Reduzierung von Rauschen in der Mikrofonverstärkerschaltung bei höheren Verstärkungen

Ich verwende die folgende Schaltung, um das Signal von einem Elektret-Kondensatormikrofon für die Analyse durch einen Mikrocontroller zu verstärken, um kurze Schallstöße zu erkennen. Die Schaltung wird mit einer ~4,5-V-Versorgung von 3 AA-Batterien betrieben, sodass die Optionen für Operationsverstärker begrenzt sind. Ich verwende einen NJM4580D. Datenblätter für Mikrofon und Operationsverstärker unten verlinkt:

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

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

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Die Schaltung enthält ein Potentiometer zum Einstellen der Verstärkung auf der zweiten Stufe. Die Schaltung funktioniert gut bei niedrigen Verstärkungen mit lauteren Tonstößen, aber ich habe ein Problem mit dem Rauschen bei höheren Verstärkungen, die erforderlich sind, um schwächere Tonstöße zu erkennen.

Niedriger Gewinn

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Höherer Gewinn

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Das Rauschen scheint etwa 580 Hz zu sein. Der Raum ist vor Schallausbrüchen ruhig. Die Schaltung ist auf einem Protoboard aufgebaut und die Größe ist etwas begrenzt. Foto unten:

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Gibt es angesichts der Einschränkungen bei Stromversorgung und Konstruktion irgendetwas, was ich tun könnte, um die Amplitude des Rauschens zu reduzieren und gleichzeitig die Signalstärke bei höheren Verstärkungen beizubehalten?

Schätzen Sie jedes Feedback.

BEARBEITEN 1

Brian scheint Recht zu haben. Ich habe die Mikrofonplatine entfernt und direkt von 4,5-V-Batterien gespeist. Bei maximaler Verstärkung war das Rauschen akzeptabel:

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Der Rest der Platine, mit der dieses Gerät verbunden ist, ist ziemlich einfach. Ich habe im Moment keinen vorzeigbaren Schaltplan, aber er ist ähnlich wie die Mikrofonschaltung aufgebaut und besteht aus folgenden Komponenten:

Der Mikrocontroller ist ein ATMEGA328P https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/ATmega48A-PA-88A-PA-168A-PA-328-P-DS-DS40002061B.pdf

MAX7219 gesteuerte 8-stellige segmentierte Anzeige https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX7219-MAX7221.pdf

Paar SN74HC165N-Schieberegister für Tastatureingabe (Momentan-Taster-Array) https://www.ti.com/lit/ds/symlink/sn74hc165.pdf?ts=1607932478460

SN74HC125N-Puffer auf SPI-MISO-Leitung https://www.ti.com/lit/ds/scls104e/scls104e.pdf?ts=1608013220070

100-nF-Entkopplung ist an jedem IC-Stromversorgungsstift vorgesehen, und ich habe ein paar 100-uF-Elektrolytkondensatoren auf den Stromschienen.

Irgendwelche Gedanken darüber, was die Instabilität/Interferenz verursachen könnte?

BEARBEITEN 2

Wie von Andy vorgeschlagen, habe ich einen anderen Operationsverstärker ausprobiert, den MCP6022, den ich in die vorhandene Schaltung einfügen konnte, und der Unterschied im Ausgangsbereich ist bemerkenswert:

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Darüber hinaus habe ich Brians Rat befolgt und einen 470-uF-Kondensator zu den Stromschienen auf der Mikrofonplatine hinzugefügt, was ebenfalls erheblich geholfen hat:

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Schließlich fügte ich der Mikrofonplatine einen 10-Ohm-Widerstand in Reihe mit der Stromversorgung hinzu, der ebenfalls eine merkliche Reduzierung bewirkte:

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Original-Operationsverstärker mit zusätzlichem Kondensator und Widerstand als Referenz:

