Richtige Entkopplung

Bei Entkopplungskondensatoren sollten Sie immer versuchen, diese so nah wie möglich am IC zu platzieren. In den meisten Fällen wird Ihnen in Datenblättern empfohlen, Entkopplungskondensatoren zu verwenden, und es ist eine gute Idee, dem zu folgen und bei Bedarf zu erhöhen. Das TL072-Datenblatt (Seite 32) gibt an, 0,1-uF-Kappen (100 nF) in der Nähe der Stromversorgungsstifte zu verwenden.

Was Ihren Ladungspumpen-IC betrifft, werden diese aufgrund des Betriebs des ICs immer Rauschen haben. Der 10-uF-Kondensator am Ausgang sollte so nah wie möglich am IC platziert werden, und Sie können auch eine 100-nF-Kappe parallel hinzufügen, wenn Sie möchten, um zu sehen, ob dies hilfreich ist.

Wenn dies Ihr Problem nicht löst, verwenden Sie ein Oszilloskop, um übermäßiges Rauschen zu lokalisieren, und sehen Sie, ob Sie herausfinden können, woher es kommt.

Nachdem Sie sich Ihr Layout angesehen haben:

Sie haben einen Ladungspumpen-IC. Dies zieht Stromimpulse von seinem Eingang, der die +5-V-Schiene ist. Dies ist unzureichend entkoppelt, da es eine viel größere Kappe wie diese benötigen würde . 100 nF reichen nicht aus, sodass Ihre + 5-V-Schiene verrauscht ist. Ein Filter am Eingang der Ladungspumpe könnte auch helfen, die +5V-Schiene nicht zu verschmutzen.

Als nächstes werden diese Stromimpulse auf die -5-V-Schiene übertragen. Wenn Ihre 10-µF-Kappe eine standardmäßige 10-µF-Allzweck-Aluminiumkappe ist, hat sie mehrere Ohm ESR, was sie zum Filtern solcher Störungen unbrauchbar macht. Auch die 100nF sind Durchgangsloch und Folie, wiederum unbrauchbar, da die Induktivität sehr hoch ist. Ein 1-µF-SMD-X7R-Keramikkondensator würde eine viel bessere Filterung bieten (ESL etwa 1 nH bei richtiger Montage gegenüber 4-6 nH für die 5-mm-Pin-Pitch-Folienkappe plus Leiterbahnlänge).

Die oben verlinkte 470-µF-Kappe hat einen ESR von etwa 0,1 Ohm und eine hervorragende HF-Leistung (für einen Elektrolyten) und funktioniert wunderbar mit einer 1-µF-SMD-Keramikkappe. Außerdem sind sie günstig und halten ewig.

Somit würde ich das machen:

Platzieren Sie zwischen den beiden Operationsverstärkern eine Alukappe pro Schiene (+5 V und -5 V). Diese Alu-Kappen müssen keinen niedrigen ESR haben, erhalten den höchsten µF, der mit einem Stiftabstand von 2,5 mm passt. Zusätzliche 100-nF-Kappen können hinzugefügt werden, sind aber für einen langsamen Operationsverstärker wie TL072 nicht erforderlich. Wenn Sie einen schnelleren Rail-to-Rail-Operationsverstärker verwenden, weil Ihre 5 V zu niedrig für TL072 sind, dann fügen Sie 1-µF-SMD-Keramikkappen hinzu, Sie können die zusätzlichen Cent oder zwei gegenüber 100 nF sparen, oder?

Dann würde ich einen Filter am Eingang und am Ausgang der Ladungspumpe anbringen. Probieren Sie zum Beispiel diese Ferritperle aus. Geben Sie der Ladungspumpe lokale Kappen am Eingang und am Ausgang (die von mir verlinkte Panasonic + 1µF MLCC).

Jetzt haben Sie auch ein Problem mit dem Masselayout Ihrer Ladungspumpe. Wenn Sie genau hinsehen, werden Sie feststellen, dass die Erdungsstifte der Eingangs- und Ausgangskappe nicht eng mit dem GND-Stift des Chips verbunden sind, was bedeutet, dass die Stromimpulse den langen Weg über die Schaltungsmasse zurücklegen. Und es ist sehr nahe am Eingangsanschluss, so dass Sie Grundrauschen injizieren. Geben Sie der Ladungspumpe also ihre lokale Erdungsinsel und verbinden Sie sie an einem Punkt mit der Haupterde ...

