เอกสารประกอบการเรียน วิชา อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และวงจร (20104-2102) หลักสูตรประกาศนียบัตรวิชาชีพ (ปวช.) พุทธศักราช 2562 หน่วยที่9 เรื่อง วงจรขยายความแตกต่าง โดย นายสุเกษม เกียรติไพบูลย์ สาขาวิชาไฟฟ้ากำลัง วิทยาลัยเทคนิคระนอง สำนักงานคณะกรรมการการอาชีวศึกษา กระทรวงศึกษาธิการ
คำนำ เอกสารประกอบการเรียนเล่มนี้เป็นเอกสารประกอบการเรียนหน่วยที่ 9 เรื่อง วงจรขยายความแตกต่าง เนื้อหาสาระ การเรียนรู้ได้แก่การศึกษา โครงสร้างของวงจรขยายความแตกต่าง การทำงานของวงจรขยายความแตกต่าง ลักษณะสมบัติของ วงจรขยายความแตกต่าง สำหรับผลลัพธ์การเรียนรู้ของนักเรียนเมื่อเรียนด้วยเอกสารประกอบการเรียนหน่วยที่ 9 เรื่อง วงจรขยายความ แตกต่าง โดยใช้วิธีการสอนแบบ PQ-ADAPP มุ่งเน้นผลลัพธ์ที่เกิดกับผู้เรียนดังนี้ 1) ผู้เรียนสามารถต่อใช้งานวงจรขยายความ แตกต่างได้ 2) ผู้เรียนสามารถวัดและตรวจสอบการทำงานของวงจรขยายความแตกต่างได้ 3) ผู้เรียนสามารถใช้เครื่องมือ ตรวจหาข้อบกพร่องของวงจรขยายความแตกต่างได้ หวังเป็นอย่างยิ่งว่าเอกสารประกอบการเรียนหน่วยที่ 9 เรื่อง วงจรขยายความแตกต่าง วิชา อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ และวงจร ที่ผู้เรียบเรียงจัดทำขึ้น จะเป็นประโยชน์ต่อครูผู้สอนและนักเรียนในวิชานี้ และนำไปเป็นแบบอย่างในการจัดทำ เอกสารประกอบการเรียนวิชาอื่นต่อไป หากมีข้อเสนอแนะใดๆ ผู้เรียบเรียงน้อมรับด้วยความยินดียิ่ง (นายสุเกษม เกียรติไพบูลย์) ตำแหน่ง ครู วิทยฐานะ ครูชำนาญการพิเศษ
ใบความรู้/ใบเนื้อหา หน่วยที่ 9 เรื่อง วงจรขยายความแตกต่าง บทนำ วงจรขยาย (Amplifier Circuit) คือ วงจรที่มีการขยายสัญญาณที่ป้อนเข้ามาให้มีความแรงเพิ่มขึ้น ก่อนส่งออกเอาต์พุตการขยายสัญญาณขึ้นอยู่กับอัตราขยายของวงจรขยาย (Amplifier Gain) ที่ถูกกำหนดไว้ ซึ่งมีการจัดวงจรไว้แตกต่างกันไป ชนิดของอัตราขยายมี 3 ชนิด แตกต่างกัน ได้แก่ อัตราขยายแรงดัน (Voltage Gain ; AV) อัตราขยายกระแส (Current Gain ; AI ) และอัตราขยายกำลัง (Power Gain ; AP ) คุณสมบัติของวงจรขยายสัญญาณ แสดงดังรูปที่ 9.1 ภาพที่ 9.1 คุณสมบัติของวงจรขยายสัญญาณ (ที่มา: อิเล็กทรอนิกส์อุตสาหกรรม, พันธ์ศักดิ์ พุฒิมานิตพงศ์, 2563) วงจรขยายความแตกต่าง (Differential