¿Por qué mi circuito amplificador y filtro de micrófono electret produce tanto ruido en la salida?

Question

Información de fondo

Actualmente estoy diseñando un circuito de acondicionamiento de entrada que amplifica y filtra una señal de micrófono de electreto en preparación para que la señal sea procesada por un ADC (convertidor analógico a digital) y escrita en una tarjeta SD desde un microcontrolador.

El ADC tiene un rango dinámico de 0-5V, por lo que he amplificado la señal a una amplitud de 2.5V con un offset de DC de 2.5V. La frecuencia de muestreo del ADC es de 15.625kHz, por lo que he diseñado el filtro paso bajo para tener una atenuación de 48dB (rango dinámico de 8 bits) para una frecuencia de ~7.8kHz y una frecuencia de corte de ~4kHz.

Como resultado de las consideraciones de diseño anteriores, mi circuito consta de un amplificador inversor con una relación de ganancia de voltaje de ~6.2 y un filtro Chebyshev de sexto orden con una ganancia de ~12.

Estoy utilizando amplificadores operacionales LM6484 con una fuente de alimentación de 5V. La fuente de alimentación de 5V se obtiene de cualquier dispositivo con un puerto USB, generalmente se usa un puerto USB de computadora para alimentar este circuito.

A continuación se muestra un esquemático del circuito:

Un esquemático de la configuración del micrófono:

La resistencia de 1.5k ohmios fue especificada en la hoja de datos del micrófono.

La fuente de voltaje de CA se usa para modelar la salida del micrófono, la amplitud de salida de 30mV fue medida con un osciloscopio.

El capacitor de 1uF se utilizó para eliminar el sesgo encontrado al medir la salida del micrófono (2.6V).

El divisor de voltaje en el seguidor de ganancia unitaria en la parte superior izquierda del esquemático crea los 2.5V necesarios para sesgar la señal.

Mi Problema

Ruido. Después de hacer una grabación, puedo escuchar mi voz, sin embargo, hay un ruido zumbante constante y fuerte. Grabación de muestra:

instaud.io/Xhu

Lo que he intentado

He intentado insertar múltiples condensadores de desacoplamiento alrededor de cada IC amplificador, antes y después de cables de alimentación largos y periódicamente a lo largo de las líneas de alimentación en mi protoboard.

También he intentado colocar un filtro paso bajo RC en la salida de mi amplificador inversor para eliminar cualquier ruido de alta frecuencia generado por el amplificador operacional.

Ninguno de mis intentos para mitigar el ruido ha funcionado o ha tenido un impacto audible en la grabación.

Mi pregunta

¿Hay alguna falla obvia en mi diseño que podría estar causando o contribuyendo al ruido generado por mi circuito?

¿Podría el ruido simplemente ser el resultado de que el circuito está construido en una protoboard y posiblemente conexiones defectuosas?

Answer 1

Hay varios problemas con este circuito:

1. La entrada a la referencia no está filtrada.

   

   Las resistencias R5 y R4 dividen la mitad del voltaje de suministro, pero también transfieren la mitad del ruido que esté en el suministro. Debería haber un condensador a tierra a través de R4. Empezaría con alrededor de 2 µF.

2. No hay suministro de polarización para el micrófono.

   

   Dijiste que era un electrecto, por lo que debería haber una resistencia de pullup a 5 V. Normalmente estas deberían ser de unos pocos kΩ. Consulta la hoja de datos de tu micrófono.

   También deberías filtrar el voltaje de pullup para evitar que el ruido de la fuente de alimentación se transfiera directamente al micrófono. Tal vez 1 kΩ desde 5 V seguido de 20 µF a tierra, luego 2 kΩ al micrófono. Nuevamente, consulta la hoja de datos del micrófono.

3. ¡No hay condensadores de derivación en ninguna parte!

