Warum gibt meine Verstärkungs- und Filterschaltung für Elektretmikrofone so viel Rauschen aus?

Hintergrundinformation

Ich entwerfe derzeit eine Eingangskonditionierungsschaltung, die ein Elektretmikrofonsignal verstärkt und filtert, um das Signal vorzubereiten, das von einem ADC (Analog-Digital-Wandler) verarbeitet und von einem Mikrocontroller auf eine SD-Karte geschrieben werden soll.

Der ADC hat einen Dynamikbereich von 0-5 V, daher habe ich das Signal auf eine Amplitude von 2,5 V mit einem Gleichstromversatz von 2,5 V verstärkt. Die Abtastrate des ADC beträgt 15,625 kHz. Daher habe ich das Tiefpassfilter so konzipiert, dass es eine Dämpfung von 48 dB (8-Bit-Dynamikbereich) für eine Frequenz von ~ 7,8 kHz und eine Grenzfrequenz von ~ 4 kHz aufweist.

Aufgrund der obigen Entwurfsüberlegungen besteht meine Schaltung aus einem invertierenden Verstärker mit einem Spannungsverstärkungsverhältnis von ~ 6,2 und einem Chebyshev-Filter 6. Ordnung mit einer Verstärkung von ~ 12.

Die verwendeten Operationsverstärker sind lm6484 mit einer 5-V-Versorgung. Die 5-V-Versorgung wird von jedem Gerät mit USB-Anschluss bezogen. Im Allgemeinen wird ein Computer-USB-Anschluss zur Stromversorgung dieser Schaltung verwendet.

Ein Schema der Schaltung ist unten gezeigt:

Ein Schema des Mikrofonaufbaus: Der 1,5-kOhm-Widerstand wurde im Mikrofon-Datenblatt angegeben.

Die Wechselspannungsquelle wird verwendet, um den Ausgang des Mikrofons zu modellieren. Die 30-mV-Ausgangsamplitude wurde mit einem Oszilloskop gemessen.

Der 1uF-Kondensator sollte die Vorspannung entfernen, die beim Messen des Ausgangs des Mikrofons (2,6 V) festgestellt wurde.

Der Spannungsteiler in den Einheitsverstärkungsfolger oben links im Schaltplan erzeugt die 2,5 V, die zum Vorspannen des Signals erforderlich sind.

Mein Problem

Lärm. Nachdem ich eine Aufnahme gemacht habe, kann ich meine Stimme hören, es gibt jedoch ein lautes, konstantes Summen / Summen. Beispielaufnahme:

instaud.io/Xhu

Was ich versucht habe

Ich habe versucht, mehrere Entkopplungs- / Bypass-Kondensatoren an jedem Verstärker-IC vor und nach langen Stromkabeln und regelmäßig entlang der Stromschienen auf meinem Steckbrett einzusetzen.

Ich habe auch versucht, ein RC-Tiefpassfilter am Ausgang meines invertierenden Verstärkers anzubringen, um das vom Operationsverstärker erzeugte Hochfrequenzrauschen abzuschalten.

Keiner meiner Versuche, das Rauschen zu mildern, hat funktioniert oder eine Wirkung erzielt, die in der Aufnahme hörbar ist.

Meine Frage

Gibt es offensichtliche Fehler in meinem Design, die das von meiner Schaltung erzeugte Rauschen verursachen oder verstärken könnten?

Oder könnte das Rauschen einfach darauf zurückzuführen sein, dass die Schaltung auf einem Steckbrett aufgebaut ist und möglicherweise fehlerhafte Verbindungen bestehen?

Danke für die Hilfe.

Es gibt eine Reihe von Problemen mit dieser Schaltung:

1. Die Eingabe in die Referenz wird nicht gefiltert.

   

   R5 und R4 machen die Hälfte der Versorgungsspannung, übertragen aber auch die Hälfte des Rauschens auf der Versorgung. Über R4 sollte eine Erdungskappe vorhanden sein. Ich würde mit ungefähr 2 µF beginnen.

2. Es gibt keine Vorspannungsversorgung für das Mikrofon.

   

   Sie sagten, dies sei ein Elektret, daher sollte es einen Pullup auf 5 V geben. Normalerweise sollten dies einige kΩ sein. Überprüfen Sie das Datenblatt Ihres Mikrofons.

   Sie sollten auch die Pullup-Spannung filtern, um zu verhindern, dass Stromversorgungsgeräusche direkt in das Mikrofon eingespeist werden. Vielleicht 1 kΩ von 5 V, gefolgt von 20 µF gegen Masse, dann 2 kΩ bis zum Mikrofon. Siehe auch das Mikrofon-Datenblatt.