BEARBEITEN

Audio-Operationsverstärker entkoppeln:

Es ist sehr leicht. Wir reden hier nicht über Hochgeschwindigkeitschips, wir haben sagen wir 10-30 MHz GBW-Teile wie Ihres, NE5532, solche Sachen. Diese sind mit einer Versorgungsimpedanz von Null bis zu sagen "ein paar" ohmschen Ohm vollkommen zufrieden. Was sie nicht mögen, ist eine hohe Induktivität in der Versorgung, dh lange Leiterbahnen von den Versorgungspins zum Kondensator.

Wenn Sie ein Datenblatt eines "allgemeinen" Kondensators lesen, werden Sie einen Parameter namens "tan delta" bemerken und erhalten:

$ESR = \frac{ tan \delta }{ 2 \pi f C }$

Normalerweise$tan \delta$ist für 120 Hz angegeben, stellen Sie also f = 120 Hz ein, für eine Standard-Universalkappe liegt sie zwischen 0,2 und 0,3. C ist die Kapazität, daher ergibt eine schnelle Berechnung einen ESR von mehr als 20 Ohm für einen 10-µF-Kondensator ... dies macht den Kondensator ziemlich unbrauchbar. Denken Sie immer daran, wenn Sie eine Kappe kaufen, erhalten Sie kostenlos einen Widerstand in Reihe!

Wählen Sie also einen Elektrolytkondensator mit dem höchsten µF-Wert, der in ein praktisches Gehäuse mit 6 mm Durchmesser und 2,5 mm Stiftabstand passt. Dies scheint 470 µF zu sein . Sie erhalten also einen ESR von 0,5-1 Ohm, was in Ordnung ist. Die Menge an Kapazität ist weit übertrieben, aber wen interessiert das, wenn dies ein persönliches Projekt ist, versuchen Sie nicht, ein paar Cent zu sparen. 10 davon bekommt ihr für 1,5€. Sie können 100-nF-SMD-Keramik parallel hinzufügen, aber für langsame Operationsverstärker wie TL072 ist dies optional.

Wenn Sie auf einer 10-µF-Kappe bestehen, haben Sie möglicherweise sogar Probleme, eine zu finden, es sei denn, es handelt sich um eine 50-V- oder mehr-Kappe, da sich niemand mehr die Mühe macht, 10-µF-10-V-Kappen herzustellen, die Herstellung würde genauso viel kosten wie 100 µF ...

Wenn Sie an einem heißen Ort eine längere Lebensdauer wünschen, verwenden Sie eine mit 105 °C (z. B. die FC- oder FR-Serie, die ich verlinkt habe). Diese haben jedoch einen niedrigeren ESR. Wenn Sie also darauf bestehen, eine 100-nF-Keramikkappe parallel zu haben, dürfen Sie keine Kappe mit zu niedrigem ESR auswählen, um keinen resonanten LC-Kreis zu erstellen, der möglicherweise nicht gut auf das HF-Rauschen Ihrer Ladungspumpe reagiert ! In der Panasonic FC-Serie würde ich also die 100 µF 10 V auswählen, die auf 0,8 Ohm spezifiziert ist.

Hinweis: Audiophile sagen, dass FC-Kappen wie Mist klingen. Das Wesentliche davon ist: Setzen Sie eine Kappe mit niedrigem ESR nicht parallel zu Keramik- oder Filmkappen, es sei denn, Sie machen die Mathematik, sie wird aufgrund der LC-Resonanz eine Impedanzspitze haben. Gute alte einfache billige Kappen funktionieren gut. Setzen Sie Ihrem 0,5-Dollar-Opamp keine 2-Dollar-Obergrenze ;)

A) Was meinst du mit zwischen den beiden Operationsverstärkern?

Zwischen den beiden Chips vereinfacht dies das Routing von Leistungsspuren. Sie müssen wahrscheinlich Ihr Board neu machen, da die laute Ladungspumpe in der Nähe der empfindlichsten Stelle (dh der Eingangssignale) platziert ist ...

"Also gib der Ladungspumpe ihre lokale Masseinsel und verbinde sie an einem Punkt mit der Hauptmasse ..." Was meinst du damit?

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Hier ist eine kurze Erklärung. Der Block rechts ist Ihre Ladungspumpe, sie sendet gepulste Ströme in den Boden (mit G gekennzeichnet) und ihre eigenen Entkopplungskappen (die 4 Kappen rechts).

Dies bedeutet, dass Knoten "G" verrauscht sein wird. Ihr Layout verbindet dies mit der Eingangsmasse, die das Rauschen in das Eingangssignal einspeist.

