NE5532 - Möglichkeit das Rauschen zu reduzieren?

[Peter M. (pm4812)]

Hallo Zusammen,

ich möchte mit einem NE5532 ein 0-3.3V Signal (aus einem STM32F103 DAC) 
in ein +-10 Volt Spannungs-Signal umwandeln. Die Schaltung möchte ich 
bei JLCPCB in SMD fertigen lassen. Momentan bin ich noch beim Auslegen, 
Simulieren und Ausprobieren.


Meine Schaltung sieht so aus:
ein CJ431 (ähnlich LT1009) erzeugt eine 2.5 Volt Referenz, die mit 2 
LM358 in eine 3.3V und eine 1.65V Referenzspannung gewandelt wird
--> Bild: reference

Ein ICL7660 erzeugt aus der 12 Volt Rail die negative Versorgung des 
OpAmps.
--> Bild: voltinvert

die 3.3V Referenz geht zum STM32, und wird hier nicht weiter betrachtet. 
Die halbierte Referenzspannung ("Ref_1V65p") geht zum NE5532, der als 
SDV ausgelegt ist.
--> Bild: opamp - hier bitte gedanklich den LM358 durch einen NE5532 
ersetzen, der LM358 war zu lahm, ich hatte noch einen NE5532 rumliegen, 
da hab ich's mal mit dem probiert

Beim Testen des Aufbaus auf dem Breadboard habe ich dann festgestellt, 
dass das Ausgangs-Signal bei einer bestimmten Amplitude einen "Knick" 
hat, der mit steigener Frequenz größer wird:

--> Bild SCR32, SCR53, SCR54

Meine Vermutung, dass das damit zusammen hängen könnte, dass die 
Referenzspannung einbricht konnte ich experimentell dadurch bestätigen, 
dass ein 100n X7R Cap gegen Gnd direkt am NE5532 am Ref-Signal das 
beseitigt. Allerdings erhöht sich dadurch auch das Rauschen im 
Ausgangs-Signal. Beim Durchprobieren mit verschiedenen Kapazitäten (von 
330p bis 110n) konnte ich auch feststellen, dass der Knick mit 
steigender Kapazität immer kleiner wird und der Knick ab 100nF dann - 
zumindest im Scope - nicht mehr zu sehen ist. Allerdings nimmt auch das 
Rauschen am Ausgang mit steigener Kapazität zu ...

Jetzt will ich aber beides: a) möglichst kein Rauschen im 
Ausgangs-Signal und b) keinen "Knick" im Ausgangs-Signal.

Die Frage lautet also: warum rauscht der Ausgang stärker, wenn am 
negativen Eingang mit der Referenzspannung (1.65V) ein Kondensator 
hängt? Bzw. warum rauscht es weniger, wenn da kein Kondensator dran ist? 
Wenn ich versehe, warum das so ist, dann finde ich hoffentlich eine 
Lösung, die das behebt.

Jetzt habe ich leider keine Widerstände größer 100k auf Lager (ok, 1 
MOhm noch), drum kann ich es nicht ausprobieren. Daher wäre die nächste 
Frage: wenn ich die Eingangs-Widerstände vergrößere z.B. auf 100k und 
620k, kann ich dann im gleichen Verhältnis den Kondensator verkleinern 
(z.B. auf 10nF) bei entsprechend verringertem Rauschen (im Verlgeich zu 
100 nF)?

Wieso bricht eig. die Spannung "Ref_1V65p" an der Stelle ein? Ich hätte 
eig. erwartet, dass der LM358 genau das verhindert und die 
Referenzspannung ständig konstant hält? Liegt das an der 
Leitungs-Induktivität Breadboard-Jumper? Bzw. wäre zu erwarten, dass der 
Effekt auf dem PCB dann nicht so stark auftritt?

--> Bild: breadboard
die 1V65p sind in der "high quality aliexpress" Breadboard Jumper-Litze, 
die 1 x quer über das Breadboard geht ...


Danke und Grüße
P.


