ไอซีออปแอมป์

[สุวัฒน์ หนูคีรี นักศึกษาวิศวอิเล็ก ผู้ดูแลระบบเว็บบอร์ด]

โพสโดย ผู้ดูแลระบบ นายสุวัฒน์  หนูคีรี


ความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับออปแอมป์



รูปที่ 1 แสดงการทำงานและวงจรสมมูลย์ของออปแอมป์

ออปแอมป์มีสัญลักษณ์และสัญญาณเข้าออก ตามที่แสดงในรูปที่ 1



Av เป็นอัตราการขยายแรงดันซึ่งมีค่าสูงมาก จึงเป็นคุณสมบัติที่พิเศษสุดของออปแอมป์ ออปแอมป์แบบอุดมคติ จะมีคุณสมบัติตามเงื่อนไขดังนี้

1. อัตราการขยายแรงดัน สูงมากจนเป็นอนันต์

2. ความต้านทานทางอินพุต สูงมากจนเป็นอนันต์

3. ความต้านทานทางเอาท์พุท ต่ำมากจนเป็นศูนย์

4. แรงดันออฟเซททางอินพุทเป็นศูนย์

5. กระแสออฟเซททางอินพุทเป็นศูนย์

6. ลักษณะสมบัติเชิงความถี่ ขยายได้ดีตั้งแต่ไฟตรง จนความถี่สูงมากเป็นอนันต์

7. ไม่มีข้อบกพร่องอื่น ๆ

แต่ในความเป็นจริงแล้ว ออปแอมป์ก็ไม่ได้มีคุณสมบัติอย่างในอุดมคติเลยทีเดียว แต่อย่างไรก็ตาม เพื่อความสะดวกในการทำความเข้าใจ สำหรับผู้เริ่มต้น ในช่วงแรกให้ถือว่า ออปแอมป์ที่ใช้ศึกษากันต่อไปนี้มีคุณสมบัติใกล้เคียงกับอุดมคติมาก

การใช้ออปแอมป์ที่เป็นอุดมคติในการออกแบบวงจรนั้น เป็นวิธีการที่นิยมใช้กันมาก หลังจากออกแบบเสร็จแล้ว จึงค่อยมาพิจารณาเงื่อนไข หรือคุณสมบัติต่าง ๆ ที่ไม่เป็นอุดมคติ แล้วค่อยแก้ไขและปรับปรุงวงจรให้ดีขึ้นอีกทีหนึ่ง


ออปแอมป์ คือ ไอซี ที่ถูกสร้างขึ้นมาใช้งานในวงจรขยาย สามารถใช้อัตราขยายสูงมาก และตัวออปแอมป์มีคุณภาพและประสิทธิภาพสูง ทำให้ออปแอมป์เป็นที่นิยมใช้งาน โครงสร้างภายในของออปแอมป์ในภาคแรก ๆ ทางอินพุต ประกอบด้วยวงจรขยายความแตกต่างหลายภาค เพื่อให้วงจรมีอัตราขยายและอัตราส่วนตัดทอนโหมดร่วมสูง การจ่ายแหล่งจ่ายแรงดันให้ตัวออปแอมป์ต้องจ่ายแรงดัน 3 ขั้ว คือ บวก ลบ และกราวด์

คุณสมบัติทางอุดมคติของออปแอมป์ เป็นคุณสมบัติตามความนึกคิดของผู้สร้างออปแอมป์ ทำให้คุณสมบัติของออปแอมป์ดีมาก แต่เมื่อนำไปใช้งานจริงจะมีหลายประการที่แตกต่างไป ทำให้การนำออปแอมป์ไปใช้งานจริงต้องมีการจัดอุปกรณ์ต่อร่วมภายนอก เพื่อเป็นการกำหนดอัตราขยายและกำหนดให้มีการทำงานที่คงที่ตลอดเวลา

วงจรขยายออปแอมป์สามารถขยายสัญญาณได้ทั้งแรงดันและกระแส วงจรขยายออปแอมป์ทำการขยายสัญญาณแบบเชิงเส้น สามารถจัดวงจรขยายได้ 2 ลักษณะ คือขยายสัญญาณแบบกลับเฟส และขยายสัญญาณแบบไม่กลับเฟส

วงจรขยายแบบกลับเฟส เป็นการจัดวงจรขยายที่สัญญาณอินพุตกับสัญญาณเอาต์พุตมีเฟสต่างกัน 180 องศา สัญญาณอินพุตถูกป้อนให้เข้าขาอินเวอร์ติง

