ออปแอมป์ (Op-Amp)

 ออปแอมป์ (Op-Amp)

                ออปแอมป์ เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีอัตราขยายสูง (ขณะทำงานที่ลูปปิด) และควบคุมการทำงานได้จากองค์ประกอบภายนอก

รูปที่ 3.1

                รูปที่ 3.1 แสดงสัญลักษณ์ของออปแอมป์ (ไม่ได้แสดงส่วนของการไบอัส dc) ซึ่งประกอบด้วยขั้วอินพุต 2 ขั้ว (บวกและลบ) และขั้วเอาต์พุต 1 ขั้ว สัญญาณอินพุตแต่ละขั้วจะมีผลต่อสัญญาณเอาต์พุต
การทำงานของออปแอมป์แบ่งออกเป็น 2 กรณีคือ การทำงานที่อินพุตด้านเดียวและการทำงานที่อินพุตสองด้าน

การทำงานที่อินพุตด้านเดียว(Single Ended Input)
การทำงานที่อินพุตด้านเดียว คือ การป้อนสัญญาณอินพุตที่ขั้วใดขั้วหนึ่ง ส่วนขั้วอินพุตที่เหลือต่อลงกราวด์ ดังรูปที่ 3.2

รูปที่ 3.2

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

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

รูปที่ 3.3

                เนื่องจากขั้วอินพุตของออปแอมป์เป็นบวกและลบ สัญญาณอินพุตจึงหักล้างกัน ดังนั้นสัญญาณเอาต์พุตจึงเกิดจากการขยายผลต่างของสัญญาณอินพุตทั้งสอง นั่นคือ Vd = V1 – V2 เขียนรูปใหม่เพื่อพิจารณาได้ดังรูป 3(b) สังเกตว่า สัญญาณอินพุตและเอาต์พุตอินเฟสกัน
การทำงานแบบโหมดร่วม คือ การป้อนสัญญาณอินพุตร่วมให้กับขั้วอินพุตทั้งสองของออปแอมป์ ดังรูป 3.4

 

 

รูปที่ 3.4

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

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

รูปที่ 3.5

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 3.6

รูปที่ 3.6
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 ) เป็นดังรูป7(b)

รูปที่ 3.7
นำวงจรเทียบเคียงของออปแอมป์มาประกอบเข้ากับวงจรในรูป 3.5 จะได้วงจรเทียบเคียงในทางปฏิบัติดังรูป 3.8(a)

รูปที่ 3.8

การใช้งานออปแอมป์
ออปแอมป์นำมาประกอบเป็นวงจรได้หลายประเภท  โดยจะกล่าวถึงการนำออปแอมป์ไปใช้ในวงจรบางประเภท ได้แก่ วงจรขยายกลับเฟส , วงจรขยายไม่กลับเฟส , วงจรขยายรวมสัญญาณ 
                วงจรขยายกลับเฟส(Inverting Amplifier)
วงจรขยายซึ่งมีอัตราขยายคงที่ และได้รับความนิยมมากแบบหนึ่งคือ วงจรขยายกลับเฟส ดังรูป 3.9

รูป 3.9

หาค่า Vo ได้โดยการคูณ Vl ด้วยอัตราส่วนของความต้านทานป้อนกลับ (Rf)ต่อความต้านทานอินพุต (Ri) ดังสมการ
เครื่องหมายลบในสมการแสดงว่า สัญญาณอินพุตกับสัญญาณเอาต์พุตมีมุมต่างเฟสกัน 180 องศา
วงจรขยายไม่กลับเฟส (Noninverting Amplifier)
วงจรขยายไม่กลับเฟสมีลักษณะดังรูป 3.10(a) เขียนวงจรเทียบเคียงกราวด์เสมือนได้ดังรูป 3.10(b)

รูปที่ 3.10
เนื่องจาก Vi = 0 จึงหาค่า Vl ได้โดยใช้กฎการแบ่งแรงดันไฟฟ้า
วงจรตามสัญญาณยูนิตี (Unity Follower)
วงจรตามสัญญาณยูนิตี คือ วงจรที่มีอัตราขยายเท่ากับ 1 และมีลักษณะดังรูป 3.11(a) วงจรตามสัญญาณยูนิตีนี้มีสัญญาณ Vo กับ Vl อินเฟสกัน  เขียนวงจรเทียบเคียงกราวด์เสมือนได้ดังรูป 3.11(b)

รูปที่ 3.11

 

 

 

 

วงจรขยายรวมสัญญาณ(Summing Amplifier)
วงจรขยายรวมสัญญาณ คือ วงจรขยายที่ให้ค่า Vo เท่ากับผลรวมของอัตราขยายสัญญาณอินพุตแสดงให้เห็นได้ดังรูป 3.12

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

แหล่งที่มาของเนื้อหา

ชื่อหนังสือ : อิเล็กทรอนิกส์ 2
ชื่อผู้แต่ง : นายมงคล ทองสงคราม