为什么我的驻极体麦克风放大和滤波电路输出这么多噪音?

电器工程 放大器 噪音 麦克风 低通 有源滤波器
2022-01-07 08:16:30

背景资料

我目前正在设计一个输入调节电路,用于放大和过滤驻极体麦克风信号,以准备由 ADC(模拟数字转换器)处理并从微控制器写入 SD 卡的信号。

ADC 的动态范围为 0-5V,因此我已将信号放大到 2.5V 的幅度,直流偏移为 2.5V。ADC 的采样率为 15.625kHz,因此我将低通滤波器设计为具有 48dB 衰减(8 位动态范围),频率约为 7.8kHz,截止频率约为 4kHz。

由于上述设计考虑,我的电路由电压增益比约为 6.2 的反相放大器和增益约为 12 的 6 阶切比雪夫滤波器组成。

我正在使用带有 5V 电源的 LM6484 运算放大器。5V 电源来自任何带有 USB 端口的设备,通常使用计算机 USB 端口为该电路供电。

电路示意图如下所示:

麦克风调理电路

麦克风设置示意图:

驻极体麦克风设置

麦克风数据表中指定了 1.5k 欧姆电阻器。

交流电压源用于模拟麦克风的输出,30mV的输出幅度是用示波器测量的。

1uF 电容用于消除测量麦克风输出 (2.6V) 时发现的偏压。

原理图左上角的单位增益跟随器的分压器产生偏置信号所需的 2.5V。

我的问题

噪音。录音后,我可以听到我的声音,但是有很大的持续嗡嗡声/嗡嗡声。样本记录:

instaud.io/Xhu

在此处输入图像描述

我试过的

我尝试在每个放大器 IC 上插入多个去耦/旁路电容器,在长电源引线之前和之后,并定期沿着我的面包板上的电源轨。

我还尝试在反相放大器的输出端放置一个 RC 低通滤波器,以切断运算放大器产生的任何高频噪声。

我在减轻噪音方面的任何尝试都没有奏效,也没有产生在录音中听得见的影响。

我的问题

我的设计中是否存在任何可能导致或增加电路产生的噪声的明显缺陷?

噪声是否仅仅是由于电路构建在面包板上以及可能的连接错误造成的?

4个回答

这个电路有很多问题:

  1. 参考的输入没有被过滤。

    R5 和 R4 产生一半的电源电压,但也传输一半的电源噪声。R4 上应该有接地电容。我会从大约 2 µF 开始。

  2. 麦克风没有偏置电源。

    你说这是一个驻极体,所以应该有一个上拉到 5 V。通常这些应该是几 kΩ。检查你的麦克风的数据表。

    您还应该过滤上拉电压,以防止电源噪声直接馈入麦克风。可能是 1 kΩ 来自 5 V,然后是 20 µF 到地,然后是 2 kΩ 到麦克风。再次,请参阅麦克风数据表。

  3. 任何地方都没有旁路盖!

    上面只显示了一个运算放大器的电源,但它们都有相同的问题。为了获得更好的噪声抑制,特别是对于上面显示的第一级放大器,串联一个铁氧体片式电感器,然后将 10 µF 左右的陶瓷接地。这可以减少运算放大器中的有源电路无法很好处理的高频,例如来自广播电台的拾音器。

  4. 低增益。第一级放大了 6 倍多一点。这本身没问题,尽管如果运算放大器可以处理它,我希望从第一级看到更多。你没有提供运算放大器数据表的链接,所以我没有查。在任何情况下,肯定有可用的运算放大器可以从 5 V 运行,并在 20 kHz 时提供 30 左右的闭环增益,并有足够的增益余量供反馈完成其工作。

    麦克风放大器在全音量下通常需要大约 1000 的增益才能获得线路电平信号。前面有两个增益级,每个增益为 30,通常是正确的,两者之间有一个音量控制。

    在信号被放大后,任何添加的噪声都只是整体中的一小部分。

  5. 将 Vref 输入去耦到每个阶段。U5并不完美。会有一些噪音。它的输出阻抗也不为0,所以级之间会有一些串扰。即使只有 1 kΩ 串联,然后在每个使用点接地 20 µF 也会有所帮助。

  6. 你真的需要所有这些过滤吗?这对于任何普通音频来说都太过分了。消除滤波器级将降低噪声。一切都会增加噪音,所以不要在信号路径中放置比你真正需要的更多的东西。

你需要非常干净的电源来偏置你的麦克风。来自 USB 连接的原始 +5V 可能是为此目的获取电源的最糟糕的地方之一。偏置电源上的噪声直接施加到第一级的输入端,基本上没有衰减。

我总是使用至少一个“T”滤波器来偏置我的麦克风电路:

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

在特别恶劣的情况下,R1 可能会与电感器组合或替换为电感器,或者将添加第二个 RC 滤波器级。

您正在通过在 5V 电源轨上使用分压器来生成参考电压。我认为这将是您的主要噪声源——5V 电源轨上的任何噪声都将直接注入您的电路。

在您的模拟中,您可以看到这种影响在您的电路中有多强。与 V4 串联,放置一个噪声源并观察其影响。

如果您打算使用分压器产生 2.5V,或许可以考虑使用稳压器或电压基准 IC。这将比任何合理数量的去耦电容能够更好地消除参考中的噪声。

我猜是因为你没有正确连接麦克风:

您没有显示如何准确连接麦克风,但假设您像连接原理图中的交流电压源一样连接它,我可以告诉您您遇到了问题:它没有电源。

驻极体麦克风通常包括一个放大晶体管,它需要我在任何地方都看不到的电源电压。

只需将几个 kOhm 的上拉电阻连接到信号线(“MIC”)即可。

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图