¿Por qué el circuito de filtrado y amplificación de mi micrófono electret emite tanto ruido?

Información de contexto

Actualmente estoy diseñando un circuito de acondicionamiento de entrada que amplifica y filtra una señal de micrófono electret 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 0-5 V, por lo que amplifiqué la señal a una amplitud de 2,5 V con una compensación de CC de 2,5 V. La frecuencia de muestreo del ADC es de 15,625 kHz, por lo que diseñé el filtro de paso bajo para que tenga una atenuación de 48 dB (rango dinámico de 8 bits) para una frecuencia de ~7,8 kHz y una frecuencia de corte de ~4 kHz.

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 usando amplificadores operacionales LM6484 con un suministro de 5V. El suministro de 5V proviene de cualquier dispositivo con un puerto USB, generalmente se usa un puerto USB de computadora para alimentar este circuito.

Un esquema del circuito se muestra a continuación:

Circuito de acondicionamiento de micrófonos

Un esquema de la configuración del micrófono:

configuración de micrófono electret

La resistencia de 1,5 k ohmios se especificó 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 30 mV se midió con un osciloscopio.

El capacitor de 1uF fue 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 esquema crea los 2,5 V necesarios para polarizar la señal.

Mi problema

Ruido. Después de hacer una grabación, puedo escuchar mi voz, sin embargo, hay un zumbido fuerte y constante. Ejemplo de grabación:

instaud.io/Xhu

ingrese la descripción de la imagen aquí

lo que he probado

Intenté insertar múltiples condensadores de desacoplamiento/derivación en cada amplificador IC, antes y después de cables de alimentación largos y periódicamente a lo largo de los rieles de alimentación en mi placa de pruebas.

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

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

Mi pregunta

¿Hay fallas obvias en mi diseño que podrían estar causando o aumentando el ruido generado por mi circuito?

¿Podría el ruido ser simplemente el resultado de que el circuito se construyó en una placa de prueba y posiblemente las conexiones defectuosas?

"El suministro de 5 V proviene de cualquier dispositivo con un puerto USB, generalmente se usa un puerto USB de computadora para alimentar este circuito". ahí tienes una de las principales fuentes de ruido.
También verifique y vea si la señal del micrófono es limpia. Si tiene ruido, lo estarás amplificando junto con la señal de voz. Es posible que tenga ruido en el suministro de polarización del micrófono.
Y también necesita sesgar el lado del amplificador operacional del capacitor de desacoplamiento, de lo contrario, su nodo de entrada hará estupideces.
@PlasmaHH Gracias por el consejo, encontré algunos buenos recursos para limpiar las fuentes de alimentación USB.
@Asmyldof Estaba pensando lo mismo, pero ¿no está lo suficientemente conectado el terminal + a vref?
+ a Vref es suficiente en una etapa de inversión, ya que la corriente de polarización fluirá en la resistencia de retroalimentación y la tapa garantiza que el nodo de entrada tenga una Z alta en CC.
Dado que el electreto polarizado de fuente común JFET es un sumidero de corriente, Vdd debe estar libre de ruido y es una fuente diferencial desequilibrada, por lo que la EMI SMPS desviada de modo común se induce en R pull-up a lo largo del cable, por lo que un estrangulador de ferrita CM eliminará el ruido o cable blindado , además de un mejor filtrado de CC. Además, un límite de RF en la entrada suprimirá SMPS y AM radio EMI, etc. visibles como ruido ultrasónico. El zumbido del ruido de modo común de línea E-Field es parte de lo que escuchas del blindaje deficiente y el cable fuente desequilibrado.
@VladimirCravero Schematic se ha ido tontamente ahora, pero ¿a dónde crees que va el timbre fuera de banda? ¿O compensar la corriente? ¿Mágicamente a ninguna parte? Editar/ups: tarde en la noche después de la cerveza. El esquema no se ha ido, solo un gran esquema adicional.

Respuestas (5)

Hay una serie de problemas con este circuito:

  1. La entrada a la referencia no se filtra.

    R5 y R4 generan la mitad del voltaje de suministro, pero también transfieren la mitad de cualquier ruido que haya en el suministro. Debe haber una tapa a tierra a través de R4. Comenzaría con alrededor de 2 µF.

  2. No hay suministro de polarización para el micrófono.

    Dijiste que esto era un electreto, por lo que debería haber un aumento de 5 V. Por lo general, estos deberían ser unos pocos kΩ. Consulte la hoja de datos de su micrófono.

    También debe filtrar el voltaje pullup para evitar que el ruido de la fuente de alimentación se alimente directamente al micrófono. Quizás 1 kΩ de 5 V seguido de 20 µF a tierra, luego 2 kΩ al micrófono. Una vez más, consulte la hoja de datos del micrófono.

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

    Lo anterior muestra el poder de un solo opamp, pero todos tienen el mismo problema. Para un rechazo de ruido aún mejor, especialmente para el amplificador de primera etapa que se muestra arriba, coloque un inductor de chip de ferrita en serie seguido de 10 µF o menos de cerámica a tierra. Eso reduce las altas frecuencias, como las de las estaciones de radio, que el circuito activo en el opamp no puede manejar bien.

  4. Baja ganancia. La primera etapa se 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 opamp puede manejarlo. No proporcionó un enlace a la hoja de datos opamp, por lo que no lo busqué. En cualquier caso, ciertamente hay amplificadores operacionales disponibles que pueden funcionar desde 5 V y proporcionar una ganancia de bucle cerrado de aproximadamente 30 a 20 kHz con mucho margen de ganancia para que la retroalimentación haga su trabajo.