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Versuchen Sie, einen 10k-Widerstand mit C3 in Reihe zu schalten und R5 auf 100k zu erhöhen. Möglicherweise haben Sie dann nicht genug Verstärkung, daher wäre es besser, die erste Verstärkungsstufe in einen nicht invertierenden Verstärker umzuwandeln und den Mikrofonausgang über C3 (vorgespannt auf Mittenversorgung) in den nicht invertierenden Eingang einzuspeisen.
Ein schlechter Operationsverstärker für dieses Design muss ich sagen.
Verwenden Sie einen kleinen n-jfet mit reduzierter Merkmalsgröße als Source-Follower, wobei seine Quelle von einem anderen n-jfet gespeist wird, das als Stromquelle arbeitet. Dies passt sich der Kapazität des Elektrets an und reduziert das Rauschen. Dem sollte ein weiterer, größerer n-jfet folgen, ebenfalls als Source-Follower. Burkhard, 1970, offenbarte die Verwendung von Back-to-Back-Dioden, um die Verwendung eines großen Widerstands beim Vorspannen des Gates zu vermeiden und das Schrotrauschen günstig gegen Johnson-Rauschen auszutauschen.
Das ist kein Rauschen, das ist entweder Instabilität oder Störung, vielleicht am Netzteil. Beginnen Sie mit der Einrichtung einer perfekt sauberen 4,5-V-Versorgung.
@Andyaka Kennen Sie andere Operationsverstärker, die in einem DIP-Paket geliefert werden und mit einer 4,5-V-Einzelversorgung betrieben werden können? Dies schien die beste verfügbare Option zu sein.
@BrianDrummond Danke für den Kommentar, es scheint, dass Sie Recht haben. Ich habe die ursprüngliche Frage mit einigen zusätzlichen Informationen bearbeitet und würde mich über Ihr Feedback freuen.
@pat, es gibt buchstäblich Tausende von ihnen. Probieren Sie die üblichen Anbieter wie Farnell, RS, Digikey und Mouser aus. Sie alle haben ausgefeilte Suchmaschinen.
Ich würde mit so etwas wie 100R und 1000uF beginnen, um die +V-Versorgung (NUR für das Mikrofon + den Verstärker) zu bereinigen und zu sehen, ob es die Batterie ersetzen kann.
@andyaka So habe ich diesen Operationsverstärker ursprünglich gefunden. Es war der einzige Audioverstärker im gewünschten Paket mit einer anderen 4-V-Versorgung als dem TI-Ersatz: digikey.com/short/z1zdqt
Verzichten Sie auf den Suchbegriff „Audio“ ist meine Empfehlung. Achten Sie auf Rail-to-Rail mit einer GBW von mindestens 1 MHz.
@Andyaka Danke für den Vorschlag, ich habe die ursprüngliche Frage mit dem Ergebnis aktualisiert.
@BrianDrummond Ebenso danke für den Vorschlag, ich denke, wir können das als gelöst betrachten. Wenn einer von Ihnen eine Antwort postet, würde ich diese gerne annehmen. Schätzen Sie die Hilfe.

Antworten (1)

OK, aus Kommentaren:

Das ist kein Rauschen, das ist entweder Instabilität oder Störung, vielleicht am Netzteil. (Die Regelmäßigkeit der Wellenform zeigt dies. Beginnen Sie damit, eine perfekt saubere 4,5-V-Versorgung für den Mikrofonverstärker einzurichten, und sehen Sie, wie es läuft.

Nachdem ich gesehen habe, dass eine separate Batterieversorgung die Leistung verbessert, würde ich vorschlagen, die Qualität der Stromversorgung des Mikrofonverstärkers zu verbessern. Der einfachste Ansatz wäre ein RC-Tiefpassfilter: 100 Ohm würden bei dem erforderlichen Strom einen Bruchteil eines Volts abfallen, und 1000 uF (was eine Zeitkonstante von 0,1 Sekunden ergibt) sollten das Rauschen der Stromversorgung angemessen dämpfen. Diese Werte können dann hinsichtlich Größe, Kosten, Headroom und Dämpfung an Ihre Ziele angepasst werden.

Andy verdient auch Anerkennung dafür, dass er eine Verbesserung der Opamp-Auswahl vorgeschlagen hat.

Reduzierung von Rauschen in der Mikrofonverstärkerschaltung bei höheren Verstärkungen
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