วงจรขยายสัญญาณแบบไม่กลับเฟส เป็นการจัดวงจรขยายที่สัญญาณอินพุตกับสัญญาณเอาต์พุตมีเฟสเหมือนกัน สัญญาณอินพุตป้อนให้ขานอนอินเวอร์ติง



ที่มา

http://electronics.se-ed.com/contents/078s148/078s148_p02.asp


http://www.kingsolder.com/electronics/ic/

[สุวัฒน์ หนูคีรี นักศึกษาวิศวอิเล็ก ผู้ดูแลระบบเว็บบอร์ด]

ความสัมพันธ์ของสัญญาณเข้าและออก

[สุวัฒน์ หนูคีรี นักศึกษาวิศวอิเล็ก ผู้ดูแลระบบเว็บบอร์ด]

ออปแอมป์ เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีอัตราขยายสูง (ขณะทำงานที่ลูปปิด) และควบคุมการทำงานได้จากองค์ประกอบภายนอก





                รูป แสดงสัญลักษณ์ของออปแอมป์ (ไม่ได้แสดงส่วนของการไบอัส dc) ซึ่งประกอบด้วยขั้วอินพุต 2 ขั้ว (บวกและลบ) และขั้วเอาต์พุต 1 ขั้ว สัญญาณอินพุตแต่ละขั้วจะมีผลต่อสัญญาณเอาต์พุต
การทำงานของออปแอมป์แบ่งออกเป็น 2 กรณีคือ การทำงานที่อินพุตด้านเดียวและการทำงานที่อินพุตสองด้าน

[สุวัฒน์ หนูคีรี นักศึกษาวิศวอิเล็ก ผู้ดูแลระบบเว็บบอร์ด]

การทำงานที่อินพุตด้านเดียว(Single Ended Input)
การทำงานที่อินพุตด้านเดียว คือ การป้อนสัญญาณอินพุตที่ขั้วใดขั้วหนึ่ง ส่วนขั้วอินพุตที่เหลือต่อลงกราวด์ ดังรูป



                ถ้าป้อนสัญญาณอินพุตที่ขั้วบวกและต่อขั้วลบลงกราวด์ สัญญาณเอาต์พุตที่ได้รับการขยายกับสัญญาณอินพุตจะมีมุมอินเฟสกัน ดังรูป 3.2(a) ในทางตรงข้ามถ้าป้อนสัญญาณอินพุตที่ขั้วลบและต่อขั้วบวกลงกราวด์จะได้สัญญาณเอาต์พุตที่มีมุมต่างเฟสกับสัญญาณอินพุต 180 องศา ดังรูป 3.2(b)

[สุวัฒน์ หนูคีรี นักศึกษาวิศวอิเล็ก ผู้ดูแลระบบเว็บบอร์ด]

การทำงานที่อินพุตสองด้าน (Double Ended Input)
การทำงานที่อินพุตสองด้าน คือการป้อนสัญญาณอินพุตทั้งสองด้าน ซึ่งแบ่งออกเป็น 2 แบบ คือ แบบดิฟเฟอเรนเชียล (Differential) และแบบโหมดร่วม (Common Mode)
การทำงานแบบดิฟเฟอเรนเชียล คือ การป้อนสัญญาณอินพุต 2 สัญญาณที่เป็นอิสระต่อกันให้กับขั้วอินพุตทั้งสอง ดังรูป 3.3(a)






                เนื่องจากขั้วอินพุตของออปแอมป์เป็นบวกและลบ สัญญาณอินพุตจึงหักล้างกัน ดังนั้นสัญญาณเอาต์พุตจึงเกิดจากการขยายผลต่างของสัญญาณอินพุตทั้งสอง นั่นคือ Vd = V1 – V2 เขียนรูปใหม่เพื่อพิจารณาได้ดังรูป 3(b) สังเกตว่า สัญญาณอินพุตและเอาต์พุตอินเฟสกัน

[สุวัฒน์ หนูคีรี นักศึกษาวิศวอิเล็ก ผู้ดูแลระบบเว็บบอร์ด]

การทำงานแบบโหมดร่วม คือ การป้อนสัญญาณอินพุตร่วมให้กับขั้วอินพุตทั้งสองของออปแอมป์ ดังรูป 3.4