Amplifier Circuit) คือ วงจรขยายสัญญาณชนิดหนึ่งที่มี สองอินพุตมีภาคขยายสองภาคมาต่อร่วมกัน ทำหน้าที่ขยายสัญญาณที่เกิดจากผลต่างระหว่างสัญญาณที่ ป้อนเข้ามาที่อินพุตทั้งสองของวงจรออปแอมป์โดยวงจรจะเปรียบเทียบสัญญาณที่ได้จากทั้งสองอินพุตและ ขยายออกมาเป็นสัญญาณเอาต์พุต ถูกนําไปประยุกต์ใช้ขยายสัญญาณความแตกต่างสองสัญญาณ เช่น สัญญาณคลื่นหัวใจ สัญญาณเอาต์พุตของอุปกรณ์ตรวจจับ แรงดันที่ถูกแปลงจากการตรวจจับกระแส เป็นต้น 9.1 โครงสร้างของวงจรขยายความแตกต่าง โครงสร้างพื้นฐานของวงจรขยายความแตกต่างโดยทั่วไปจะใช้ทรานซิสเตอร์เบอร์เดียวกันสองตัว หรือเฟตเบอร์เดียวกันสองตัวต่อร่วมกันเป็นวงจรขยายความแตกต่าง เช่นวงจรตัวอย่างตามภาพที่ 9.2 ใช้ ทรานซิสเตอร์ชนิด NPN ที่มีคุณสมบัติเหมือนกัน 2 ตัว ต่อในลักษณะของวงจรคอมมอนอิมิตเตอร์ ใช้ แหล่งจ่ายไฟทางด้านเอาต์พุตจากแหล่งเดียวกัน (VCC) ส่วนแหล่งจ่ายไฟทางด้านอินพุตจะเป็นแหล่งจ่ายไฟเพื่อ ใช้ในการจ่ายกระแสเพื่อกระตุ้นขาเบสของทรานซิสเตอร์แต่ละตัวคือ VIN1 และ VIN2 ซึ่งการเปลี่ยนแปลงของค่า VI Vo II Io อัตราขยาย (A) = สัญญาณเอาต์พุต สัญญาณอินพุต
แรงดันทางด้านอินพุตที่เกิดความแตกต่างจะส่งผลโดยตรงต่อค่าแรงดันเอาต์พุตของวงจรได้แก่ VO1 และ VO2 ลักษณะโครงสร้างพื้นฐานของวงจรขยายความแตกต่างแสดงตามภาพที่ 9.2 ภาพที่ 9.2 โครงสร้างพื้นฐานของวงจรขยายความแตกต่าง ปัจจุบันวงจรขยายความแตกต่างนิยมผลิตในรูปของไอซีและใช้ออปแอมป์เบอร์ 741 เป็นอุปกรณ์ หลักเพื่อความสะดวกในการนำไปใช้งาน โครงสร้างภายในของตัวออปแอมป์ประกอบด้วยอินพุต 2 อินพุต คือ อินพุตลบ (Inverting input, -) และ อินพุตบวก (Non-inverting input, +) มี 1 เอาต์พุต Vcc คือแรงดัน ไบแอสบวก และ VEE คือ แรงดันไบแอสลบ โดยปกติจะใช้การไบอัสแบบคู่ เช่น VCC = +15V ,VEE= -15V ค่า แรงดันบวกและลบปกติจะไม่เกิน 15V และต้องไบอัสทั้งสองขั้วด้วยแรงดันเท่ากันเสมอ ทั้งนี้ควรพิจารณาจาก คู่มือออปแอมป์อีกครั้งหนึ่ง ออปแอมป์เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่นิยมนำไปใช้ทำหน้าที่เป็นวงจรขยายแรงดัน มีโครงสร้าง ภายในเป็นวงจรที่ซับซ้อนประกอบไปด้วย ตัวต้านทาน, ทรานซิสเตอร์, มอสเฟ็ต, ตัวเก็บประจุ และไดโอด จำนวนมาก ต่อเป็นวงจรรวมในรูปของไอซี (IC : Integrated Circuit) ลักษณะโครงสร้างและสัญลักษณ์ของ ออปแอมป์แสดงตามภาพที่ 9.3 +VCC RC1 RC2 VO1 VO2 VIN1 VIN2 RE TR1 TR2 -VCC