    Un amplificador de micrófono generalmente necesita una ganancia de alrededor de 1000 a todo volumen para llegar a las señales de nivel de línea. Dos etapas de ganancia al frente con una ganancia de 30 cada una suelen estar bien, con un control de volumen entre las dos.

    Una vez que se ha amplificado la señal, cualquier ruido agregado es una fracción mucho menor del total.

  5. Desacople las entradas Vref a cada etapa. U5 no es perfecto. Tendrá algo de ruido. Su impedancia de salida tampoco es 0, por lo que habrá algunas conversaciones cruzadas 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 para cualquier audio normal. La eliminación de las etapas del filtro reducirá el ruido. Todo añade ruido, así que no pongas más cosas en la ruta de la señal de las que realmente necesitas.

Gracias por la respuesta detallada. Definitivamente revisaré todas sus sugerencias, actualicé mi publicación original para mostrar la configuración del micrófono, incluido el suministro de polarización. Utilicé condensadores de derivación cuando prototipé el circuito en una placa de prueba, sin embargo, parece que su sugerencia para los condensadores de derivación será mucho más efectiva que lo que estaba usando anteriormente.
El mayor problema con esta respuesta incorrecta es que el electret es una salida JFET de fuente común, por lo que la fuente NO es una fuente de voltaje, sino una fuente de corriente (IDSS) y, por lo tanto, la impedancia de la fuente es el Mic pull-up R que contribuye al ruido térmico.
un cable de micrófono desequilibrado y mal blindado contribuye con la mayor parte del zumbido y el ruido de RF. ¡Otros factores como el estrangulador de CM y el límite de RF en la salida de drenaje ayudan más! La mayoría de los buenos micrófonos vienen con un estrangulador CM de ferrita con forma de concha moldeado en el cable.
Re 1: ¡No importa que la resistencia equivalente a 5k de la fuente misma sea ruidosa! Re 3: Los bucles de retroalimentación del amplificador operacional tampoco limitan adecuadamente el ancho de banda. ¡ Tiene que haber un capacitor en cada resistencia de retroalimentación negativa!

Necesita energía extremadamente limpia para sesgar su micrófono. Los +5V sin procesar de una conexión USB es probablemente uno de los peores lugares para obtener energía para este propósito. El ruido en el suministro de polarización se aplica directamente a la entrada de la primera etapa esencialmente sin atenuación.

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

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

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

¡Esto me ayudó mucho! Tenga en cuenta que la solución obvia de poner un límite grande sobre Vcc no es ideal porque no a todas las fuentes de alimentación les gusta una carga capacitiva. Por ejemplo, puede obtener la compensación de un convertidor DC-DC para oscilar. El filtro T elimina este problema al tiempo que reduce considerablemente el ruido en el suministro del micrófono. Sin embargo, Joren también tiene razón al señalar que el ruido en la referencia de 1/2Vcc debe filtrarse.

Está generando el voltaje de referencia utilizando un divisor de voltaje en su riel de 5V. Creo que esta será su principal fuente de ruido: cualquier ruido en su riel de 5V se inyectará directamente en su circuito.

En su simulación, puede ver cuán fuerte es este impacto en su circuito. En serie con V4, pon una fuente de ruido y observa el impacto.

Si va a utilizar un divisor de voltaje para generar 2,5 V, tal vez considere usar un regulador de voltaje o un IC de referencia de voltaje. Esto hará un mejor trabajo para eliminar el ruido de su referencia que cualquier cantidad razonable de capacitancia de desacoplamiento.

Cierto, pero comience colocando unos cientos de uF en R4. Además, hago que la primera etapa gane 6.2, no 62... También su cadena de filtro tiene una ganancia de baja frecuencia que está en algunas aproximaciones mentales ~ 12, no 22.
@Dan Mills Perdón por la ganancia de 62, fue un error tipográfico. He actualizado la publicación. Gracias por la corrección en la ganancia del filtro, echaré un vistazo a mis cálculos para ver dónde me equivoqué.
@Joren Vaes Buscaré usar un regulador de voltaje, gracias por el consejo
Un filtro RC servirá para un drenaje de ~2mA. No necesita un LDO, por favor lea todos mis otros comentarios sobre el ruido.
Hice lo que dice Dave Tweed (filtro en la polarización del micrófono) y lo que sugiere Dan, es decir, un condensador (10 μ) a tierra desde 1/2 Vcc. En combinación, redujeron el ruido en el suministro lo suficiente para mis propósitos.

Supongo que es porque no conectaste bien el micrófono:

No mostró cómo conectó el micrófono exactamente , pero suponiendo que lo conectó como conectó la fuente de voltaje de CA en su esquema, puedo decirle que tiene un problema: no tiene una fuente de alimentación.

Los micrófonos electret 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").

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Lo siento, debería haber incluido un esquema que muestre cómo conecté el micrófono en la pregunta original. Edité la pregunta para mostrar un esquema de la configuración del micrófono ( i.stack.imgur.com/9G2Yj.png ).
Esta es la configuración correcta para la polarización de CC de un micrófono eléctrico, pero en realidad es un JFET polarizado por IDSS, así que modele como una fuente de corriente con pull-up en serie para el modelo de Thevenin.

4 Los amplificadores operacionales no están ayudando, está multiplicando cualquier ruido disponible tanto como la señal. especialmente en protoboard sin desacoplamiento

No estoy seguro de por qué te votaron negativo. Este circuito fácilmente podría ser solo un amplificador operacional y aún tener un filtro de paso bajo y de paso alto.
¿Por qué el circuito de filtrado y amplificación de mi micrófono electret emite tanto ruido?
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