เอกสารประกอบการเรียน วิชา อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และวงจร (20104-2102) หลักสูตรประกาศนียบัตรวิชาชีพ (ปวช.) พุทธศักราช 2562 หน่วยที่ 11 เรื่อง วงจรออปแอมป์ โดย นายสุเกษม เกียรติไพบูลย์ สาขาวิชาไฟฟ้ากำลัง วิทยาลัยเทคนิคระนอง สำนักงานคณะกรรมการการอาชีวศึกษา กระทรวงศึกษาธิการ
คำนำ เอกสารประกอบการเรียนเล่มนี้เป็นเอกสารประกอบการเรียนหน่วยที่ 11 เรื่อง วงจรออปแอมป์เนื้อหาสาระการ เรียนรู้ได้แก่การศึกษา โครงสร้างของวงจรออปแอมป์การทำงานของวงจรออปแอมป์ลักษณะสมบัติของวงจรออปแอมป์ สำหรับผลลัพธ์การเรียนรู้ของนักเรียนเมื่อเรียนด้วยเอกสารประกอบการเรียนหน่วยที่ 11 เรื่อง วงจรออปแอมป์โดย ใช้วิธีการสอนแบบ PQ-ADAPP มุ่งเน้นผลลัพธ์ที่เกิดกับผู้เรียนดังนี้ 1) ผู้เรียนสามารถต่อใช้งานวงจรออปแอมป์ได้ 2) ผู้เรียน สามารถวัดและตรวจสอบการทำงานของวงจรออปแอมป์ได้ 3) ผู้เรียนสามารถใช้เครื่องมือตรวจหาข้อบกพร่องของวงจรออป แอมป์ได้ หวังเป็นอย่างยิ่งว่าเอกสารประกอบการเรียนหน่วยที่ 11 เรื่อง วงจรออปแอมป์ วิชา อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และ วงจร ที่ผู้เรียบเรียงจัดทำขึ้น จะเป็นประโยชน์ต่อครูผู้สอนและนักเรียนในวิชานี้ และนำไปเป็นแบบอย่างในการจัดทำเอกสาร ประกอบการเรียนวิชาอื่นต่อไป หากมีข้อเสนอแนะใดๆ ผู้เรียบเรียงน้อมรับด้วยความยินดียิ่ง (นายสุเกษม เกียรติไพบูลย์) ตำแหน่ง ครู วิทยฐานะ ครูชำนาญการพิเศษ
ใบความรู้/ใบเนื้อหา หน่วยที่ 11 เรื่อง วงจรออปแอมป์ บทนำ ออปเปอเรชั่นแนล แอมปลิไฟร์เออร์ (Operational Amplifier) นิยมเรียกสั้น ๆ ว่า “ออปแอมป์” (Op-Amp) เป็นวงจรในกลุ่มวงจรรวมแอนะล็อก เริ่มพัฒนาตั้งแต่ ปี พ.ศ. 2491 เพื่อใช้งานกับแอนะล็อก คอมพิวเตอร์ในงานคำนวณทางคณิตศาสตร์เท่านั้น แต่ปัจจุบันถูกออกแบบมาเพื่อให้สามารถใช้งานได้หลาย รูปแบบ เช่น วงจรขยายเสียง วงจรรักษาระดับแรงดัน วงจรเครื่องมือวัด วงจรกำเนิดสัญญาณ วงจรในระบบ ควบคุมอัตโนมัติ วงจรเปรียบเทียบสัญญาณ วงจรแปลงสัญญาณ วงจรอินเตอร์เฟสระหว่างสัญญาณแอนะล็อก และดิจิตอล วงจรแหล่งจ่ายไฟฟ้า และอื่น ๆ เป็นต้น ออปแอมป์นับว่าเป็นวงจรรวมกลุ่มแอนะล็อก หรือ กลุ่ม เชิงเส้นที่นิยมใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุด การสังเกตวงจรรวมหรือไอซีชนิดออปแอมป์สามารถดูได้จากรหัส ตัวเลขหมายเลข 741 ที่แสดงไว้บนตัวอุปกรณ์ไอซี รูปร่างของออปแอมป์แบบต่าง ๆ แสดงตามภาพที่ 11.1 ภาพที่ 11.1 รูปร่างของออปแอมป์แบบต่าง ๆ 11.1 โครงสร้างของวงจรออปแอมป์ ออปแอมป์เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่นิยมนำไปใช้ทำหน้าที่เป็นวงจรขยายแรงดัน มีโครงสร้าง ภายในเป็นวงจรที่ซับซ้อนประกอบไปด้วย ตัวต้านทาน, ทรานซิสเตอร์, มอสเฟ็ต, ตัวเก็บประจุ และไดโอด จำนวนมาก ต่อเป็นวงจรรวมในรูปของไอซี (IC : Integrated Circuit) ลักษณะโครงสร้างและสัญลักษณ์ของ ออปแอมป์แสดงตามภาพที่ 11.2