(ก) สัญลักษณ์แบบที่ 1 (ข) สัญลักษณ์แบบที่ 2 (ค) โครงสร้างวงจรสมมูลพื้นฐานของออปแอมป์ ภาพที่ 9.3 โครงสร้างและสัญลักษณ์ของออปแอมป์ ภายในตัวออปแอมป์เมื่อพิจารณาถึงวงจรภายในสภาวะที่ไม่เป็นอุดมคติ(Non-ideal) จะประกอบ ไปด้วยวงจรสมมูล ดังรูปที่ 9.3 โดยกำหนดให้ Ri คือ ความต้านทานอินพุต VD คือ ผลต่างของแรงดันอินพุต (VD = V2 - V1 ) RO คือ ความต้านทานเอาต์พุต A คือ อัตราขยายแรงดัน (voltage gain) VO คือ แรงดันเอาต์พุต V1 คือ แรงดันอินพุตที่ขาลบ V2 คือ แรงดันอินพุตที่ขาบวก +VCC output -VEE Non-Inverting input Inverting input + - output Non-Inverting input Inverting input + - Non-Inverting input Inverting input + - Zin Zo AVd output Rin Ro VD
ในการใช้งานออปแอมป์จะถูกสร้างขึ้นในรูปแบบของไอซีตระกูล 741 เป็นวงจรรวมสำหรับใช้ขยาย สัญญาณ โดยมีอัตราการขยายแรงดันที่สูง หรือที่เรียกว่า Voltage Gain ลักษณะของไอซีออปแอมป์มี โครงสร้างแสดงตามภาพที่ 9.4 (ก) โครงสร้างไอซีออปแอมป์ (ข) รูปร่างของไอซีออปแอมป์ ภาพที่ 9.4 โครงสร้างและรูปร่างของไอซีออปแอมป์ จากภาพที่ 9.4 ไอซีออปแอมป์มีขาทั้งหมด 8 ขา แต่ละขามีหน้าที่ดังนี้ ขา 1 คือ ขา offset ขา 2 คือ ขา Inverting Input ขา 3 คือ ขา Non-Inverting Input ขา 4 คือ ขา รับไฟเลี้ยง -VCC หรือ -VEE ขา 5 คือ ขา offset ขา 6 คือ ขา Output ขา 7 คือ ขา รับไฟเลี้ยง +VCC ขา 8 คือ ขา NC ไม่ได้ต่อใช้งาน ตัวอย่างค่าพิสัยพารามิเตอร์ของออปแอมป์ ตารางที่ 9.1 พิสัยพารามิเตอร์ของออปแอมป์ พารามิเตอร์ ค่าพิสัย ค่าอุดมคติ อัตราขยายวงเปิด (A) 105 ถึง 108 ∞ ความต้านทานด้านเข้า (Ri ) 106 ถึง 1013 โอห์ม ∞ โอห์ม ความต้านทานด้านออก (RO) 10 ถึง 100 โอห์ม 0 โอห์ม แรงดันแหล่งจ่าย (VCC) 5 ถึง 24 โวลต์ 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8