3. Es gibt nirgendwo Bypasskappen!

   

   Das Obige zeigt die Leistung nur eines Operationsverstärkers, aber alle haben das gleiche Problem. Um eine noch bessere Rauschunterdrückung zu erzielen, insbesondere für den oben gezeigten Verstärker der ersten Stufe, schalten Sie einen Ferrit-Chip-Induktor in Reihe, gefolgt von etwa 10 µF Keramik gegen Masse. Dies reduziert hohe Frequenzen, wie bei Radiosender-Tonabnehmern, die die aktiven Schaltkreise im Operationsverstärker nicht gut verarbeiten können.

4. Geringe Verstärkung. Die erste Stufe verstärkt sich um etwas mehr als 6. Das allein ist in Ordnung, obwohl ich von der ersten Stufe etwas mehr sehen möchte, wenn der Opamp damit umgehen kann. Sie haben keinen Link zum Opamp-Datenblatt angegeben, daher habe ich ihn nicht nachgeschlagen. In jedem Fall gibt es sicherlich Operationsverstärker, die mit 5 V betrieben werden können und eine Verstärkung im geschlossenen Regelkreis von etwa 30 bei 20 kHz bieten, mit viel Headroom für die Verstärkung, damit das Feedback seine Aufgabe erfüllen kann.

   Ein Mikrofonverstärker benötigt normalerweise eine Verstärkung von etwa 1000 bei voller Lautstärke, um Signale mit Leitungspegel zu erhalten. Zwei Verstärkungsstufen vorne mit einer Verstärkung von jeweils 30 sind normalerweise ungefähr richtig, mit einem Lautstärkeregler zwischen den beiden.

   Nachdem das Signal verstärkt wurde, macht jedes hinzugefügte Rauschen einen viel geringeren Anteil des Ganzen aus.

5. Entkoppeln Sie die Vref-Eingänge zu jeder Stufe. U5 ist nicht perfekt. Es wird etwas Lärm haben. Die Ausgangsimpedanz ist ebenfalls nicht 0, daher kommt es zu einem Übersprechen zwischen den Stufen. Selbst nur 1 kΩ in Reihe, gefolgt von 20 µF gegen Masse an jedem Einsatzort, würde helfen.

6. Benötigen Sie wirklich all diese Filterung? Dies ist für normales Audio viel zu viel. Durch das Eliminieren von Filterstufen wird das Rauschen reduziert. Alles fügt Rauschen hinzu, also legen Sie nicht mehr Material in den Signalpfad, als Sie wirklich benötigen.

Sie erzeugen die Referenzspannung mithilfe eines Spannungsteilers auf Ihrer 5-V-Schiene. Ich denke, dies wird Ihre Hauptgeräuschquelle sein - jedes Geräusch auf Ihrer 5-V-Schiene wird direkt in Ihren Stromkreis eingespeist.

In Ihrer Simulation können Sie sehen, wie stark dieser Einfluss in Ihrer Schaltung ist. Stellen Sie in Serie mit V4 eine Geräuschquelle auf und beobachten Sie den Aufprall.

Wenn Sie einen Spannungsteiler verwenden, um 2,5 V zu erzeugen, sollten Sie einen Spannungsregler oder einen Spannungsreferenz-IC verwenden. Auf diese Weise können Sie Rauschen besser aus Ihrer Referenz entfernen, als dies mit einer angemessenen Entkopplungskapazität jemals möglich wäre.

Sie benötigen extrem saubere Energie, um Ihr Mikrofon vorzuspannen. Die rohen + 5V von einer USB-Verbindung sind wahrscheinlich einer der schlechtesten Orte, um Strom für diesen Zweck zu erhalten. Das Rauschen an der Vorspannungsversorgung wird ohne jegliche Dämpfung direkt an den Eingang der ersten Stufe angelegt.

Ich benutze immer mindestens einen "T" -Filter, um meine Mikrofonschaltungen vorzuspannen:

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

In besonders ungeheuerlichen Situationen kann R1 mit einem Induktor kombiniert oder durch diesen ersetzt werden, oder es wird eine zweite RC-Filterstufe hinzugefügt.

Ich denke, das liegt daran, dass Sie das Mikrophon nicht richtig angeschlossen haben:

Sie haben nicht genau gezeigt , wie Sie das Mikrofon angeschlossen haben , aber wenn Sie es so angeschlossen haben, wie Sie die Wechselspannungsquelle in Ihrem Schaltplan angeschlossen haben, kann ich Ihnen sagen, dass Sie ein Problem haben: Es hat keine Stromversorgung.

Elektretmikrofone enthalten normalerweise einen Verstärkungstransistor, der eine Versorgungsspannung benötigt, die ich nirgendwo sehe.

Dies geschieht einfach durch Anschließen eines Pull-up-Widerstands von mehreren kOhm an die Signalleitung ("MIC").

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

4 Operationsverstärker helfen nicht, Sie multiplizieren das verfügbare Rauschen mit dem Signal. Besonders auf Steckbrett ohne Entkopplung