   

   Lo anterior muestra la alimentación solo a un amplificador operacional, pero todos tienen el mismo problema. Para una mejor rechazo del ruido, especialmente para el amplificador de la primera etapa mostrado arriba, coloca un inductor de chip de ferrita en serie seguido de unos 10 µF de cerámica a tierra. Eso reduce las altas frecuencias, como las captadas de las emisoras de radio, que la circuitería activa en el amplificador operacional no puede manejar bien.

4. Baja ganancia. La primera etapa amplifica un poco más de 6. Eso por sí solo está bien, aunque me gustaría ver un poco más de la primera etapa si el amplificador operacional puede manejarlo. No proporcionaste un enlace a la hoja de datos del amplificador operacional, por lo que no lo revisé. En cualquier caso, ciertamente hay amplificadores operacionales disponibles que pueden funcionar con 5 V y proporcionar una ganancia a lazo cerrado de aproximadamente 30 a 20 kHz con suficiente margen de ganancia para que la realimentación haga su trabajo.

   Un amplificador de micrófono generalmente necesita una ganancia de alrededor de 1000 a volumen completo para llegar a señales de nivel de línea. Dos etapas de ganancia al frente con una ganancia de 30 cada una suele ser lo correcto, con un control de volumen entre las dos.

   Después de que la señal ha sido amplificada, cualquier ruido agregado es una fracción mucho menor del total.

5. Desacopla las entradas de Vref a cada etapa. U5 no es perfecto. Tendrá algo de ruido. Su impedancia de salida tampoco es 0, por lo que habrá algo de diafonía entre etapas. Incluso solo 1 kΩ en serie seguido de 20 µF a tierra en cada punto de uso ayudaría.

6. ¿Realmente necesitas todo ese filtrado? Esto es demasiado excesivo para un audio normal. Eliminar etapas de filtro reducirá el ruido. Todo agrega ruido, así que no pongas más cosas en el camino de la señal de las que realmente necesitas.

Answer 2

Necesitas extremadamente limpiar la potencia para polarizar tu micrófono. La fuente de +5V cruda de una conexión USB probablemente sea uno de los peores lugares de donde obtener energía para este propósito. El ruido en la alimentación de polarización se aplica directamente a la entrada de la primera etapa con prácticamente ninguna atenuación.

Siempre uso al menos un filtro "T" para polarizar mis circuitos de micrófono:

simula este circuito – Esquemático creado usando CircuitLab

En situaciones particularmente graves, R1 podría combinarse o reemplazarse por un inductor, o se agregaría una segunda etapa de filtro RC.

Answer 3

Estás generando el voltaje de referencia usando un divisor de voltaje en tu riel de 5V. Creo que esto va a ser tu principal fuente de ruido: cualquier ruido en tu riel de 5V será inyectado directamente en tu circuito.

En tu simulación, puedes ver qué tan fuerte es este impacto en tu circuito. En serie con V4, pon una fuente de ruido y observa el impacto.

Si vas a usar un divisor de voltaje para generar un 2.5V, quizás deberías considerar usar un regulador de voltaje o un circuito integrado de referencia de voltaje. Esto hará un mejor trabajo en eliminar el ruido de tu referencia que cualquier cantidad razonable de capacitancia de desacoplamiento jamás podrá.

Answer 4

Supongo que es porque no conectaste correctamente el micrófono:

No mostraste cómo conectaste el micrófono exactamente, pero suponiendo que lo conectaste como conectaste la fuente de voltaje de CA en tu esquema, puedo decirte que tienes un problema: no tiene una fuente de alimentación.

Los micrófonos de electreto normalmente incluyen un transistor amplificador que necesita un voltaje de suministro que no veo en ninguna parte.

Se hace simplemente conectando una resistencia pull-up de varios kOhm a la línea de señal ("MIC").

simula este circuito – Esquema creado utilizando CircuitLab

Answer 5

4 Op-Amps no están ayudando, estás multiplicando cualquier ruido disponible tanto como la señal. especialmente en un protoboard sin desacoplamiento