ด้วยเหตุนี้ออปแอมป์จึงอาจพิจารณาได้ว่าเป็นวงจรขยายแรงดันที่มีอัตราขยายสูงมาก ๆ หรือมองว่า เป็นหน่วยทางอิเล็กทรอนิกส์ที่มีพฤติกรรมเหมือนกับแหล่งจ่ายแรงดันแบบใช้แรงดันควบคุม (Voltage Controlled Voltage Source) และนอกจากสามารถใช้ทำเป็นแหล่งจ่ายแบบแรงดันควบคุมหรือกระแส ควบคุมได้แล้ว ยังใช้รวมสัญญาณ ขยายสัญญาณ อินทิเกรต หรือหาค่าอนุพันธ์ของสัญญาณได้ด้วย ความสามารถในการดำเนินการทางคณิตดังกล่าวจึงทำให้ถูกเรียกว่า Operational Amplifier หรือสั้น ๆ ว่า ออปแอมป์ 9.2 การทำงานของวงจรขยายความแตกต่าง ลักษณะโครงสร้างพื้นฐานของวงจรขยายความแตกต่างที่ใช้ไอซีออปแอมป์แสดงตามภาพที่ 9.5 ภาพที่ 9.5 โครงสร้างพื้นฐานของวงจรขยายความแตกต่างที่ใช้ไอซีออปแอมป์ ภาพที่ 9.5 แสดงโครงสร้างพื้นฐานของวงจรขยายความแตกต่างที่ใช้ไอซีออปแอมป์ประกอบด้วย แหล่งจ่ายแรงดันทางด้านอินพุตจำนวน 2 แหล่งจ่ายได้แก่ VIN1 และ VIN2 โดยปกติจะมีค่าแรงดันไฟฟ้าไม่ เท่ากันเพื่อให้เกิดผลต่างในการทำงานของวงจร ตัวต้านทานทางด้านอินพุตได้แก่ R1 และ R2 เป็นตัวต้านทานที่ ทำหน้าที่จำกัดปริมาณกระแสไฟฟ้าที่จ่ายให้กับไอซีออปแอมป์ในขณะเดียวกันจะส่งผลต่ออัตราการขยาย แรงดันของวงจรด้วยกล่าวคือถ้าค่าความต้านทานอินพุตมีค่ามากจะทำให้อัตราการขยายแรงดันมีค่าลดลง ส่วนตัวต้านทาน R2 ทำหน้าที่เป็นวงจรแบ่งแรงดันไฟฟ้าทางด้านอินพุตขา Non-Inverting ของไอซีออปแอมป์ และตัวต้านทาน Rf หรือ ตัวต้านทานป้อนกลับ (Feedback Resistor) ทำหน้าที่รับสัญญาณป้อนกลับจากทาง เอาต์พุตของวงจรเพื่อนำไปกำหนดค่าอัตราขยายแรงดันของออปแอมป์ การทำงานของวงจรขยายผลต่าง จะทำหน้าที่ขยายสัญญาณจากผลต่างของสัญญาณอินพุตสองตัว กล่าวคือ เมื่อสัญญาณอินพุตที่ป้อนให้ขารับไฟของออปแอมป์มีขนาดไม่เท่ากัน (VIN1 ไม่เท่ากับ VIN2) จะทำให้ เกิดความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าที่ป้อนเข้ามามีค่าเท่ากับ VIN2 - VIN1 ส่งผลให้เกิดการขยายสัญญาณไปยังขา R1 Rf R2 R3 VIN1 VIN2 + - U1 VO + - +VCC -VEE
เอาต์พุตของออปแอมป์ และออปแอมป์จะไม่มีสัญญาณเอาต์พุตเมื่อสัญญาณอินพุตทั้งสองมีขนาดเท่ากัน ลักษณะการทำงานของวงจรขยายความแตกต่างแสดงตามภาพที่ 9.4 ภาพที่ 9.4 ลักษณะการทำงานของวงจรขยายความแตกต่าง จากภาพที่ 9.4 เมื่อจ่ายแรงดันอินพุต VIN1 และ VIN2 ให้กับขารับไฟของไอซีออปแอมป์ทำให้มี กระแส I1 ไหลผ่าน R1 และกระแส I2 ไหลผ่าน R2 เกิดแรงดันตกคร่อมที่ขาอินพุตลบเป็น V1 และที่ขาอินพุต บวกเป็น V2 ค่ากระแสที่ไหลเข้าออปแอมป์จะมีค่าเท่ากับศูนย์เนื่องจากค่าความต้านทานอินพุตของออป