                ในทางอุดมคติ สัญญาณอินพุตทั้ง 2 ขั้วต้องได้รับการขยายเท่ากัน ทำใหเกิดสัญญาณที่มีขั้วตรงข้ามกันที่อินพุต สัญญาณเหล่านี้หักล้างกันแล้วหยุดหายไป สัญญาณเอาต์พุตจึงเป็น 0 V แต่ในทางปฏิบัติยังมีสัญญาณเอาต์พุตเหลืออยู่เล็กน้อย ซึ่งเราเรียกว่า “สัญญาณโหมดร่วม”

[สุวัฒน์ หนูคีรี นักศึกษาวิศวอิเล็ก ผู้ดูแลระบบเว็บบอร์ด]

การขจัดสัญญาณโหมดร่วม(Common Mode Rejection)
เราทราบว่า การทำงานแบบดิฟเฟอเรนเชียลมีอัตราขยายสัญญาณสูง แต่ถ้าการทำงานเป็นแบบโหมดร่วมยังมีสัญญาณเอาต์พุตอยู่บ้างเล็กน้อย จึงสันนิษฐานได้ว่า ขณะทำงานแบบดิฟเฟอเรนเชียลจะต้องมีสัญญาณโหมดร่วมปนอยู่กับสัญญาณเอาต์พุตด้วย ลักษณะเช่นนี้สัญญาณเอาต์พุตที่ได้จึงไม่เป็นไปตามความต้องการ ดังนั้นการออกแบบวงจรภายในออปแอมป์จึงพยายามขจัดสัญญาณโหมดร่วม ให้มีค่าน้อยที่สุด
สรุปว่า อัตราขยายแรงดันเอาต์พุตของออปแอมป์ประกอบด้วย อัตราขยายแรงดัน 2 ส่วนคือ อัตราขยายที่เกิดจากแรงดันดิฟเฟอเรนซ์ ซึ่งเรียกว่า อัตราขยายดิฟเฟอเรนเชียล กับอัตรขยายที่เกิดจากแรงดันร่วม ซึ่งเรียกว่า อัตราขยายโหมดร่วม
แรงดันดิฟเฟอเรนซ์ (Difference Voltage : Vd)
Vd เป็นแรงดันไฟฟ้าที่เกิดจาก ผลต่างระหว่างสัญญาณอินพุตที่ป้อนให้ขั้วของออปแอมป์
แรงดันร่วม (Common Voltage : VC)
VC เป็นแรงดันไฟฟ้าที่เกิดจาก ค่าเฉลี่ยของผลรวมของสัญญาณอินพุตที่ป้อนให้ขั้วออปแอมป์
สำหรับวงจรการใช้งานอย่างง่ายของออปแอมป์มีลักษณะดังรูป 3.5

[สุวัฒน์ หนูคีรี นักศึกษาวิศวอิเล็ก ผู้ดูแลระบบเว็บบอร์ด]

หลักการพื้นฐานของออปแอมป์ (Op-Amp  Basics)
ออปแอมป์เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีอัตราขยายและอิมพีแดนซ์อินพุต Zi หรือ Ri สูงมาก (มักมีค่าเป็น MW) และมีอิมพีแดนซ์เอาต์พุต Zo หรือ Ro ต่ำ (ต่ำกว่า 100W ) วงจรอย่างง่ายของออปแอมป์ประกอบด้วยขั้วอินพุต 2 ขั้ว และขั้วเอาต์พุต 1 ขั้ว ดังรูป

[สุวัฒน์ หนูคีรี นักศึกษาวิศวอิเล็ก ผู้ดูแลระบบเว็บบอร์ด]

เราทราบว่า ถ้าจ่ายสัญญาณอินพุตให้กับขั้วบวกของออปแอมป์ จะได้สัญญาณเอาต์พุตที่มีมุมอินเฟสกับสัญญาณอินพุต แต่ถ้าจ่ายสัญญาณอินพุตให้กับขั้วลบของออปแอมป์ จะได้สัญญาณเอาต์พุตที่มีมุมต่างเฟสกับสัญญาณอินพุต 180 องศา หรือมีมุมตรงข้ามกัน
จากหลักกากรในหัวข้อ การขจัดสัญญาณโหมดร่วม ทำให้เขียนวงจรเทียบเคียง ac ของออปแอมป์ในทางปฏิบัติได้ ดังรูป 7(a) ส่วนวงจรเทียบเคียง ac ของออปแอมป์ในอุดมคติ (กำหนดให้ Ri = a และ Ro = 0 ) เป็นดังรูป