Datenblätter:

CJ431 - 
https://datasheet.lcsc.com/szlcsc/Changjiang-Electronics-Tech-CJ-CJ431_C3113.pdf
LM358 - 
https://datasheet.lcsc.com/szlcsc/ON-Semicon-ON-LM358DR2G_C7950.pdf
NE5532 - 
https://datasheet.lcsc.com/szlcsc/Texas-Instruments-TI-NE5532DR_C7426.pdf
ICL7660 - 
https://datasheet.lcsc.com/szlcsc/Renesas-Electronics-Intersil-ICL7660AIBAZA-T_C7881.pdf

[Axel S. (a-za-z0-9)]

Peter M. schrieb:
> Beim Testen des Aufbaus auf dem Breadboard habe ich dann festgestellt,
> dass das Ausgangs-Signal bei einer bestimmten Amplitude einen "Knick"
> hat, der mit steigener Frequenz größer wird:
>
> --> Bild SCR32, SCR53, SCR54

Das sieht merkwürdig aus. Eher wie ein Dreckeffekt aus der Ausgangsstufe 
des LM358, wenn der von Sink- auf Source umschalten muß. Andererseits 
ist das ein Breadboard-Aufbau. Da ist ohnehin alles labil.

> Meine Vermutung, dass das damit zusammen hängen könnte, dass die
> Referenzspannung einbricht konnte ich experimentell dadurch bestätigen,
> dass ein 100n X7R Cap gegen Gnd direkt am NE5532 am Ref-Signal das
> beseitigt. Allerdings erhöht sich dadurch auch das Rauschen im
> Ausgangs-Signal.

Glaube ich nicht. Klingt so, als hättest du einen 100n Kerko direkt an 
den Ausgang des LM358 gehängt. Das mag der gar nicht. Wenn du einen 
richtigen Schaltplan gezeichnet hättest, statt deines Label-Suchspiels, 
dann wäre dir das vielleicht selber aufgefallen.

Überhaupt ist das ganze Referenzspannungsgedöhns vollkommen 
overengineered. Stell deinen TL431 einfach mit den zwei Widerständen auf 
3.3V ein und schmeiß die ganzen OPV da raus. Ein Elko plus Kerko über 
der Referenz ist sicher gut (Bandgap-Referenzen tendieren zum Rauschen). 
Und die Halbierung für die Verschiebungsstufe machst du passiv mit zwei 
Widerständen. Die gehen dann auch gleich in die Verstärkungseinstellung 
ein.

[Der Zahn der Zeit (Gast)]

Oh weh - da ist sooo viel unnötig und schädlich in dem 
Schaltungskonzept... Das schriftlich zu klären ist echt zu viel. 
Stichworte:

Alle LM358 sind überflüssig.

Die LM358 (und LM324 etc.) machen diese Einbrüche bei Lastwechseln. Da 
dürfte mindestens jeder zweite, der die mal einsetzen wollte, schon 
drüber gestolpert sein. Warum ein C hilft, geht jetzt zu weit.

Die Dimensionierung der Widerstände ist für das Rauschen die nackte 
Katastrophe. Widerstände erzeugen Spannungsrauschen, je hochohmiger, 
desto mehr, und z.B. Rauschströme bei bipolaren Op-Amps erzeugen auch 
erzeugen über externe Widerstände auch Spannungsrauschen.

Warum Rauschen mit C am Eingang steigen soll, verstehe ich nicht. Meinst 
du etwa Schwingungen? Das könnte sein.

Ich sehe gerade: Axel S. ist der selben Meinung.

[Peter M. (pm4812)]

Danke euch beiden für die Hinweise.
Ich bin relativ neu auf dem Gebiet, ich bin "hauptberuflich Softie" und 
in Sachen Elektronik beschäftige ich mich sonst nur mit "so 
Digital-Krams" (also LED + ULN, feddich oder auch mal nen 74HCxx...). In 
Sachen OpAmps in realen Anwendungen sammle ich gerade die ersten 
Erfahrungen, da sind solche Hinweise wie "Spannungsrauschen" und 
"overengineered" schon sehr hilfreich.

Dann geh ich mal zurück ans Reißbrett ...

Das "Rauschen" am Ausgang war dann übrigens weg, nachdem ich noch ein 
paar mal die Jumper-Kabel umgesteckt hatte. Das war wohl ein 
Übergangs-Widerstand oder sowas.

[Klaus R. (klara)]

Peter M. schrieb:
> ich möchte mit einem NE5532 ein 0-3.3V Signal (aus einem STM32F103 DAC)
> in ein +-10 Volt Spannungs-Signal umwandeln.

