Reduzierung des Rauschens im Audiokreis (optischer Tonabnehmer + Operationsverstärker)

10

Ich baue einen optischen Tonabnehmer mit einer Fotodiode, die an einen Operationsverstärker LM741 angeschlossen ist . Meine Schaltung ähnelt dieser:

Fotodiodenschaltung

Außer dass ich nach dem Ausgang des Operationsverstärkers einen passiven Hochpassfilter hinzugefügt habe, um Gleichstrom zu eliminieren (da ich 0 V und + 12 V als V- bzw. V + verwende). Ich benutze Rf = 500K Ohm (ist das zu viel?). Zusätzlich habe ich eine LED neben der Fotodiode, die als Lichtquelle dient. Die LED wird mit 5 V und der Operationsverstärker mit 12 V versorgt, beide über ein PC-Netzteil. Die Fotodiode und die LED werden über ein 2 m langes Gitarrenkabel ("PL") mit der Schaltung verbunden.

Die Schaltung funktioniert und erzeugt ein Audiosignal, wenn ich die Intensität des auf die Fotodiode strahlenden Lichts moduliere. Mein Problem ist jedoch, dass das Signal sehr verrauscht ist. Ich kann zwei Arten von Geräuschen hören / sehen:

  1. Elektrisches Rauschen ähnlich einem lauten E-Gitarren-Tonabnehmer. Ich vermute, dass es von dem langen Kabel (oder der Spitze davon, an der die Fotodiode und die LED angeschlossen sind) stammt und elektromagnetisches Umgebungsrauschen sammelt. Dieses Rauschen ist ständig vorhanden, auch wenn kein Licht auf die Fotodiode scheint.
  2. Ein anderes Rauschen ist nur vorhanden, wenn ein Signal erzeugt wird, dh nur, wenn ich die Lichtintensität moduliere. Ich vermute, dass dies auf die Verstärkung des thermischen Rauschens zurückzuführen ist, da meine Verstärkung sehr hoch ist.

Ich würde gerne wissen, was der beste Ansatz ist oder mit anderen Worten, wo ich anfangen soll, um den Lärm zu beseitigen:

  • Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses an der Quelle, dh durch Optimierung der physikalischen Bedingungen (Umgebungslicht, Genauigkeit der Position der Fotodiode usw.).
  • Verwenden einer anderen Schaltung - Ich habe viele Vorschläge im Web gesehen und mit der einfachsten begonnen.
  • Verwendung eines anderen Operationsverstärkers, der sich besser als Audio-Vorverstärker eignet.
  • Verbesserung der Abschirmung des Tonabnehmers selbst, um elektromagnetische Umgebungsgeräusche zu vermeiden.
  • Verwenden von Batterien als Stromquelle anstelle der PC-Stromversorgung (ich denke, dass ein Teil des Rauschens vom Netz kommt).
  • Wenn keine der oben genannten, was wäre Ihr Vorschlag?
Itamar Katz
quelle
Können Sie bitte einen Link zum Datenblatt des von Ihnen verwendeten Operationsverstärkers bereitstellen?
Vicatcu
@vicatcu: Er benutzt eine 741. Da das völlig unangemessen ist, spielen die technischen Daten keine Rolle.
Olin Lathrop
1
Stellen Sie das Ding in einen dunklen Raum und decken Sie es ab, um noch mehr Licht zu blockieren. Ist der Lärm noch da? Ich vermute, dass ein Teil (vielleicht sogar ein Großteil) des Geräusches von "Umgebungslicht" stammt.
2
33 Ansichten an dieser Stelle und ich bin die erste positive Bewertung? Ich weiß, dass die Leute Dinge wie Datenblätter wollen, bevor sie abstimmen, aber für einen Teil des Mülls, den ich positiv bewertet sehe, sollten wir nicht jemanden fördern, der sich tatsächlich nähert und einen soliden Versuch unternimmt, ein Problem zu lösen, das sie als komplex empfinden, und dann eine Frage stellen? Es hat nicht einmal eine Bearbeitung und es enthält bereits viele Details, die Sie benötigen.
Kortuk
@vicatcu: Ich werde einen Link zum Datenblatt hinzufügen. David Kessner: Ich werde es versuchen und berichten, obwohl ich denke, dass das Umgebungslicht dem Signal nur einen Gleichstrom hinzufügt.
Itamar Katz

Antworten:

11

Verschiedene Dinge:

  1. Ein langes Kabel mit dem empfindlichsten Knoten im gesamten System ist eine schlechte Idee. Schirmen Sie den Verstärker vorsichtig ab und koppeln Sie ihn fest an den Tonabnehmer. Dann können Sie das Signal mit höherer Impedanz und niedriger Impedanz über das lange Kabel senden.

