Reducción del ruido en el circuito de audio (captador óptico + amplificador operacional)

Estoy construyendo una pastilla óptica usando un fotodiodo conectado a un amplificador operacional LM741 . Mi circuito es similar a este:

circuito de fotodiodo

Excepto que agregué un filtro de paso alto pasivo después de la salida del amplificador operacional, para eliminar la CC (ya que estoy usando 0V y +12V como mi V- y V+, respectivamente). Yo uso Rf=500K Ohm (¿es esto demasiado?). Además, tengo un LED adyacente al fotodiodo que sirve como fuente de luz. El LED se alimenta con 5 V y el amplificador operacional con 12 V, ambos desde una fuente de alimentación de PC. El fotodiodo y el LED se conectan al circuito mediante un cable de guitarra ("PL") de 2 m de largo.

El circuito funciona y produce señal de audio cuando modula la intensidad de la luz que incide sobre el fotodiodo, pero mi problema es que la señal es muy ruidosa. Puedo oír/ver dos tipos de ruido:

  1. Ruido eléctrico similar a una pastilla de guitarra eléctrica ruidosa. Sospecho que se origina en el cable largo (o en la punta del mismo, donde se conectan el fotodiodo y el LED) que recoge el ruido electromagnético ambiental. Este ruido está presente todo el tiempo, incluso cuando no brilla ninguna luz sobre el fotodiodo.
  2. Otro ruido está presente solo cuando se genera una señal, es decir, solo cuando modula la intensidad de la luz. Sospecho que es el resultado de amplificar el ruido térmico, ya que mi ganancia es muy alta.

Me gustaría saber cuál es el mejor enfoque, o en otras palabras, por dónde empezar en mi esfuerzo por eliminar el ruido:

  • Mejorar la relación señal/ruido en la fuente, es decir, optimizando las condiciones físicas (luz ambiental, precisión de la posición del fotodiodo, etc.).
  • Usar un circuito diferente: he visto muchas sugerencias en la web y comencé con la más simple.
  • Usando un amplificador operacional diferente, uno que sea más adecuado como preamplificador de audio.
  • Mejora del blindaje de la propia pastilla, para eliminar el ruido ambiental electromagnético.
  • Usar baterías como fuente de alimentación en lugar de la fuente de alimentación de la PC (estoy pensando que tal vez parte del ruido proviene de la red eléctrica).
  • Si ninguna de las anteriores, ¿cuál sería su sugerencia?
¿Puede proporcionar un enlace a la hoja de datos del amplificador operacional que está utilizando?
@vicatcu: Está usando un 741. Dado que eso es totalmente inapropiado, sus especificaciones no importan.
Coloque la cosa en una habitación oscura y luego cúbrala para bloquear aún más la luz. ¿El ruido sigue ahí? Sospecho que parte (tal vez incluso la mayoría) del ruido proviene de la luz "ambiental".
¿33 vistas en este punto y soy el primer voto a favor? Sé que la gente quiere cosas como hojas de datos antes de votar a favor, pero para algunas de las basuras que veo votadas a favor, ¿no deberíamos promocionar a alguien que realmente se acerque y dé un intento sólido en un problema que les resulta complejo y luego hagan una pregunta? Ni siquiera tiene una edición y ya tiene muchos de los detalles que necesita.
@vicatcu: Agregaré un enlace a la hoja de datos. David Kessner: Lo intentaré e informaré, aunque creo que la luz ambiental solo agrega una CC a la señal.

Respuestas (1)

Varias cosas:

  1. Un cable largo que lleve el nodo más sensible de todo el sistema es una mala idea. Proteja con cuidado y luego acople firmemente el amplificador a la pastilla. Luego puede enviar la señal de impedancia más baja de nivel más alto a través del cable largo.

  2. Un 741 es una broma en esta aplicación. Busque un opamp de bajo ruido. Hay amplificadores específicamente para aplicaciones de audio donde el ruido importa mucho. Incluso un dispositivo de propósito general como un TL07x será mucho mejor que un 741, tanto en ganancia como en ancho de banda.

  3. Las aplicaciones que necesitan una buena linealidad y respuesta de frecuencia suelen utilizar un fotodiodo en configuración de polarización inversa. Piense en ello como un diodo que se filtra proporcionalmente a la luz.