Die Schaltung sieht ziemlich wild aus. Bevor man da eine Platine 
anfertigt, sollte man mit LTspice simulieren. Das führt gelegentlich zu 
überraschenden Erkenntnissen.
mfg klaus

[mark space (Gast)]

Der LM358 ist wohl so ziemlich der schlechteste OPV auf dem Markt. Und 
der NE5532 funktioniert mit 5V Versorung nicht. Ansonsten - s. die 
vorigen postings.

[Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)]

Aus dem DAC des STM32F103 kommt schon so viel Rauschen, das man extern 
am besten erstmal einen Tiefpass einfügt und erst danach verstärkt. 
Sollte man gegen Aliasing aber sowieso machen. Ich vermute, das das 
Sieben der Referenz nun dazu führt, das das Ausgangrauschen des DAC 
besser hörbar wird.
Hohe Qualität ist aus dem DAC nicht rauszuholen - eher so 
Mittelwellenradio.

[Peter M. (pm4812)]

Matthias S. schrieb:
> Aus dem DAC des STM32F103 kommt schon so viel Rauschen, das man extern
> am besten erstmal einen Tiefpass einfügt und erst danach verstärkt.
> Sollte man gegen Aliasing aber sowieso machen. Ich vermute, das das
> Sieben der Referenz nun dazu führt, das das Ausgangrauschen des DAC
> besser hörbar wird.
> Hohe Qualität ist aus dem DAC nicht rauszuholen - eher so
> Mittelwellenradio.

ja, das war mir schon bewusst, dass das kein High-End Audio-Verstärker 
wird. Es geht eher darum einen "Monitor-Kanal" aus dem STM32 
rauszugeben, der ein analoges Signal rausgibt, damit man z.B. ein 
digital eingelesenes Sensor-Signal als analog-Wert ausgeben kann.

Im Moment teste ich die Schaltung noch mit dem internen Signalgenerator 
vom Scope. Sobald das stabil läuft, werde ich mal den STM32 dran hängen 
und dann wieder neue Erkenntnisse gewinnen ...

Wenn's interessiert, kann ich hier ja ab und zu mal ein Update geben.

@mark: das ist ein Fehler in meiner Frage/ meinem Posting. Für den +-10 
Volt Ausgang versorge ich den NE5532 mit +-12 Volt. Ich hab das eben mal 
ausprobiert, mein Exemplar (TI) geht ab 11.4 Volt Eingangs-Signal (G=1, 
Impedanzwandler) in die Sättigung.

[MaWin (Gast)]

Peter M. schrieb:
> ich möchte mit einem NE5532 ein 0-3.3V Signal (aus einem STM32F103 DAC)
> in ein +-10 Volt Spannungs-Signal umwandeln.
> Ein ICL7660 erzeugt aus der 12 Volt Rail die negative Versorgung des OpAmps.

Da hapert es doch an jeder Ecke.

Ein ICL7660 hält keine 12V aus, da braucht man schon den ICL7662, und 
erzeugt keine -12V, sondern je nach Last (5mA?) -10.5V.

Ein NE5532 erzeugt aus +12V/-10.5V keine +/-10V, dazu braucht man schon 
einen Rail-To-Rail (Ausgang) OpAmp wie OPA170.

Und wenn man kein Rauschen will, ist ein ICL766x sowieso kein guter 
Start. Stelle ordentliche +/-12..15V zur Verfügung, bei 15V klappt es 
auch mit dem ungenauen, driftstarken NE5532.

[Jens G. (jensig)]

MaWin (Gast) schrieb:

>auch mit dem ungenauen, driftstarken NE5532.

Was soll denn bei dem so sehr driften, daß es ins Gewicht fallen würde?

[OP-Bastler (Gast)]

Sind die Versorgungs-Pins der OPs ordentlich und auf sehr kurzem Weg 
nach Masse abgeblockt ? 100nF Kerko + 10uF Elko oder so...?

Oft macht es Sinn, die Versorgungsleitungen mit 47 Ohm Widerständen zu 
entkoppeln.

+Ub----[47 Ohm]---(100nF und 10uF nach GND)-> direkt in Pin +Ub

-Ub----[47 Ohm]---(100nF und 10uF nach GND)-> direkt in Pin -Ub