แอมป์มีค่าสูงนั่นคือ i1=0 และ i2=0 ดังนั้นจึงสามารถคำนวณหาค่าแรงดัน V2 = V1 ได้จากสมการต่อไปนี้ V2 = R2 R2+R3 VIN2 = V1 สมการที่ 9.1 ค่าแรงดันเอาต์พุตของวงจรขยายความแตกต่างสามารถคำนวณหาได้จาก Vo = Rf R1 (VIN2 − VIN1) สมการที่ 9.2 R1 Rf R2 R3 VIN1 VIN2 + - U1 VO + - +VCC -VEE V1 V2 V2 I1 i1=0 i2=0 + - if I2
ตัวอย่างที่ 1 จากวงจรตามภาพที่ 9.4 จงคำนวณหาค่าแรงดันเอาต์พุต (VO) วิธีทำ จากสมการที่ 9.2 Vo = Rf R1 (VIN2 − VIN1) แทนค่า Vo = 5k 1k (5V − 10V) Vo = −25V 9.3 ลักษณะสมบัติของวงจรขยายความแตกต่าง ลักษณะคุณสมบัติของวงจรขยายความแตกต่างในอุดมคติสามารถแบ่งได้เป็น 7 ข้อดังนี้ 1. อัตราการขยายแรงดัน สูงมากจนเป็นอนันต์ 2. ความต้านทานทางอินพุต สูงมากจนเป็นอนันต์ 3. ความต้านทานทางเอาท์พุท ต่ำมากจนเป็นศูนย์ 4. แรงดันออฟเซททางอินพุทเป็นศูนย์ 5. กระแสออฟเซททางอินพุทเป็นศูนย์ 6. ลักษณะสมบัติเชิงความถี่ ขยายได้ดีตั้งแต่ไฟตรง จนความถี่สูงมากเป็นอนันต์ 7. ไม่มีข้อบกพร่องอื่น ๆ R1 1kΩR1 Rf 5kΩ R2 1kΩ R3 5kΩ VIN1 10V VIN2 5 V + - U1 VO + - +VCC -VEE V1 V2 V2 I1 i1=0 i2=0 + - if I2
ลักษณะคุณสมบัติของวงจรขยายความแตกต่างในทางปฏิบัติสามารถแบ่งได้เป็น 4 ข้อดังนี้ 1. แรงดันเอาทพุตจะไม่เกินแรงดันที่จ่ายให้กับออปแอมป์ จากกราฟดังภาพที่ 9.5 ทำให้ทราบว่า แรงดันเอาท์พุตที่ได้จากออปแอมปนั้นจะมีค่าแรงดันไฟฟ้าไม่เกินแรงดันที่ป้อนให้กับออปแอมป์นั่นคือ -VSS ≤ VO ≤ + VSS ภาพที่ 9.5 กราฟแสดงลักษณะแรงดันของออปแอมปในอุดมคติ 2. อัตราขยายมีค่าเป็นอนันต์ (µ = ∞) ในทางอุดมคติ ออปแอมปจะมีอัตราขยายได้เป็นอนันต์ ในทางปฏิบัติอัตราขยายจะไม่เป็นอนันต์แต่มีค่า สูงมาก ตั้งแต่ 20,000 ถึง 2,000,000 เท่า 3. ขาอินพุตทั้งสองเสมือนเชื่อมติดกัน (VD = 0) VD = VO μ เมื่ออัตราขยายมีค่าเป็นอนันต์และ VO มีค่าไม่เกิน +VSS จะทำให้VD = 0 นั่นคือไม่มีผลต่างของ แรงดันระหว่างขา VP และขา VN นั่นเอง 4. กระแสของอินพุตทั้งสองเป็นศูนย์ (IN = IP = 0) เนื่องจาก ความต้านทานภายใน (RI ) ของ ออปแอมปมีค่าสูงมาก (∞) นั่นคือ จะทำให้กระแสที่ไหลเข้าขาทั้งสองมีค่าเป็น 0 ตามที่ได้กล่าวมาแล้วถึงการขยายผลต่างหรือวงจรที่ใช้ในการขยายความแตกต่างของสัญญาณ ระหว่างด้านขาเข้าทั้งสองแล้วนำผลต่างนี้มาเป็นตัวกำหนดอัตราการขยายแรงดันทางด้านขาออก มี ลักษณะคล้ายกับการขยายสําหรับเครื่องมือวัด (Instrumentation Amplifier) อันเป็นวงจรขยายที่มี ประโยชน์และนิยมใช้มาก +VSS -VSS VO Slope = µ VD