  2. Ein 741 ist ein Witz in dieser Anwendung. Suchen Sie nach einem rauscharmen Operationsverstärker. Es gibt Verstärker speziell für Audioanwendungen, bei denen Rauschen eine große Rolle spielt. Selbst ein Allzweckgerät wie ein TL07x ist in Bezug auf Verstärkung und Bandbreite viel besser als ein 741.

  3. Anwendungen, die eine gute Linearität und Frequenzantwort benötigen, verwenden normalerweise eine Fotodiode in Sperrvorspannungskonfiguration. Stellen Sie sich das als eine Diode vor, die proportional zum Licht austritt.

  4. Versuchen Sie nicht, den gesamten Gewinn in einer einzigen Stufe zu erzielen, insbesondere nicht in der ersten. Die erste Stufe sollte das kleine Eingangssignal aufnehmen und eine stärkere und niedrigere Impedanz erzeugen, so dass es viel weniger anfällig für Rauschen ist. Der Verstärker der ersten Stufe kann dies besser, wenn er nicht in der Nähe seines Gain-Bandbreiten-Produkts läuft. Sie müssen sich nicht um die Offset-Spannung kümmern, da Audio zwischen den Stufen mit Wechselstrom gekoppelt werden kann. Die zweite Stufe kann dann ein schönes starkes Signal erzeugen, das über 2 m Draht gesendet werden kann.

Beim Design von Audio-Schaltkreisen geht es hauptsächlich darum, bei jedem Schritt sorgfältig über Rauschen nachzudenken. Die Bandbreite mag gering sein, aber das Signal-Rausch-Verhältnis muss sehr hoch sein.

Olin Lathrop
quelle
2
Er hat keine negative Schiene im Stromkreis, verwendet jedoch einen Wechselrichter ohne Offset. Aufgrund des vom Operationsverstärker erzeugten Offsets und der relativen Größe des Signals wird beim Clipping wahrscheinlich nur so wenig Rauschen verursacht wie beim Clipping. Der Hochpass hilft wahrscheinlich auch beim Umgang mit dem Clipping. Ich mag Ihre Liste und dachte, dies könnte ein weiterer Punkt sein, der es wert ist, hinzugefügt zu werden, der sich als einzelne Antwort wirklich nicht lohnt.
Kortuk
@Olin Lathrop: Danke, deine Antwort ist sehr hilfreich. Können Sie bitte erklären, was Sie unter "Festkoppeln des Verstärkers mit dem Tonabnehmer" verstehen? Was meinen Sie mit "... wenn nicht in der Nähe des Produkts mit der Verstärkungsbandbreite"? In Bezug auf den DC-Offset wollte ich ihn nur entfernen, weil ich nicht sicher war, ob der Bassgitarrenverstärker, dem ich das Signal zuführe, DC verarbeiten kann. Was empfehlen Sie als zweite Stufe?
Itamar Katz
@Kortuk: Ich verwende ein Oszilloskop, um sicherzustellen, dass mein Signal innerhalb des Dynamikbereichs des Operationsverstärkers liegt, dh, dass das Signal bei den von mir verwendeten Lichtverhältnissen keine Übersteuerung aufweist.
Itamar Katz
@Itamar: Mit enger Kopplung meinte ich, den Verstärker physisch nahe an der Quelle zu platzieren. Der Tonabnehmer und der Verstärker können dann leichter abgeschirmt werden, und es gibt keine langen Drähte, um Geräusche aufzunehmen. Versuchen Sie im Allgemeinen, zwischen Ihrer Verstärkung und dem Produkt mit der Verstärkungsbandbreite etwa 10x Headroom zu lassen. Bei einem 1-MHz-Operationsverstärker beträgt die Verstärkung im offenen Regelkreis bei 20 kHz beispielsweise 50. Dies bedeutet, dass Sie bei diesem Verstärker Verstärkungen im geschlossenen Regelkreis über 5 für diesen Verstärker vermeiden sollten, wenn Ihre maximale interessierende Frequenz 20 kHz beträgt.
Olin Lathrop
1
@Anuj: Das Produkt für die Verstärkungsbandbreite des Opamps ist das, was der Hersteller gemacht hat, und Sie sehen im Datenblatt nach. Die Gesamtverstärkung des geschlossenen Regelkreises entscheiden Sie. Ich sage, dass Sie die Closed-Loop-Verstärkung auf 1/10 oder weniger der Opamp-Gain-Bandbreite geteilt durch die höchste interessierende Frequenz einstellen sollten.
Olin Lathrop