ออปแอมป์ (Operational Amplifiers,Op-Amp)

ออปแอมป์ (Operational Amplifiers,Op-Amp)



ออปแอมป์เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ทำหน้าที่เป็นวงจรขยายแรงดัน โดยออปแอมป์มีโครงสร้างภายในเป็นวงจรที่ซับซ้อน ประกอบไปด้วย ตัวต้านทาน, ทรานซิสเตอร์, ตัวเก็บประจุ และไดโอด จำนวนมาก โดยมีสัญลักษณ์ดังรูปที่ 5.1 แต่เพื่อความง่ายในการศึกษาเบื้องต้นนี้ เราจะแทนออปแอมป์ด้วยวงจรสมมูลดังรูปที่ 5.2


รูปที่ 5.1 สัญลักษณ์ของออปแอมป์




รูปที่ 5.2 วงจรสมมูลของออปแอมป์แบบง่าย

ออปแอมป์จะมีขั้วอินพุต(ป้อนเข้า) 2 ขั้ว นั่นคือ ขั้วอินพุตบวกเรียกว่า Non-inverting terminal และขั้วอินพุตลบเรียกว่า Inverting terminal และขั้วเอาต์พุต(ป้อนออก) 1 ขั้ว
จากวงจรสมมูลของออปแอมป์) ส่วนทางด้านอินพุตของออปแอมป์จะประกอบด้วยตัวต้านทาน RIN ซึ่งเป็นความต้านทานทางด้านอินพุตของออปแอมป์ โดยจะมีแรงดันตกคร่อมระหว่างขั้วอินพุตบวกและขั้วอินพุตลบ เท่ากับ vd ส่วนทางด้านเอาต์พุตจะประกอบด้วยตัวต้านทาน RO เป็นความต้านทานที่มองเข้าไปทางขั้วเอาต์พุตของออปแอมป์ และแหล่งจ่ายแรงดันที่ควบคุมด้วยแรงดันที่มีค่าเท่ากับ Avd ค่า A นี้เรียกว่าอัตราขยายวงเปิด (Open loop gain) ของออปแอมป์

ออปแอมป์แบบอุดมคติ (Ideal Op-Amp)
เพื่อความง่ายในการวิเคราะห์วงจรเราจะกำหนดให้ออปแอมป์เป็นอุดมคติซึ่งจะมีคุณสมบัติดังนี้
- อัตราขยายวงเปิดมีค่าเป็นอนันต์ 
- ความต้านทานอินพุตมีค่าเป็นอนันต์ 
- ความต้านทานเอาต์พุตมีค่าเป็นศูนย์ 

รูปที่ 5.3 ออปแอมป์แบบอุดมคติ

เนื่องจากออปแอมป์ในอุดมคติมีความต้านทานทางด้านอินพุตมีค่าเป็นอนันต์ ดังนั้นกระแสที่ไหลเข้าทางขั้วอินพุตทั้งสองจึงมีค่าเท่ากับศูนย์
การต่อออปแอมป์เพื่อใช้งานเป็นวงจรขยายเพื่อให้มีเสถียรภาพนั้น เราจะต่อออปแอมป์ให้มีการป้อนกลับแบบลบ (Negative feedback) ซึ่งจะขอไม่กล่าวถึงรายละเอียดเรื่องเสถียรภาพและการป้อนกลับแบบลบในที่นี้ แต่สำหรับออปแอมป์แล้วการป้อนกลับแบบลบคือ มีการต่อขั้วเอาต์พุตกลับมายังขั้วอินพุตลบของออปแอมป์ ซึ่งอาจจะผ่านวงจรหรืออุปกรณ์หนึ่งก่อนก็ได้ เมื่อออปแอมป์มีการป้อนกลับแบบลบแล้วจะได้ว่า แรงดันระหว่างขั้วอินพุตของออปแอมป์มีค่าประมาณศูนย์คือ

หรืออาจกล่าวได้ว่าแรงดันที่ขั้วบวกกับแรงดันที่ขั้วลบของออปแอมป์มีค่าเท่ากัน


วงจรขยายแบบกลับขั้ว (Inverting Amplifiers)

รูปที่ 5.4 วงจรขยายแบบกลับขั้ว

KCL ที่โนด  :

แต่  จะได้

หรือ
จะพบว่าวงจรขยายแบบกลับขั้วนี้มีอัตราส่วนของแรงดันเอาต์พุตต่อแรงดันอินพุต (หรือเรียกว่าอัตราขยาย) มีค่าที่ติดลบ โดยค่าอัตราขยายนี้จะขึ้นกับค่าความต้านทานที่ใช้ในวงจร ส่วนค่าติดลบหมายถึง การที่เราป้อนสัญญาณอินพุตมีค่าเป็นบวกสัญญาณทางเอาต์พุตจะมีค่าเป็นลบ หรือในทางตรงข้ามถ้าเราป้อนสัญญาณอินพุตมีค่าเป็นลบสัญญาณทางเอาต์พุตจะมีค่าเป็นบวก