[สุวัฒน์ หนูคีรี นักศึกษาวิศวอิเล็ก ผู้ดูแลระบบเว็บบอร์ด]

นำวงจรเทียบเคียงของออปแอมป์มาประกอบเข้ากับวงจรในรูป 3.5 จะได้วงจรเทียบเคียงในทางปฏิบัติดังรูป

[สุวัฒน์ หนูคีรี นักศึกษาวิศวอิเล็ก ผู้ดูแลระบบเว็บบอร์ด]

การใช้งานออปแอมป์
ออปแอมป์นำมาประกอบเป็นวงจรได้หลายประเภท  โดยจะกล่าวถึงการนำออปแอมป์ไปใช้ในวงจรบางประเภท ได้แก่ วงจรขยายกลับเฟส , วงจรขยายไม่กลับเฟส , วงจรขยายรวมสัญญาณ
                วงจรขยายกลับเฟส(Inverting Amplifier)
วงจรขยายซึ่งมีอัตราขยายคงที่ และได้รับความนิยมมากแบบหนึ่งคือ วงจรขยายกลับเฟส ดังรูป

หาค่า Vo ได้โดยการคูณ Vl ด้วยอัตราส่วนของความต้านทานป้อนกลับ (Rf)ต่อความต้านทานอินพุต (Ri) ดังสมการ
เครื่องหมายลบในสมการแสดงว่า สัญญาณอินพุตกับสัญญาณเอาต์พุตมีมุมต่างเฟสกัน 180 องศา

[สุวัฒน์ หนูคีรี นักศึกษาวิศวอิเล็ก ผู้ดูแลระบบเว็บบอร์ด]

วงจรขยายไม่กลับเฟส (Noninverting Amplifier)
วงจรขยายไม่กลับเฟสมีลักษณะดังรูป 3.10(a) เขียนวงจรเทียบเคียงกราวด์เสมือนได้ดังรูป 3.10(b)


เนื่องจาก Vi = 0 จึงหาค่า Vl ได้โดยใช้กฎการแบ่งแรงดันไฟฟ้า

[สุวัฒน์ หนูคีรี นักศึกษาวิศวอิเล็ก ผู้ดูแลระบบเว็บบอร์ด]

วงจรตามสัญญาณยูนิตี (Unity Follower)
วงจรตามสัญญาณยูนิตี คือ วงจรที่มีอัตราขยายเท่ากับ 1 และมีลักษณะดังรูป 3.11(a) วงจรตามสัญญาณยูนิตีนี้มีสัญญาณ Vo กับ Vl อินเฟสกัน  เขียนวงจรเทียบเคียงกราวด์เสมือนได้ดังรูป 3.11(b)






 

[สุวัฒน์ หนูคีรี นักศึกษาวิศวอิเล็ก ผู้ดูแลระบบเว็บบอร์ด]

วงจรขยายรวมสัญญาณ(Summing Amplifier)
วงจรขยายรวมสัญญาณ คือ วงจรขยายที่ให้ค่า Vo เท่ากับผลรวมของอัตราขยายสัญญาณอินพุตแสดงให้เห็นได้ดังรูป 3.12



วงจรขยายรวมสัญญาณในรูป 3.12(a) มีสัญญาณอินพุต 3 สัญญาณ เขียนวงจรเทียบเคียงกราวด์เสมือนได้ดังรูป3.12(b) ค่าแรงดันเอาต์พุตเกิดจากผลรวมของอัตราขยายสัญญาณอินพุตทั้งสาม


ที่มา
http://www.elecnet.chandra.ac.th/learn/elearning/electronics2/amp.php

[สุวัฒน์ หนูคีรี นักศึกษาวิศวอิเล็ก ผู้ดูแลระบบเว็บบอร์ด]

เข้าไปอ่านเพิ่มเติมได้ที่

http://electronics.se-ed.com/contents/078s148/078s148_p01.asp

การใช้งาน
http://electronics.se-ed.com/contents/064s126/064s126_p03.asp

มีไฟล์ให้โหลด
http://wara.com/article-813.html

ออปแอมป์ในอุดมคติ
http://fivedots.coe.psu.ac.th/~kpatimakorn/240-206/chap8/chap8-3.html

[สุวัฒน์ หนูคีรี นักศึกษาวิศวอิเล็ก ผู้ดูแลระบบเว็บบอร์ด]

วงจรขยาย ออปแอมป์ ดิฟเฟอร์เรนเชียล