Reducción del ruido en el circuito del amplificador del micrófono con mayores ganancias

Estoy usando el siguiente circuito para amplificar la señal de un micrófono de condensador electret para que un microcontrolador la analice y detecte breves ráfagas de sonido. El circuito funciona con un suministro de ~ 4.5 V de 3 baterías AA, por lo que las opciones para amplificadores operacionales son limitadas. Estoy usando un NJM4580D. Hojas de datos para micrófono y opamp vinculados a continuación:

https://www.cuidevices.com/product/resource/cma-4544pf-w.pdf

https://www.njr.com/electronic_device/PDF/NJM4580_E.pdf

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El circuito incluye un potenciómetro para ajustar la ganancia en la segunda etapa. El circuito funciona bien con ganancias bajas con ráfagas de sonido más fuertes, pero tengo un problema con el ruido en las ganancias más altas requeridas para detectar ráfagas de sonido más débiles.

Baja ganancia

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Mayor ganancia

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El ruido parece ser de aproximadamente 580 Hz. La habitación está en silencio antes de las ráfagas de sonido. El circuito está construido en protoboard y el tamaño es algo limitado. Foto abajo:

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Entonces, dadas las limitaciones en la fuente de alimentación y la construcción, ¿hay algo que pueda hacer para reducir la amplitud del ruido mientras mantengo la intensidad de la señal con mayores ganancias?

Agradezco cualquier comentario.

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Brian parece tener razón. Quité la placa de circuito del micrófono y lo encendí directamente con baterías de 4.5V. Con ganancia máxima, el ruido era aceptable:

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El resto de la placa de circuito a la que está conectado este dispositivo es bastante sencillo. No tengo un esquema presentable en este momento, pero está construido de manera similar al circuito del micrófono y está compuesto por los siguientes componentes:

El microcontrolador es un ATMEGA328P https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/ATmega48A-PA-88A-PA-168A-PA-328-P-DS-DS40002061B.pdf

Pantalla segmentada de 8 dígitos impulsada por MAX7219 https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX7219-MAX7221.pdf

Par de registros de desplazamiento SN74HC165N para entrada de teclado (matriz de botones momentáneos) https://www.ti.com/lit/ds/symlink/sn74hc165.pdf?ts=1607932478460

Búfer SN74HC125N en línea SPI MISO https://www.ti.com/lit/ds/scls104e/scls104e.pdf?ts=1608013220070

Se proporciona un desacoplamiento de 100nF en cada pin de alimentación IC y tengo un par de condensadores electrolíticos de 100uF en los rieles de alimentación.

¿Alguna idea de qué podría estar causando inestabilidad/interferencia?

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Como sugirió Andy, probé un amplificador operacional diferente, el MCP6022, que pude colocar en el circuito existente y la diferencia en el rango de salida es notable:

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Además de esto, seguí el consejo de Brian y agregué un capacitor de 470uF a los rieles de alimentación en la placa del micrófono, lo que también ayudó significativamente:

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Finalmente, agregué una resistencia de 10 ohmios en serie con la fuente de alimentación a la placa del micrófono y también produjo una reducción notable:

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Amplificador operacional original con el condensador y la resistencia adicionales, como referencia:

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Intente poner una resistencia de 10k en serie con C3 y aumente R5 a 100k. Es posible que no tenga suficiente ganancia, por lo que sería mejor convertir la primera etapa de ganancia en un amplificador no inversor y alimentar la salida del micrófono a la entrada no inversora a través de C3 (sesgado a suministro medio).
Un amplificador operacional pobre para este diseño, debo decir.
Utilice un n-jfet pequeño y de tamaño de función reducido como un seguidor de fuente con su fuente alimentada por otro n-jfet que funciona como una fuente actual. Esto iguala la capacitancia del electreto y reduce el ruido. Eso debería ser seguido por otro n-jfet más grande también como seguidor de fuente. Burkhard, 1970, describió el uso de diodos espalda con espalda para evitar el uso de una gran resistencia en la polarización de la puerta y para intercambiar favorablemente el ruido de disparo por el ruido de Johnson.
Eso no es ruido, es inestabilidad o interferencia, tal vez en la fuente de alimentación. Comience organizando un suministro de 4,5 V perfectamente limpio.
@Andyaka ¿Conoce otros amplificadores operacionales que vienen en un paquete DIP y son capaces de operar con un suministro único de 4.5V? Esta parecía la mejor opción disponible.
@BrianDrummond Gracias por el comentario, parece que tienes razón. He editado la pregunta original con información adicional y agradecería cualquier comentario que pueda ofrecer.
@pat hay literalmente miles de ellos. Pruebe los proveedores habituales como farnell, RS, digikey y mouser. Todos tienen motores de búsqueda sofisticados.
Comenzaría con algo como 100R y 1000uF para limpiar el suministro de +V (SOLO para el micrófono + amplificador) y ver si puede reemplazar la batería.
@andyaka Así es como encontré originalmente este amplificador operacional. Era el único amplificador de audio en el paquete deseado con un suministro de 4 V además de su reemplazo de TI: digikey.com/short/z1zdqt
Desechar el término de búsqueda "audio" es mi recomendación. Busque riel a riel con un GBW de al menos 1 MHz.
@Andyaka Gracias por la sugerencia, actualicé la pregunta original con el resultado.
@BrianDrummond Del mismo modo, gracias por la sugerencia, creo que podemos considerar esto resuelto. Si alguno de ustedes publica una respuesta, con gusto la aceptaré. Agradezco la ayuda.

Respuestas (1)

Bien, de los comentarios:

Eso no es ruido, es inestabilidad o interferencia, tal vez en la fuente de alimentación. (La regularidad de la forma de onda muestra esto. Comience por disponer un suministro de 4,5 V perfectamente limpio para el amplificador del micrófono y vea cómo funciona.

Habiendo visto que un suministro de batería separado mejora el rendimiento, sugeriría mejorar la calidad de la energía alimentada al amplificador del micrófono. El enfoque más simple sería un filtro de paso bajo RC: 100 ohmios caerían una fracción de un voltio a la corriente requerida, y 1000uF (dando una constante de tiempo de 0,1 segundos) debería atenuar adecuadamente el ruido de la fuente de alimentación. Estos valores se pueden ajustar para el tamaño, el costo, el margen de maniobra y la atenuación para adaptarse a sus objetivos.

Andy también merece crédito por sugerir una mejora en la selección de amplificadores operacionales.

Reducción del ruido en el circuito del amplificador del micrófono con mayores ganancias
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