วงจรขยายแบบไม่กลับขั้ว (Non-inverting Amplifiers)

รูปที่ 5.5 วงจรขยายแบบไม่กลับขั้ว

KCL ที่โนด  :

แต่  จะได้

หรือ
จะพบว่าวงจรขยายแบบไม่กลับขั้วนี้มีอัตราส่วนของแรงดันเอาต์พุตต่อแรงดันอินพุต มีค่าเป็นบวก โดยค่าอัตราขยายนี้จะขึ้นกับค่าความต้านทานที่ใช้ในวงจร ส่วนค่าที่เป็นบวกหมายถึง การที่เราป้อนสัญญาณอินพุตมีค่าเป็นบวกสัญญาณทางเอาต์พุตจะมีค่าเป็นบวกด้วย หรือในทำนองเดียวกันถ้าเราป้อนสัญญาณอินพุตมีค่าเป็นลบสัญญาณทางเอาต์พุตจะมีค่าเป็นลบด้วย

วงจรตามแรงดัน (Voltage Follower)
กรณีที่วงจรขยายแบบไม่กลับขั้วกรณีที่มีค่า  (ลัดวงจร) และ  (เปิดวงจร) จะได้วงจรเป็นดังรูปที่ 5.6 โดยวงจรนี้จะมีอัตราขยายเป็น 1 ซึ่งก็คือ  นั่นเอง เราจะเรียก วงจรนี้ว่าวงจรตามแรงดันหรือวงจรบัฟเฟอร์ (Buffer)

รูปที่ 5.6 วงจรตามแรงดัน

วงจรขยายผลบวก (Summing Amplifiers)

รูปที่ 5.7 วงจรขยายผลบวก


KCL ที่โนดอินพุตลบของออปแอมป์ :

จะได้

ถ้า  จะได้

จะพบว่าวงจรขยายผลบวกมีค่าเอาต์พุตเป็นผลบวกของแรงดันอินพุตแต่ละค่า ซึ่งมีอัตราขยายเป็นลบที่มีค่าขึ้นกับค่าความต้านทานที่ใช้ในวงจร


วงจรขยายผลต่าง (Difference Amplifiers)

รูปที่ 5.8 วงจรขยายผลต่าง


KCL ที่โนดอินพุตลบของออปแอมป์ :

KCL ที่โนดอินพุตบวกของออปแอมป์ :

แก้สมการทั้งสองได้

ถ้า  จะได้
จะพบว่าวงจรขยายผลต่างมีค่าเอาต์พุตเป็นผลลบของแรงดันอินพุต ซึ่งมีอัตราขยายเป็นลบที่มีค่าขึ้นกับค่าความต้านทานที่ใช้ในวงจร
เขียนโดย 3 ความคิดเห็น:

กฏพื้นฐานทางไฟฟ้า

กฎของโอห์ม (Ohm's Law)

วัสดุต่างๆจะมีคุณสมบัติในการต้านทานการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้า หรือกล่าวได้ว่าต้านทาน การไหลของกระแสไฟฟ้า คุณสมบัตินี้จะแตกต่างกันออกไปขึ้นอยู่กับวัสดุ โดยเราเรียกคุณสมบัติ ในการต้านทานการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้านี้ว่า "ความต้านทานไฟฟ้า" (Resistance) เขียนเป็นสัญลักษณ์ได้คือ R   มีหน่วยเป็นโอห์ม (Ω, Ohms) 
อุปกรณ์ไฟฟ้าที่ใช้ในการต้านทานการไหลของกระแสไฟฟ้านี้เราเรียกว่า"ตัวต้านทาน" (Resistor) มีสัญลักษณ์ดังรูปที่ 2.1

รูปที่ 2.1 สัญลักษณ์ของตัวต้านทาน

 กฎของโอห์มกล่าวว่า
"แรงดันที่ตกคร่อมตัวต้านทานมีค่าแปรผันตรงกับกระแสที่ไหลผ่านตัวต้านทานนั้น"
โดยต้องกำหนดขั้วของแรงดันและทิศทางของกระแส ตามรูปแบบการกำหนดเครื่องหมายแบบอุปกรณ์พาสซีฟดังรูป 2.1 ด้วย

 กำลังงานที่ตัวต้านทานจะหาได้จาก


Georg Simon Ohm
German physicist.(1789-1854)

การลัดวงจร (Short circuit)

