El condensador de filtrado solo agrega ruido en un divisor de riel

Digamos que necesito hacer un esquema de inversión de señal de muy bajo ruido. Para eso, se me ocurrió el esquema a continuación: el U2 es un amplificador operacional de bajo ruido en una configuración inversora, y el esquema alrededor de U1 es un divisor de riel que se ve típicamente en los pedales de guitarra: proporciona el nivel de "tierra" para el U2, convirtiendo así una fuente de alimentación unipolar en una bipolar.

El problema es que la simulación muestra que la eliminación del condensador de filtrado C2 mejora drásticamente las características del ruido por alguna razón. Cuando se conecta C2, hay un pico muy claro en torno a los 20 kHz, mientras que al quitarlo se elimina el pico (también se muestran los gráficos a continuación).

Entonces, la pregunta es: ¿qué causa este pico? ¿Por qué no puedo agregar filtrado adicional usando el capacitor C2 (incluso la hoja de datos TLE2426 del divisor de riel sugiere dejar solo el capacitor C1)? Ni siquiera mejora las características del ruido en el rango de frecuencia de ~ 1 kHz, entonces, ¿cuál es el punto? En los pedales de guitarra las características del ruido no son tan importantes, pero aun así, ¿por qué está ahí entonces en los pedales de guitarra si no mejora las características en ninguna frecuencia? ¿Alguna sugerencia sobre si debo quitar el capacitor C2 en mi caso o cómo debo volver a implementar el divisor de rieles?

PD: si no está claro: he usado el mismo esquema para ambas pruebas, la única diferencia es el capacitor C2. En ambos casos, probé el esquema completo que se muestra a continuación con U1 y U2, ¡estos no son esquemas separados! La entrada y la salida son la entrada y la salida U2, U1 solo proporciona el voltaje del riel medio. Acabo de intentar quitar el capacitor C2 de este esquema.

Esquema y gráficos

Respuestas (2)

Como dijo @brhans, la mayoría de los amplificadores operacionales se vuelven inestables en la configuración de ganancia unitaria si impulsan la carga capacitiva. Ese es el caso, cuando pones grandes 10uF C2. De acuerdo con la hoja de datos TL072, hay una resistencia de salida de 128 ohmios, lo que hace que el circuito RC esté en conjunción con C2. Hace un cambio de fase adicional, que en alguna frecuencia convierte la retroalimentación negativa en positiva, lo que lleva a la oscilación. ¿Por qué quieres usar C2?

Si el propósito es filtrar el ruido adicionalmente, entonces, como sugiere @brhans, use una resistencia en serie con C2. Sí, aumentará la resistencia de salida de CC del divisor, pero desacoplará la gran capacitancia del bucle de retroalimentación y eliminará la oscilación. Además, puede seleccionar opamp que sea 'capaz de manejar cargas capacitivas ilimitadas', por ejemplo, AD826.

Creo que C2 es necesario para eliminar cualquier ruido inducido, ¿no? La resistencia de bajo ohmio en serie con el C2 parece resolver el problema para mí, sin embargo, no es una solución perfecta. AD826, por cierto, todavía hace que aparezca el pico, pero a una frecuencia de 300k en lugar de 20k. Todavía no es una solución perfecta.
@ sx107, ¿qué es el 'ruido inducido'? En mi opinión, C2 filtrará el ruido producido por el amplificador operacional U1 (por cierto, AD826 tiene un ruido de voltaje más bajo que TL072). Si no es necesario (el ruido ya es aceptable para la aplicación y la carga no genera pulsos de corriente), no use C2 en absoluto. Además, supongo que el pico a 20 kHz (o a 300 kHz) puede aparecer como un artefacto de simulación. Sin embargo, la mayoría de los amplificadores operacionales en configuración de ganancia unitaria tienden a oscilar al ser cargados por una gran capacitancia. Entonces, vale la pena hacer mediciones reales.

Ese límite es potencialmente muy importante, ya que reduce el efecto del ruido en la línea de alimentación. En el peor de los casos, si la salida del circuito impulsa una carga de alta potencia, todo el sistema puede oscilar a medida que los efectos de impulsar la carga retroalimentan la entrada.

En cuanto al pico de ruido, no tengo ni idea. Sin embargo, sería muy bueno si ejecutara los dos circuitos usando el mismo amplificador operacional y el mismo circuito. Es decir, inversor vs inversor o seguidor vs seguidor. Tal como está, sus resultados no son directamente comparables.

Me parece que estamos viendo el TL072 inestable y oscilante debido a la gran carga capacitiva. No describiría un pico agudo como ese como 'ruido'.
@brhans Probé este esquema con diferentes amplificadores operacionales y con el IC divisor de riel TLE2426. Los resultados son los mismos, agregar un capacitor entre tierra ("carril negativo") hace que aparezca ese pico. Lo acabo de probar con un regulador LM317 y el pico no aparece en ese caso, pero quizás sea porque Proteus simula LM317 como un regulador ideal.
@WhatRoughBeast Probé el mismo esquema para ambos casos, U1 solo proporciona el voltaje del riel medio. La única diferencia es el condensador C2. U1 y U2 forman el esquema completo, con o sin el capacitor C2.
@ sx107: a muchos (¿la mayoría?) A los amplificadores operacionales no les gusta conducir directamente grandes cargas capacitivas. Si debe tener C2, le sugiero una resistencia entre él y el opamp, tal vez 10R más o menos.
@brhans ¿Eso no reduce la resistencia de salida del divisor de rieles? En el caso de este esquema, no cambia mucho, pero si, por ejemplo, uso un filtro RC, afectará mucho las características de frecuencia.
@ sx107: aumentará la resistencia de salida, y sí, eso lo hará menos 'ideal'. Pero hará que el opamp sea más feliz.
@ sx107: una manifestación probable de "no me gusta conducir directamente grandes cargas capacitivas" es la oscilación, que estoy seguro de que estará de acuerdo en que no es buena en absoluto.
El condensador de filtrado solo agrega ruido en un divisor de riel
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