วงจรขยายสัญญาณพื้นฐานโดยใช้ออปแอมป์

บทที่ 1  วงจรขยายสัญญาณพื้นฐานโดยใช้ออปแอมป์

ออปแอมป์และวงจรขยายสัญญาณพื้นฐานโดยใช้ออปแอมป์

(OP – AMP Basic Amplifier Configurations Using OP – AMPS)

       ปัจจุบันความก้าวหน้าในเทคโนโลยีการออกแบบวงจรรวม หรือ ไอซี (Integrated Circuit, IC)
มีความเจริญรุดหน้าไปอย่างรวดเร็วมาก ทำให้วงจรทางอิเล็กทรอนิกส์สำหรับประมวลผลสัญญาณแบบ
ต่าง ๆ ถูกนำมาออกแบบและผลิตให้อยู่ในรูปของไอซีเสียเป็นส่วนใหญ่ ทั้งนี้เนื่องจากคุณสมบัติของไอซีนั้นมี
ข้อดีหลายประการ อาทิ เช่น มีขนาดเล็ก มีความสะดวกในการใช้งาน รวมทั้งสามารถนำไปใช้งานได้ง่าย เป็นต้น
วงจร ขยายสัญญาณออปแอมป์ (Operational Amplifier, OP – AMP) หรือที่มักเรียก กันสั้นๆ ว่า “ออปแอมป์” นั้นก็เป็นวงจร ขยายสัญญาณพื้นฐานสำเร็จรูปอีกชนิดหนึ่งที่ถูกออกแบบและนำไปบรรจุลงในชิพ
ไอซีเดียวกัน ซึ่งนิยมนำไปประยุกต์ใช้งานอย่างแพร่หลายในงานด้านการประมวลผลสัญญาณ อนาลอก (analog signal processing) ต่าง ๆ มากมาย เช่น ระบบสื่อสาร ระบบการวัดและระบบควบคุมกระบวนการผลิต เป็นต้น เนื่องจากการใช้งานออปแอมป์ไม่ยุ่งยาก และง่ายต่อการออกแบบวงจรต่าง ๆ ทั้งราคาของ
ออปแอมป์ก็ถูกลงมาก จึงนับได้ว่าออปแอมป์เป็นอุปกรณ์แอคทีฟ (Active device) ที่สำคัญและมีประโยชน์มากในระบบการประมวลผลสัญญาณ อนาลอกรูปแบบต่าง ๆ ดังนั้นในบทนี้จะกล่าวถึงคุณสมบัติพื้นฐานของ
ออปแอมป์ ตลอดจนวงจรขยายสัญญาณพื้นฐานแบบต่าง ๆ ที่ใช้ออปแอมป์เป็นอุปกรณ์หลัก โดยจะกล่าวใน

รายละเอียดการทำงานของแต่ละวงจรในแต่ละหัวข้อต่อไป

1.1 สัญลักษณ์ ของออปแอมป์ 

ในวงจรไฟฟ้าจะเป็นรูปสามเหลี่ยมโดยจะประกอบไปด้วย

1.1.1 ขั้วอินพุตบวก (Non-inverting)

1.1.2 ขั้วอินพุตลบ (Inverting)

1.1.3 ขั้วเอาท์พุต (Out put)

1.1.4 ขั้วแรงดันไฟเลี้ยง บวก และลบ ซึ่งปกติไม่ได้แสดงในสัญลักษณ์

รูปที่ 1 วงจรรวมสัญญาณ

1.2 วงจรอินทิเกรเตอร์ (Integrator) วงจรอินทิเกรเตอร์เมื่ออาศัยคุณสมบัติของออปแอมป์ (V₁ = 0) จะได้กระแสที่ไหลผ่าน R ก็คือ กระแสที่ไหลผ่าน C (I_R = I_C)