คือการที่ค่าตัวต้านทานที่เท่ากับศูนย์ ซึ่งจากกฎของโอห์มถ้าค่า R  = 0 จะได้ v  = 0 นั่นเองโดยที่กระแสi   มีค่าเท่าไรก็ได้

รูปที่ 2.2 การลัดวงจร


การเปิดวงจร (Open circuit)
คือการที่ค่าตัวต้านทานที่เท่ากับอนันต์ ซึ่งจากกฎของโอห์มถ้าค่า R  = ∞ จะได้ i  = 0 นั่นเองโดยที่แรงดัน v   มีค่าเท่าไรก็ได้

รูปที่ 2.3 การเปิดวงจร


ความนำไฟฟ้า (Conductance)

ความนำไฟฟ้า ใช้อักษรย่อเป็น G   มีหน่วยเป็นซีเมน (Siemens, S) เป็นความสามารถในการนำกระแสไฟฟ้าของอุปกรณ์ ซึ่งก็คือส่วนกลับของความต้านทานนั่นเอง

 จะได้กฎของโอห์มในรูปของความนำเป็น

 และค่ากำลังงานคือ



Ernst Werner von Siemens
German inventor. (1816-1892)

กฎกระแสของเคอร์ชอฟฟ์ (Kirchhoff's Current Law, KCL)


รูปที่ 2.4 ตัวอย่างของกระแสที่ไหลเข้าที่โนดใดๆ


Gustav Robert Kirchhoff
German physicist.(1824-1887)
กฎกระแสของเคอร์ชอฟฟ์หรือเรียกสั้นๆว่า KCL กล่าวว่า
"ผลรวมทางพีชคณิตของกระแสที่ไหลเข้าโนดใดๆเท่ากับศูนย์"


จากรูป 2.4 จะได้ว่า
กระแส  และ กระแส  มีค่าติดลบเนื่องจากเป็นกระแสที่ไหลออกจากโนด
กฎแรงดันของเคอร์ชอฟฟ์ (Kirchhoff's Voltage Law, KVL)

รูปที่ 2.5 ตัวอย่างของวงจรที่มีหนึ่งวงรอบปิด

กฎแรงดันของเคอร์ชอฟฟ์หรือเรียกสั้นๆว่า KVL กล่าวว่า
"ผลรวมทางพีชคณิตของแรงดันรอบวงรอบปิด (loop) ใดๆเท่ากับศูนย์"


จากรูป 2.5 จะได้ว่า
เครื่องหมายบวกหรือลบของแรงดันพิจารณาจากเครื่องหมายที่พบก่อนตามทิศทางที่กำหนด เช่นวงจรในรูปที่ 2.5 ในทิศทางตามเข็มนาฬิกาเริ่มต้นจากแหล่งจ่ายแรงดัน  ซึ่งจะเห็นว่า  และ  ตามทิศทางดังกล่าวจะพบเครื่องหมายลบก่อน

ตัวต้านทานต่ออนุกรม (Series resistors)
ตัวต้านทานที่ต่ออนุกรมกันจะได้ค่าความต้านทานรวมเป็นผลรวมของค่าความต้านทานแต่ละตัว


รูปที่ 2.6 ตัวต้านทานอนุกรมกัน N ตัว


การแบ่งแรงดัน (Voltage division)
ตัวต้านทานที่ต่ออนุกรมกันโดยมีแรงดันตกคร่อมรวมเป็น v   จะได้แรงดันที่ตกคร่อมตัวต้านทานแต่ละตัวเป็นการแบ่งมาจากแรงดันรวมคือ


รูปที่ 2.7 การแบ่งแรงดัน

โดยแรงดันที่ตกคร่อมตัวต้านทานแต่ละตัวหาได้จาก


ตัวต้านทานต่อขนาน (Parallel resistors)
ตัวต้านทานที่ต่อขนานกันจะได้ค่าส่วนกลับของความต้านทานรวมเป็นผลรวมของ ส่วนกลับของค่าความต้านทานแต่ละตัว หรือกล่าวได้ว่าค่าความนำรวมเป็นผลรวมของ ค่าความนำแต่ละตัวนั่นเอง

หรือ


รูปที่ 2.8 ตัวต้านทานขนานกัน N ตัว


การแบ่งกระแส (Current division)
ตัวต้านทานที่ต่อขนานกันโดยมีกระแสที่ไหลในวงจรรวมเป็น i   จะได้กระแสที่ไหลผ่านตัวต้านทานแต่ละตัวเป็นการแบ่งมาจากกระแสรวมคือ


รูปที่ 2.9 การแบ่งกระแส

โดยกระแสที่ไหลผ่านตัวต้านทานแต่ละตัวหาได้จาก
เขียนโดย 1 ความคิดเห็น:
สมัครสมาชิก: บทความ (Atom)