  4. No intente obtener toda la ganancia en una sola etapa, especialmente en la primera. La primera etapa debe tomar la pequeña señal de entrada y hacer que sea más fuerte y de menor impedancia, de modo que sea mucho menos susceptible al ruido. El amplificador de primera etapa puede hacer esto mejor si no funciona cerca de su producto de ancho de banda de ganancia. No tiene que preocuparse por el voltaje de compensación, ya que el audio se puede acoplar en CA entre etapas. La segunda etapa puede generar una señal fuerte y agradable que se puede enviar a través de un cable de 2 m.

El diseño de circuitos de audio consiste principalmente en pensar detenidamente en el ruido en cada paso del camino. El ancho de banda puede ser bajo, pero la relación señal/ruido debe ser muy alta.

No tiene un riel negativo en el circuito pero está usando un inversor sin compensación. Esto probablemente solo obtiene tan poco ruido del recorte como lo hace debido al desplazamiento generado por el amplificador operacional y el tamaño relativo de la señal. El pase alto probablemente también ayude a lidiar con el recorte. me gusta su lista y pensé que este podría ser un elemento más que vale la pena agregar, realmente no vale la pena como una respuesta singular.
@Olin Lathrop: Gracias, su respuesta es muy útil. ¿Puede explicar qué quiere decir con "acoplar firmemente el amplificador a la pastilla"? Además, ¿qué quiere decir con "... si no se ejecuta cerca de su producto de ganancia de ancho de banda"? Con respecto al desplazamiento de CC, la única razón por la que quería eliminarlo es que no estaba seguro de si el amplificador de bajo y guitarra al que estoy alimentando la señal puede manejar CC. ¿Qué recomiendas como segunda etapa?
@Kortuk: estoy usando un alcance para asegurarme de que mi señal esté dentro del rango dinámico del amplificador operacional, es decir, no hay recorte en la señal en las condiciones de luz que estoy usando.
@Itamar: Al acoplar firmemente me refiero a colocar el amplificador físicamente cerca de la fuente. La pastilla y el amplificador juntos pueden protegerse más fácilmente y no habrá cables largos para captar el ruido. En general, trate de dejar un margen de 10x entre su ganancia y el producto de ancho de banda de ganancia. Por ejemplo, con un amplificador operacional de 1 MHz, su ganancia de bucle abierto a 20 kHz es 50. Eso significa que debe evitar ganancias de bucle cerrado superiores a 5 para ese amplificador si su frecuencia máxima de interés es de 20 kHz.
@OlinLathrop: Muchas gracias. ¿El límite que sugiere en la ganancia de bucle cerrado es aplicable a todas las etapas de amplificación (primera y segunda)? ¿No es una ganancia demasiado pequeña para mi aplicación?
@Itamar: como dije, si está utilizando un opamp en modo de circuito cerrado con retroalimentación negativa, es una buena idea tener una ganancia de voltaje de 10 headroom. Mi ejemplo de 5x fue con un amplificador operacional de 1 MHz. Se puede usar un amplificador operacional de 10 MHz para hacer 50x. No me gustaría pasar de 100x por etapa por otras razones. Usted se ocupa de esa limitación mediante el uso de múltiples etapas. Recuerde acoplar CA entre etapas para que el voltaje de compensación no se amplifique junto con la señal.
Olin, ¿cómo se hace esto: "El amplificador de primera etapa puede hacer esto mejor si no se ejecuta cerca de su producto de ancho de banda de ganancia" ¿Quiere decir que mantenga la ganancia de modo que sea menor que x? ¿Qué es x? Entiendo que Ancho de banda = (GBP/Ganancia de circuito cerrado) ¿Cómo se controla el ancho de banda y GBP al mismo tiempo? ¿Cómo afecta esto la entrada de CC? Disculpas si esta es una pregunta muy básica, pero estoy tratando de aprender el punto "feliz" de cualquier opamp de una manera más simple.
@Anuj: El producto de ancho de banda de ganancia del amplificador operacional es lo que el fabricante hizo y busca en la hoja de datos. La ganancia general de bucle cerrado es algo que usted decide. Estoy diciendo que debe establecer la ganancia de bucle cerrado en 1/10 o menos del ancho de banda de ganancia opamp dividido por la frecuencia más alta de interés.
Reducción del ruido en el circuito de audio (captador óptico + amplificador operacional)
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