Desacoplamiento adecuado

Con los condensadores de desacoplamiento, siempre debe intentar colocarlos lo más cerca posible del IC. La mayoría de las veces, las hojas de datos le indicarán los capacitores de desacoplamiento recomendados para usar, y es una buena idea seguir eso y aumentarlos si es necesario. La hoja de datos de TL072 (página 32) indica que se deben usar tapas de 0,1 uF (100 nF) cerca de los pines de la fuente de alimentación.

En cuanto a su IC de bomba de carga, estos siempre van a tener ruido debido a la operación del IC. El capacitor de 10uF en la salida debe colocarse lo más cerca posible del IC, y también puede agregar un límite de 100nF en paralelo si lo desea, para ver si eso ayuda.

Si esto no resuelve su problema, use un osciloscopio para tratar de identificar cualquier exceso de ruido y ver si puede encontrar de dónde proviene.

Después de mirar su diseño:

Tienes un IC de bomba de carga. Esto extraerá pulsos de corriente de su entrada, que es el riel de +5V. Este está mal desacoplado, ya que necesitaría un cap mucho más grande como este . 100nF no es suficiente, por lo que su riel de +5V será ruidoso. Un filtro en la entrada de la bomba de carga también podría ayudar a evitar la contaminación del riel de +5V.

Luego, estos pulsos de corriente se transfieren al riel de -5V. Si su tapa de 10 µF es una tapa estándar de aluminio de uso general de 10 µF, tendrá varios ohmios de ESR, lo que la hace inútil para filtrar ese ruido. También los 100nF son de orificio pasante y película, nuevamente inútiles porque la inductancia es muy alta. Un condensador cerámico SMD X7R de 1 µF ofrecería un filtrado mucho mejor (ESL de aproximadamente 1 nH si se monta correctamente frente a 4-6 nH para la tapa de película de paso de pin de 5 mm, más la longitud del rastro).

La tapa de 470 µF que vinculé anteriormente tiene una ESR de aproximadamente 0,1 ohm y un excelente rendimiento de HF (para un electrolítico) y funciona maravillosamente con una tapa de cerámica SMD de 1 µF. Además, son baratos y duran para siempre.

Por lo tanto, haría esto:

Entre los dos amplificadores operacionales, coloque una tapa de aluminio por riel (+5V y -5V). No es necesario que estas tapas de aluminio tengan una ESR baja, obtenga la mayor cantidad de µF que se ajusten con un espacio entre pines de 2,5 mm. Se pueden agregar límites adicionales de 100nF, pero no es necesario para un amplificador operacional lento como TL072. Si usa un opamp más rápido del tipo riel a riel debido a que sus 5V son demasiado bajos para TL072, luego agregue tapas de cerámica SMD de 1 µF, puede ahorrar uno o dos centavos adicionales en comparación con 100nF, ¿verdad?

Luego le pondría un filtro a la entrada ya la salida de la bomba de carga. Pruebe esta perla de ferrita, por ejemplo. Dé a la bomba de carga límites locales en la entrada y la salida (la de Panasonic que vinculé + 1 µF MLCC).

Ahora también tiene un problema con el diseño del suelo de su bomba de carga. Si observa detenidamente, notará que los pines de tierra de la tapa de entrada y salida no están conectados estrechamente con el pin GND del chip, lo que significa que los pulsos actuales viajarán el camino largo a través del vertido de tierra del circuito. Y está muy cerca del conector de entrada, por lo que tendrás inyectado ruido de tierra. Por lo tanto, proporcione a la bomba de carga su isla de tierra local y conéctela a la tierra principal en un punto...

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Desacoplamiento de amplificadores operacionales de audio:

Es bastante fácil. No estamos hablando de chips de alta velocidad aquí, tenemos piezas GBW de 10-30 MHz como la suya, NE5532, cosas así. Estos están perfectamente contentos con una impedancia de suministro de cero a decir "unos pocos" ohmios resistivos . Lo que no les gusta es la alta inductancia en el suministro, es decir, largas trazas desde los pines de suministro hasta el condensador.

Si lee una hoja de datos de capacitores de "propósito general", notará un parámetro llamado "tan delta" y obtendrá:

$ESR = \frac{ tan \delta }{ 2 \pi f C }$

Generalmente$tan \delta$se proporciona para 120 Hz, así que configure f = 120 Hz, para un límite estándar de uso general, estará entre 0,2 y 0,3. C es la capacitancia, por lo que un cálculo rápido da una ESR de más de 20 ohmios para un capacitor de 10 µF... esto hace que el capacitor sea bastante inútil. Siempre ten en cuenta que cuando compres una gorra, ¡te regalan una resistencia en serie!

Por lo tanto, elija un capacitor electrolítico con la mayor cantidad de µF que quepa en un paquete conveniente como 6 mm de diámetro y 2,5 mm de espacio entre pines. Esto parecería ser 470 µF . Entonces obtienes una ESR de 0.5-1 ohm que está bien. La cantidad de capacitancia es exagerada, pero a quién le importa, si se trata de un proyecto personal, no está tratando de ahorrar unos centavos. Te llevas 10 de estos por 1,5€. Puede agregar cerámica SMD de 100 nF en paralelo, pero para amplificadores operacionales lentos como TL072 es opcional.

Si insiste en un límite de 10 µF, es posible que incluso tenga problemas para encontrar uno a menos que sea un límite de 50 V o más, porque ya nadie se molesta en hacer los límites de 10 µF y 10 V, costarían lo mismo que 100 µF...