ภาพที่ 9.6 ลักษณะสมบัติของวงจรขยายความแตกต่างเมื่อพิจารณาที่โหนด Va ลักษณะสมบัติของวงจรขยายความแตกต่างสามารถหาค่าแรงดันไฟฟ้าเอาต์พุต VO ได้จากกฎ การไหลกระแสไฟฟ้าของเคอร์ชอฟ (Kirchhoff's Current Law, KCL) โดยพิจารณาที่โหนด Va และ Vb ดังแสดงตามภาพที่ 9.6 ได้ดังนี้ พิจารณาที่โหนด Va จะได้ Va−V1 R1 + Va−VO Rf = 0 สมการที่ 9.3 VO = ( Rf R1 + 1) Va − Rf R1 V1 สมการที่ 9.4 พิจารณาที่โหนด Vb จะได้ Vb−V2 R2 + Vb−0 R3 = 0 สมการที่ 9.5 Vb = ( R3 R2+R3 ) V2 สมการที่ 9.6 กรณีวงจรมีการป้อนกลับแบบลบ แทนค่า Vb จากสมการที่ 9.6 ใน Va ของสมการที่ 9.4 จะได้ VO = ( Rf R1 + 1) ( R3 R2+R3 ) V2 − Rf R1 V1 สมการที่ 9.7 จัดรูปใหม่ VO = Rf R1 ( 1+R1/Rf 1+R2/R3 ) V2 − Rf R1 V1 สมการที่ 9.8 R1 Rf R2 R3 V1 V2 + - U1 VO1 + - RL Va Vb 0A 0A
ถ้า R1 Rf = R2 R3 จะได้ VO = Rf R1 (V2 − V1 ) สมการที่ 9.9 ถ้า R1 = Rf และ R2 = R3 จะได้ VO = V2 − V1 สมการที่ 9.10 ตัวอย่างที่ 2 จากวงจรตามภาพเมื่อต้องการแรงดันไฟฟ้าเอาต์พุตแบบกลับเฟส 40 โวลต์ต้องใช้ R1 ที่มีค่าเท่าไร วิธีทำ จากสมการที่ 9.2 Vo = Rf R1 (VIN2 − VIN1) หาค่า R1 จะได้ R1 = Rf −VO (VIN2 − VIN1) แทนค่าจะได้ R1 = 5k −40 (0 − 10) R1 = 1,250 Ω R1 Rf 5kΩ R2 1kΩ R3 5kΩ VIN1 10V VIN2 + - U1 VO + - +VCC -VEE V1 V2
ตัวอย่างที่ 3 จากภาพวงจรขยายสำหรับเครื่องมือวัดเป็นวงจรขยายสำหรับสัญญาณค่าต่ำ ๆ จงหา ค่าแรงดันเอาต์พุตของวงจร เมื่อ R1=2kΩ, R2=1kΩ, R3=10kΩ, R4=5kΩ และ VIN1=6 โวลต์, VIN2=10 โวลต์ วิธีทำ จากสมการ Vo = R2 R1 ( 2R3 R4 + 1) (VIN2 − VIN1) แทนค่า VO = 1k 2k ( 2×10k 5k + 1) (10 − 6) Vo = 10V 9.4 วงจรประยุกต์ใช้งานวงจรขยายความแตกต่าง วงจรขยายความแตกต่าง เป็นวงจรที่สามารถปรับแต่งและขยายสัญญาณได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยมีการนำเข้าสัญญาณที่ต่างกัน (Differential input) และมีการส่งออกสัญญาณที่ขยายแล้ว (Output) ซึ่ง สามารถประยุกต์ใช้ในหลายวงจร