероятно, помогает справиться с отсечкой. Мне нравится ваш список, и я подумал, что это может быть еще один пункт, который стоит добавить, на самом деле не стоит его использовать в качестве единственного ответа.
Кортук
@ Олин Латроп: Спасибо, ваш ответ очень полезен. Не могли бы вы объяснить, что вы подразумеваете под "жестко соединить усилитель с датчиком"? Кроме того, что вы подразумеваете под "... если не работать рядом с его продуктом с усилением полосы пропускания"? Что касается смещения постоянного тока, единственная причина, по которой я хотел его удалить, это то, что я не был уверен, что усилитель бас-гитары, на который я подаю сигнал, может обрабатывать постоянный ток. Что вы рекомендуете в качестве второго этапа?
Итамар Кац
@Kortuk: Я использую прицел, чтобы убедиться, что мой сигнал находится в динамическом диапазоне операционного усилителя, то есть в сигнале в условиях освещения, которые я использую, в сигнале отсутствует ограничение.
Итамар Кац
@ Итамар: под сильной связью я имел в виду размещение усилителя физически близко к источнику. Тогда звукосниматель и усилитель можно будет легко экранировать, и не будет длинных проводов, чтобы уловить шум. В общем, старайтесь оставить примерно 10-кратный запас между вашим усилением и продуктом с усилением полосы пропускания. Например, для операционного усилителя 1 МГц его коэффициент усиления в разомкнутом контуре при 20 кГц равен 50. Это означает, что вы должны избегать усиления в замкнутом контуре более 5 для этого усилителя, если ваша максимальная частота, представляющая интерес, составляет 20 кГц.
Олин Латроп
1
@Anuj: Продукт усиления пропускной способности операционного усилителя - это то, что сделал производитель, и вы смотрите в таблице данных. Общее усиление по замкнутому циклу - это то, что вы решаете. Я говорю, что вы должны установить усиление в замкнутом контуре равным 1/10 или менее от ширины полосы усиления операционного усилителя, деленной на наибольшую интересующую частоту.
Олин Латроп