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 R_IN ซึ่งเป็นความต้านทานทางด้านอินพุตของออปแอมป์ โดยจะมีแรงดันตกคร่อมระหว่างขั้วอินพุตบวกและขั้วอินพุตลบ เท่ากับ v_d ส่วนทางด้านเอาต์พุตจะประกอบด้วยตัวต้านทาน R_O เป็นความต้านทานที่มองเข้าไปทางขั้วเอาต์พุตของออปแอมป์ และแหล่งจ่ายแรงดันที่ควบคุมด้วยแรงดันที่มีค่าเท่ากับ Av_d 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