และหลากหลายงานที่ต้องการการปรับแรงดันและขยายสัญญาณเชิงเส้น การประยุกต์ใช้งานของวงจรขยายความแตกต่าง เช่น Instrumentation Amplifier วงจร Instrumentation Amplifier เป็นการประยุกต์ใช้งานวงจรขยายความแตกต่างในการวัดและขยายสัญญาณจากเซ็นเซอร์หรือตัว ตรวจวัดต่าง ๆ เช่น เซ็นเซอร์แรงดัน อุณหภูมิ หรือการเคลื่อนที่ ซึ่งวงจรขยายสำหรับเครื่องมือวัดสามารถ ปรับแต่งและขยายสัญญาณผลต่างให้ได้ระดับแรงดันที่ต้องการและมีเสถียรภาพสูง VIN1 - + - + R1 R2 R3 R3 R1 R2 R4 VIN2 1 2 3
9.4.1 การขยายสำหรับเครื่องมือวัด (Instrumentation Amplifier) เป็นวงจรออปแอมป์สำหรับใช้ ในการวัดและกระบวนการควบคุมที่มีความถูกต้องสูง ที่เรียกชื่อแบบนี้เพราะว่ามีการใช้ในระบบการวัดอย่าง กว้างขวาง ตัวอย่างเช่น ประยุกต์ใช้เป็นวงจรขยายเดี่ยว ๆ ขยายค่าแรงดันของเทอร์โมคัปเปิลและระบบการ บันทึกข้อมูลต่าง (Data Acquisition System) เป็นต้น Instrumentation Amplifier เป็นส่วนขยายของการ ขยายความแตกต่าง โดยวงจรขยายความแตกต่างของสัญญาณระหว่างขั้วด้านขาเข้าทั้งสอง แสดงวงจรตาม ภาพที่ 9.7 ในวงจรประกอบด้วยออปแอมป์3 ตัว และความต้านทานอีก 7 ตัว โดยใช้ความต้านทาน RG ต่อ ภายนอกระหว่างขั้วสำหรับตั้งค่าอัตราขยาย ภาพที่ 9.7 วงจรขยายสำหรับเครื่องมือวัด วงจรขยายสําหรับเครื่องมือวัดจะขยายสัญญาณแรงดันรบกวนค่าต่ำที่มีแรงดันโหมดร่วมขนาดใหญ่ เมื่อแรงดันโหมดร่วมมีค่าเท่ากันจะหักล้างกันหมดไป (Cancel) โดยมีลักษณะสมบัติหลัก ๆ 3 ประการคือ 1. อัตราขยายสามารถปรับได้ด้วยความต้านทานภายนอก RG 2. อิมพีแดนซ์ด้านขาเข้ามีค่าสูงไม่เปลี่ยนตามอัตราขยายที่ปรับ 3. แรงดันด้านออก VO จะไม่ขึ้นกับแรงดันโหมดร่วมแต่ขึ้นอยู่กับความแตกต่างระหว่างแรงดันด้าน ขาเข้า V1 และ V2 เนื่องจากมีการใช้งานวงจรขยายสําหรับเครื่องมือวัดอย่างกว้างขวางผู้ผลิตจึงทําการรวมวงจรให้เป็น โมดูลเดียวกันทําให้ง่ายต่อการใช้งานมากขึ้น ตัวอย่างเช่น วงจรขยายสําหรับเครื่องมือวัด แบบ LH0036 ซึ่ง พัฒนาโดยบริษัทเนชั่นแนลเซมิคอนดัคเตอร์สามารถใช้การปรับอัตราขยายด้วยความต้านทานภายนอกซึ่งอาจ มีค่าตั้งแต่ 100 ถึง 10 กิโลโอห์มเพียงตัวเดียวต่อเพื่อปรับอัตราขยายโดยสามารถปรับได้ตั้งแต่ 1 ถึง 1,000 เป็นต้น ซึ่งจะสะดวกต่อการใช้งานมากขึ้น อย่างไรก็ตามผู้ใช้งานก็ยังควรต้องศึกษาหลักการพื้นฐานเพื่อใช้ทำ ความเข้าใจหรือแก้ปัญหาที่อาจจะเกิดขึ้นได้ VOUT - + VIN1 - + - + R1 R2 R3 R3 R1 R2 RG VIN2 1 2 3