เมื่อ V_out(0) คือค่าของแรงดันเอาท์พุทที่ เวลา t = 0 ซึ่งขึ้นกับประจุแรกเริ่มที่คงค่าอยู่ในตัวเก็บประจุ จากสมการแสดงให้เห็นว่าแรงดันเอาท์พุทของวงจรเป็นสัดส่วนโดยตรงกับค่าอิน ทิกรัล (integral) ของแรงดันอินพุทซึ่งมีค่าคงที่ขึ้นกับค่าของ R และ C (มีหน่วยเป็น1 sec^-1)  วงจรอินทิเกรเตอร์นี้มักถูกนิยมนำไปประยุกต์ใช้ในงานด้าน ต่าง ๆ อย่างแพร่หลาย เช่น วงจร กรองสัญญาณความถี่ (activefilter) วงจรแป ลงสัญญาณอนาลอกเป็นสัญญาณดิจิตอล (analog – to – digital converter) หรือวงจรกำเนิด สัญญาณรูปแบบ ต่าง ๆ (function generator) เป็น ต้น นอกจากนี้หากทำการต่อตัวเก็บระจุ C แทนตัวต้านทาน R_f ในวงจรรวมสัญญาณ ดังรูปที่ 1.2ก็จะได้วงจรอินทิเกรเตอร์รวมสัญญาณ (summing integrator)

 รูปที่ 2 วงจรรวมสัญญาณ

1.3 วงจรดิฟเฟอเรนซิเอเตอร์ (Differentiator) จากวงจรอิน ทิเกรเตอร์ในรูปที่ 1.2 นั้น หากทำการสลับตำแหน่งของ R กับ C แล้ว วงจรจะกลายเป็นวงจรดิฟเฟอเรนซิเอเตอร์ ซึ่งแสดงได้ดังรูปที่ 1.3ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันเอาท์พุทกับแรงดันอินพุทของวงจรสามารถ หาได้เป็น

V_out(t) = – RC dV_in(t) /dt

จะเห็นว่าขณะนี้วงจรจะให้ความสัมพันธ์ของ แรงดันเอาท์พุทเป็นสัดส่วนโดยตรงกับค่าอนุพันธ์ (derivative) ของแรงดันอินพุทโดยมีค่าคงที่ขึ้นกับค่าของ R และ C วงจรดิฟเฟอเรนซิเอเตอร์ดัง กล่าวนิยมนำไปใช้ในงานเป็นส่วนสำคัญส่วนหนึ่งในวงจรการประมวลผลสัญญาณต่าง ๆ อาทิ เช่น การคูณ (multiplication) การลบ (subtraction) การบวก (summation) เป็นต้น และเช่นเดียวกันเมื่อทำการต่อตัวเก็บประจุ C อนุกรม กับตัวต้านทาน R₁, R₂, R₃, … , R_n ทางอินพุทของวงจรรวมสัญญาณดังรูปที่ 1.3 แล้วก็จะได้วงจรดิฟเฟอเรน
ซิเอเตอร์รวมสัญญาณ (Summing differentiator)



1.4ออปแอมป์ในอุดมคติ (Ideal Op Amp) 


ออปแอมป์ ที่เป็นอุดมคติซึ่งจะมีคุณสมบัติดังนี้

อัตราขยายวงเปิดมีค่าเป็นอนันต์,  A มีค่าประมาณหรือเท่ากับ Infinity

 ความต้านทานอินพุตมีค่าเป็นอนันต์, Ri มีค่าประมาณหรือเท่ากับ Infinity

ความต้านทานเอาท์พุตมีค่าเป็นศูนย์ Ro

ผลตอบสนองความถี่ได้ตั้งแต่


จากคุณสมบัติดังกล่าวจะทำให้การวิเคราะห์วงจรง่าย ขึ้นโดยคิดดังนี้

กระแสที่ไหลเข้าขั้ว อินพุตทั้งสองเป็นศูนย์ นั่นคือ i1=0 i2=0


หมายเหตุ ห้าม คิด KCL ที่โนดเอาท์พุต เนื่องจากกระแสที่เอาท์พุตจะไหลเข้า หรือออกก็ได้ และมีขนาดไม่แน่นอนโดยขึ้นกับอินพุตด้วย

เมื่อมีการต่อวงจรในแบบ ป้อนกลับแบบลบ

แรงดันที่ ตกคร่อมขั้วอินพุตมีค่าน้อยมากจนไม่ต้องนำมาคิด