Was ich vorschlage, ist: Fügen Sie Ferritperlen in den Stromeingang und -ausgang (oder kleine Induktivitäten) ein, um die HF-Impedanz zu erhöhen, und stellen Sie sicher, dass die Stromimpulse innerhalb der lokalen Masse ("G") bleiben. Der Strom, der von den Hauptkappen (die die Entkopplungskappen Ihrer Opamps sind) gezogen wird, sollte jetzt viel glatter sein.

Und die einzige Masse, die Sie mit Ihrer Signalmasse verbinden sollten, ist die auf der linken Seite, nicht der "G" -Knoten, der verrauscht ist.

BEARBEITEN 2

OK, ich hatte die Tatsache übersehen, dass dies ein Arduino-Schild ist: Dies führt zu anderen Problemen, da wir auf das vom Arduino erzeugte Rauschen achten müssen. Ich denke auch, dass dies eine Designüberprüfung benötigt ...

TL072 ist nicht für +/- 5 V spezifiziert, seine Ausgänge gehen nicht auf die Schiene, eher wie +/- 2 V. Wenn dies ein Problem darstellt, können Sie einen Operationsverstärker mit Rail-to-Tail-Ausgang oder höhere Netzteile verwenden.

3V3 von Arduino wird laut sein, obwohl Ihr RC-Filter (R19-R20-C10) das Rauschen auf der 1V6-Leitung abschwächen sollte. C18 sollte einen niedrigen ESR für die beste Filterung haben (ich mag Panasonic FR).

Beachten Sie, dass die Eingangsstufe ohne die negative Versorgung ausgeführt werden könnte (was die Dinge vereinfachen würde), wenn Sie anstelle von TL072 einen Rail-to-Rail-Ein-/Ausgangs-Operationsverstärker verwenden würden.

Die Ausgangsstufe könnte auch ohne negative Versorgung ausgeführt werden: Verbinden Sie R14 über einen Kondensator (wie C3) mit GND, und der Operationsverstärker U2A sollte auf 1,6 V vorgespannt werden, was dem Durchschnitt von DAC0 und DAC1 entspricht. Dann können Sie C11 entfernen, den nächsten Operationsverstärker als Follower verdrahten und die negative Versorgung loswerden.

(Dies gilt natürlich für den Fall, dass Sie sich entscheiden, das Board neu zu gestalten).

Nun zu Ihrem aktuellen Board: Woher kommt das Rauschen?

Wenn der Ladungspumpen-IC gesockelt ist, ersetzen Sie ihn durch eine 4,5-V-Batterie (3AA in Reihe), die bei frischen Batterien fast 5 V liefert. Dadurch erhalten Sie saubere -5V. Ist das Geräusch weg? Wenn ja, hast du die Ursache.

C11 entfernen. Jetzt ignoriert der Ausgang den DAC-Ausgang. Geräusch weg? Dann kommt es vom Arduino, DAC oder ADC, wer weiß.

Setzen Sie C11 wieder ein, stellen Sie sicher, dass Ihr Code immer 0 an die DACs ausgibt, ist das Rauschen immer noch da?

Ich habe mich für die Ladungspumpe entschieden, weil ich das Arduino nicht bemerkt hatte (auch das Layout und die Entkopplung Ihrer Ladungspumpe sind schlecht), aber das Geräusch kann auch vom Arduino kommen ... Wie auch immer, Sie bekommen die Idee: Teile und herrsche!

Finden Sie heraus, woher es kommt. Es macht keinen Sinn, das Board neu zu machen oder an der Entkopplung herumzuspielen, wenn das Geräusch vom Arduino kommt ...

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Wenn Sie die Platine neu machen: Beim Auslegen von Operationsverstärkern ist es immer ärgerlich, wie die Versorgungsmaterialien verlegt werden. Am einfachsten ist es also, dies so zu tun:

Wenn die ICs in einer Linie platziert werden, laufen beide Versorgungen darunter, mit den Entkopplungskappen am Ende. Dadurch können die beiden GND-Pins der beiden Entkopplungskappen an der gleichen Stelle verbunden werden. Die mit ABCD gekennzeichneten Felder sind die Feedback-Komponenten für jeden Operationsverstärker. Sie haben es irgendwie so gemacht, aber einer Ihrer Operationsverstärker ist um 180 ° gedreht, was bedeutet, dass sich die Versorgung kreuzt und Ihr Layout dann komplizierter ist. Es ist einfacher, sie in derselben Ausrichtung zu platzieren und zuerst die Versorgungen zu verlegen, bevor die Signale verlegt werden. Da Sie Durchgangslochteile verwenden, können Sie Ihre Widerstände und Kappen als Jumper verwenden, um über die Versorgungsspuren zu springen.