9.4.2 วงจรประยุกต์การขยายสัญญาณผลต่างประยุกต์จากการทำงานของแสง ภาพที่ 9.8 วงจรประยุกต์ใช้งานขยายความแตกต่างจากการทำงานของแสง จากภาพที่ 9.8 วงจรประยุกต์การขยายสัญญาณจากวงจรขยายความแตกต่างโดยผลต่างของ แรงดันขาเข้าเกิดจากการทำงานของแสงซึ่งทำหน้าที่เป็นสวิตช์ที่เปิดหรือปิดรีเลย์ผลลัพธ์ของการทำงาน ขึ้นอยู่กับระดับของแสงที่ตรวจจับโดยตัวต้านทาน LDR ว่าเกินหรือต่ำกว่าค่าที่ตั้งในส่วนถัดมา มีการป้อน แรงดันอ้างอิงที่คงที่เข้าสู่ขา Non Inverting Input ของออปแอมป์ผ่านวงจรแบ่งแรงดันของ R1 และ R2 ทำให้ ค่าแรงดันที่ V1 ที่จะกำหนดให้ออปแอมป์ทำการสลับสถานะ โดยใช้ตัวต้านทานปรับค่าได้VR2 เพื่อใช้เป็นตัว ปรับค่าของแรงดันอ้างอิง V2 เป็นสัญญาณผลต่างแรงดันผลต่างกับ V1 ทำให้ออปแอมป์ทำการขยายสัญญาณ ผลต่างให้เหมาะสมกับแสงที่จะใช้งานสำหรับสถานะ "เปิด" และระดับแสงสำหรับสถานะ "ปิด" (ก) เมื่อ LDR ไม่ได้รับแสงหรือสภาวะแสงน้อย
(ข) เมื่อ LDR ได้รับแสงหรือสภาวะแสงมาก ภาพที่ 9.8 วงจรประยุกต์การขยายสัญญาณผลต่างประยุกต์จากการทำงานของแสง สรุป วงจรขยายความแตกต่างเป็นวงจรที่ทำหน้าที่ขยายสัญญาณออกทางด้านเอาต์พุตโดยอาศัยการ ทำงานจากการเปรียบเทียบความแตกต่างของสัญญาณด้านอินพุต โครงสร้างของวงจรสามารถออกแบบได้จาก อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์พื้นฐาน ได้แก่ ทรานซิสเตอร์ มอสเฟ็ต หรือปัจจุบันนิยมใช้ออปแอมป์เป็นอุปกรณ์หลัก ในการสร้างวงจรเพื่อนำไปใช้งาน ลักษณะสมบัติทางไฟฟ้าจะให้อัตราการขยายที่มีค่าสูงหรือต่ำขึ้นอยู่กับการ กำหนดค่าพารามิเตอร์ของวงจร เช่น ค่าความต้านทาน แรงดันขาเข้า (VIN1, VIN2) เป็นต้น การนำวงจรขยาย ความแตกต่างไปประยุกต์ใช้งานสามารถประยุกต์ใช้ได้ในหลายวงจร และหลากหลายงานที่ต้องการการปรับ แรงดันและขยายสัญญาณในรูปแบบที่เป็นเชิงเส้น ยกตัวอย่างเช่น การใช้งานใน Instrumentation Amplifier หรือวงจรขยายสำหรับเครื่องมือวัด การใช้งานร่วมกับระบบเซ็นเซอร์ในงานอุตสาหกรรมทำหน้าที่เป็นตัวขยาย สัญญาณค่าต่ำ ๆ ที่รับมาจากการตรวจจับของอุปกรณ์เซ็นเซอร์ เป็นต้น