Si desea una mayor vida útil en un lugar cálido, use uno de 105 ° C (por ejemplo, la serie FC o FR que vinculé). Sin embargo, estos tendrán una ESR más baja, por lo que si insiste en tener una tapa de cerámica de 100 nF en paralelo, para no hacer un circuito LC resonante que puede no reaccionar bien al ruido de alta frecuencia de su bomba de carga, no debe seleccionar una tapa con una ESR demasiado baja. ! Entonces, en la serie Panasonic FC, elegiría el 100 µF 10V que se especifica en 0.8 ohm.

Nota: los audiófilos dicen que las mayúsculas de FC suenan como una mierda. La esencia de eso es: no coloque una tapa de ESR baja en paralelo con tapas de cerámica o película a menos que haga los cálculos, tendrá un pico de impedancia debido a la resonancia LC. Las buenas tapas baratas y sencillas funcionan bien. No ponga un límite de $ 2 en su amplificador operacional de $ 0.5;)

A) ¿Qué quiere decir entre los dos amplificadores operacionales?

Entre los dos chips, esto simplificará el enrutamiento de las trazas de energía. Probablemente tendrá que rehacer su tablero debido a la ubicación de la ruidosa bomba de carga cerca del punto más sensible (es decir, las señales de entrada)...

"Entonces, dale a la bomba de carga su isla de tierra local y conéctala a la tierra principal en un punto..." ¿Qué quieres decir con esto?

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Aquí hay una explicación rápida. El bloque a la derecha es su bomba de carga, enviará corrientes pulsadas al suelo (etiquetado como G) y sus propias tapas de desacoplamiento (las 4 tapas a la derecha).

Esto significa que el nodo "G" será ruidoso. Su diseño conecta esto a la tierra de entrada, que inyecta el ruido en la señal de entrada.

Lo que propongo es: agregue cuentas de ferrita en la entrada y salida de energía (o pequeños inductores) para aumentar la impedancia de HF y asegurarse de que los pulsos actuales permanezcan dentro de la tierra local ("G"). La corriente extraída de las tapas principales (que son las tapas de desacoplamiento de sus amplificadores operacionales) ahora debería ser mucho más suave.

Y la única tierra que debe conectar a su tierra de señal es la de la izquierda, no el nodo "G" que es ruidoso.

EDITAR 2

OK, me había perdido el hecho de que este es un escudo de arduino: esto introduce otros problemas, ya que debemos tener cuidado con el ruido generado por el arduino. También creo que esto necesita una revisión de diseño...

TL072 no está especificado para +/- 5V, sus salidas no irán al riel, más como +/- 2V. Si esto es un problema, puede usar un amplificador operacional de salida de riel a cola o suministros superiores.

3V3 de arduino será ruidoso, aunque su filtro RC (R19-R20-C10) debería mitigar el ruido en la línea 1V6. C18 debe tener ESR bajo para un mejor filtrado (me gusta Panasonic FR).

Tenga en cuenta que la etapa de entrada podría realizarse sin el suministro negativo (lo que simplificaría las cosas) si usara un amplificador operacional de entrada/salida de riel a riel en lugar de TL072.

La etapa de salida también se puede hacer sin un suministro negativo: conecte R14 a GND a través de un capacitor (como C3) y el opamp U2A debe polarizarse a 1.6V, que es el promedio de DAC0 y DAC1. Luego puede eliminar C11, conectar el siguiente amplificador operacional como seguidor y deshacerse del suministro negativo.

(Esto es en caso de que decidas rehacer el tablero, por supuesto).

Ahora, en tu tablero actual: ¿de dónde viene el ruido?

Si el circuito integrado de la bomba de carga está enchufado, reemplácelo con una batería de 4,5 V (3AA en serie) que dará cerca de 5 V si las baterías están nuevas. Esto le dará limpio -5V. ¿Se ha ido el ruido? Si es así, usted tiene la causa.

Eliminar C11. Ahora la salida ignorará la salida DAC. ¿Se ha ido el ruido? Luego viene del arduino, DAC o ADC quién sabe.

Vuelva a colocar C11, asegúrese de que su código siempre emita 0 en los DAC, ¿el ruido sigue ahí?

Fui por la bomba de carga porque no había notado el arduino (también el diseño de la bomba de carga y el desacoplamiento son malos) pero el ruido también puede provenir del arduino ... De todos modos, entiendes la idea: ¡divide y vencerás!

Descubre de dónde viene. No tiene sentido rehacer el tablero o jugar con el desacoplamiento si el ruido proviene del arduino...

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Si rehace el tablero: al diseñar los amplificadores operacionales, la parte molesta siempre es cómo enrutar los suministros, por lo que la forma más fácil es hacerlo así:

Cuando los circuitos integrados se colocan en una línea, ambos suministros pasan por debajo de ellos, con las tapas de desacoplamiento al final. Esto permite conectar los dos pines GND de las dos tapas de desacoplamiento en el mismo lugar. Los cuadros etiquetados ABCD son los componentes de retroalimentación para cada opamp. Lo hiciste así, pero uno de tus amplificadores operacionales está girado 180 °, lo que significa que los suministros se cruzan y luego tu diseño es más complicado. Es más fácil colocarlos en la misma orientación y enrutar los suministros primero, antes de enrutar las señales. Dado que usa piezas de orificio pasante, puede usar sus resistencias y tapas como puentes para saltar sobre los rastros de suministro.