(ก) สัญลักษณ์แบบที่ 1 (ข) สัญลักษณ์แบบที่ 2 (ค) โครงสร้างวงจรสมมูลพื้นฐานของออปแอมป์ ภาพที่ 11.2 โครงสร้างและสัญลักษณ์ของออปแอมป์ ภาพที่ 11.2 (ก) และ (ข) แสดงสัญลักษณ์ของออปแอมป์สามารถเขียนได้ 2 แบบ แบบที่ 1 ภาพที่ 11.2 (ก) เป็นสัญลักษณ์ของออปแอมป์ที่ประกอบด้วย ขั้วอินพุต 2 ขั้ว ได้แก่ อินพุตแบบ Non-Inverting หรือ อินพุตแบบไม่กลับขั้วสัญญาณ แสดงสัญลักษณ์แทนด้วยเครื่องหมายบวก (+) และอินพุตแบบ Inverting หรือ อินพุตแบบกลับขั้วสัญญาณ แสดงสัญลักษณ์แทนด้วยเครื่องหมายลบ (-) ส่วนตำแหน่งของสัญลักษณ์ที่ระบุ ตัวอักษรกำกับ +VCC และ -VEE หมายถึงขั้วสำหรับจ่ายแรงดันไฟเลี้ยงให้กับออปแอมป์ โดยจะมีค่าแรงดัน ประมาณ 9 โวลต์ถึง 18 โวลต์ซึ่งโดยทั่วไปเราจะใช้แรงดันไฟเลี้ยงเป็นไฟฟ้ากระแสตรงประมาณ 15 โวลต์ และสัญญาณเอาต์พุตที่ได้จะแสดงที่ตำแหน่งขั้วสัญญาณออก (output) ในการเขียนสัญลักษณ์ของออปแอมป์ + - output Non-Inverting input Inverting input + - Non-Inverting input Inverting input + - Zin Zo AVd output Rin Ro Vd + - +VCC output -VEE Non-Inverting input Inverting input
บางครั้งอาจไม่จำเป็นต้องระบุขั้วสำหรับจ่ายแรงดันไฟเลี้ยงซึ่งถูกละไว้ในฐานที่เข้าใจจึงสามารถเขียน สัญลักษณ์ของออปแอมป์ได้ตามภาพที่ 11.2 (ข) ภาพที่ 11.2 (ค) แสดงโครงสร้างวงจรสมมูลพื้นฐานของออปแอมป์ซึ่งจะเห็นถึงลักษณะโครงสร้าง พื้นฐานของอุปกรณ์ออปแอมป์คุณสมบัติโดยทั่วไปของออปแอมป์นั้นจะมีคุณสมบัติพื้นฐานดังนี้ คือ อินพุต อิมพีแดนซ์(Zin) จะมีค่าที่สูง ,เอาต์พุตอิมพีแดนซ์(Zo) จะมีค่าต่ำ และอัตราขยายแรงดัน (Av ) จะมีค่าที่สูงมาก โดยลักษณะโครงสร้างพื้นฐานของอุปกรณ์ออปแอมป์นั้นจะประกอบด้วยขาที่จะนำมาใช้งานดังต่อไปนี้ ขา Inverting เป็นขาอินพุตของออปแอมป์ โดยมีไว้เพื่อป้อนสัญญาณ ที่เป็นได้ทั้งสัญญาณไฟ กระแสตรงและสัญญาณไฟกระแสสลับ ซึ่งสัญญาณที่ถูกป้อนเข้าไปที่ขา Inverting จะได้สัญญาณที่ตรงกันข้าม หรือกลับเฟสที่จะออกมาทางขาเอาต์พุต ขา Non-Inverting เป็นขาอินพุตของออปแอมป์ โดยมีไว้เพื่อป้อนสัญญาณที่เป็นได้ทั้งสัญญาณไฟ กระแสตรงและสัญญาณไฟกระแสสลับ ซึ่งสัญญาณที่ถูกป้อนเข้าไปที่ขา Non-Inverting จะได้สัญญาณที่ไม่ กลับเฟสหรืออินเฟสที่จะออกมาทางขาเอาต์พุต ขา +VCC ซึ่งเป็นขาป้อนไฟบวก โดยจะมีค่าแรงดันไฟประมาณ 9 โวลต์ถึง 18 โวลต์โดยทั่วไปจะใช้ แรงดันไฟประมาณ 15 โวลต์ ขา -VEE ซึ่งเป็นขาป้อนไฟลบ โดยจะมีค่าแรงดันไฟประมาณ -9 โวลต์ถึง -18 โวลต์โดยทั่วไปจะใช้ แรงดันไฟประมาณ -15 โวลต์ ขา Output ซึ่งเป็นขาเอาต์พุตของออปแอมป์ มีไว้เพื่อบอกถึงสภาวะการทำงานของออปแอมป์ ซึ่ง จะเกิดขึ้นจากการที่เราทำการป้อนสัญญาณเข้าที่ขาอินพุตทั้งสองของออปแอมป์ ในการใช้งานออปแอมป์ถูกสร้างขึ้นในรูปแบบของไอซีตระกูล 741 เป็นวงจรรวมสำหรับใช้ขยาย สัญญาณ โดยมีอัตราการขยายแรงดันที่สูง หรือที่เรียกว่า Voltage Gain ลักษณะของไอซีออปแอมป์มี โครงสร้างแสดงตามภาพที่ 11.3 (ก) โครงสร้างไอซีออปแอมป์ (ข) รูปร่างของไอซีออปแอมป์ ภาพที่ 11.3 โครงสร้างและรูปร่างของไอซีออปแอมป์ 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8
จากภาพที่ 11.3 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 11.2 การทำงานของวงจรออปแอมป์ จากโครงสร้างของไอซีออปแอมป์ตระกูล 741 ที่มีลักษณะเป็นชิปขนาดเล็กประกอบด้วยขาทั้งหมด 8 ขา โดยขาหมายเลข 2, 3 และ 6 นั้นเป็นขาสำคัญในการใช้งาน การทำงานของออปแอมป์ส่วนใหญ่เป็นการดำเนินการทางคณิตศาสตร์ เช่น การบวก การลบ การหาร การคูณ การเปรียบเทียบความแตกต่าง เป็นต้น ไอซี741 มีลักษณะการทำงานโดยการเปรียบเทียบ อินพุตที่ต่างกัน และขยายสัญญาณออกโดยมีอัตราการขยายที่สูงมากหรือเรียกว่าอัตราการขยายเอาต์พุตแบบ พุชพูล ขา 1 และ 5 คือขั้ว “offset null” หรือ “balance” เมื่อไม่เกิดความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้า ทางด้านอินพุตจะไม่เกิดการทำงานของออปแอมป์ และไม่มีอัตราการขยายสัญญาณเกิดขึ้นทางด้านเอาต์พุต จากวงจรสมมูลของออปแอมป์ตามภาพที่ 11.2 (ค) ส่วนทางด้านอินพุตของออปแอมป์จะ ประกอบด้วยตัวต้านทาน Rin ซึ่งเป็นความต้านทานทางด้านอินพุตของออปแอมป์ โดยจะมีแรงดันตกคร่อม ระหว่างขั้วอินพุตบวกและขั้วอินพุตลบ เท่ากับ Vd ส่วนทางด้านเอาต์พุตจะประกอบด้วยตัวต้านทาน Ro เป็น ความต้านทานที่มองเข้าไปทางขั้วเอาต์พุตของออปแอมป์ และแหล่งจ่ายแรงดันที่ควบคุมด้วยแรงดันที่มีค่า เท่ากับ AVd ค่า A นี้เรียกว่าอัตราขยายวงเปิด (Open loop gain) ของออปแอมป์เพื่อความง่ายในการศึกษา หลักการทำงานของวงจรออปแอมป์ควรจะกำหนดให้ออปแอมป์เป็นอุดมคติซึ่งจะมีคุณสมบัติดังนี้ ภาพที่ 11.4 การพิจารณาออปแอมป์ในอุดมคติ + - i1=0 i2=0 Vo
จากภาพที่ 11.4 การพิจารณาออปแอมป์ในอุดมคติจะกำหนดให้อัตราขยายลูปเปิด (A) มีค่าเป็น อนันต์ ความต้านทานอินพุต (Rin) มีค่าเป็นอนันต์ และความต้านทานเอาต์พุต (Ro) มีค่าเป็นศูนย์ดังนี้ อัตราการขยาย A = ∞ ความต้านทานอินพุต Rin = ∞ ความต้านทานเอาต์พุต Ro = 0 การทำงานไม่ขึ้นกับความถี่ BW = ∞ (Bandwidth) เมื่อแรงดันอินพุตเป็นศูนย์ทำให้แรงดันเอาต์พุตเป็นศูนย์ด้วย การทำงานของออปแอมป์ไม่ขึ้นกับอุณหภูมิ ด้วยเหตุนี้จึงทำให้กระแสที่ไหลเข้าออปแอมป์ทางด้านอินพุต (i1 , i2 ) มีค่าเท่ากับศูนย์ดังสมการ (11.1) และแรงดันที่ขาบวก (V(+)) และขาลบ (V(-) ) จะมีค่าเท่ากันเสมอ ดังสมการ (11.2) i1 = 0, i2 = 0 หรือ i1 = i2 สมการที่ 11.1 V(+) = V(-) สมการที่ 11.2 วิธีง่าย ๆ ในการหาค่าของแรงดันที่ขาบวก V(+) และแรงดันที่ขาลบ V(-) ทำได้โดยการสังเกตที่วงจร ออปแอมป์ถ้าอินพุตขั้วใดขั้วหนึ่งต่อลงกราวด์ค่าแรงดันอีกขั้วหนึ่งจะเท่ากับศูนย์ แสดงตามภาพที่ 11.5 (ก) หรือถ้าขั้วอินพุตในวงจรต่อกับแหล่งจ่ายแรงดันที่ขั้วใดขั้วหนึ่ง ค่าแรงดันอีกขั้วหนึ่งก็จะมีค่าเท่ากับค่าแรงดันที่ แหล่งจ่ายนั้น ดังแสดงตามภาพที่ 11.5 (ข) ขั้วอินพุต VIN1 ต่อกับแหล่งจ่ายแรงดัน +5 โวลต์ ค่าแรงดันที่ขั้ว อินพุต VIN2 หรืออินพุตลบก็จะมีค่าเท่ากับ 5 โวลต์ (ก) อินพุต(+) = 0V ทำให้อินพุต(-) = 0V (ข) อินพุต(+) = 5V ทำให้อินพุต(-) = 5V ภาพที่ 11.5 การหาค่าของแรงดันที่ขาบวก V(+) และแรงดันที่ขาลบ V(-) - + VIN1 +5V R1 100Ω R2 100Ω 5V VOUT - + VIN1 0V R1 100Ω R2 100Ω 0V VOUT VIN2 5V
11.3 ลักษณะสมบัติของวงจรออปแอมป์ ในการใช้งานตามหลักการทำงานของวงจรขยายสัญญาณเบื้องต้นของออปแอมป์ที่มีบทบาท สำคัญในการนําไปใช้งานร่วมกับวงจรแอนะล็อกกับวงจรดิจิตอล ซึ่งการนําไปประยุกต์ใช้งานจะต้องรู้จัก วงจรเบื้องต้นดังนี้ 11.3.1 วงจรขยายแบบกลับเฟส (Inverting Amplifier) เป็นวงจรที่เปลี่ยนสัญญาณอินพุต ปริมาณน้อย ๆ แล้วขยายให้สัญญาณเอาต์พุตมีปริมาณสูงขึ้นกว่าเดิม โดยสัญญาณเอาต์พุตจะมีเฟสต่างกับ สัญญาณอินพุต 180 องศา จากภาพที่ 11.6 จะเห็นว่าสัญญาณอินพุตถูกป้อนเข้าที่ขั้วลบของออปแอมป์ แล้วส่วนหนึ่งของสัญญาณเอาต์พุตที่กลับเฟสจะถูกป้อนกลับมายังอินพุตลบอีกครั้งโดยผ่านตัวต้านทาน R2 ภาพที่ 11.6 วงจรขยายแบบกลับเฟส การนำเอาต์พุตที่ได้ต่อเข้ากับตัวต้านทาน R2 แล้วนำไปเข้าที่ขาอินพุตทางลบ เรียกว่าการ ป้อนกลับทางลบ ซึ่งวงจรขยายแบบกลับเฟส จะมีอัตราขยายสามารถคำนวณได้ตามสมการที่ 11.3 และ ลักษณะของวงจรแสดงตามภาพที่ 11.6 AV = = - สมการที่ 11.3 ดังนั้นการหาค่าแรงดันเอาต์พุต VOUT ของวงจรออปแอมป์ จะได้ VOUT = AV x VIN = -VIN x (R2/R1 ) สมการที่ 11.4 11.3.2 วงจรขยายแบบไม่กลับเฟส (Noninverting Amplifier) เป็นวงจรที่ต่างจาก วงจรขยายแบบกลับเฟสในแง่อัตราขยายและเฟสของสัญญาณเอาต์พุต จากภาพที่ 11.7 จะเห็นว่า - + R1 R2 VOUT VIN RL VOUT VIN R2 R1
สัญญาณอินพุตถูกป้อนเข้าที่ขั้วบวกของออปแอมป์ แล้วส่วนหนึ่งของสัญญาณเอาต์พุตที่ไม่กลับเฟสจะถูก ป้อนกลับมายังอินพุตลบอีกครั้งโดยผ่านตัวต้านทาน R2และ R1 ลงกราวด์ ภาพที่ 11.7 วงจรขยายแบบไม่กลับเฟส วงจรขยายแบบไม่กลับเฟส จะมีอัตราขยายสามารถคำนวณได้ตามสมการที่ 11.5 และลักษณะ ของวงจรแสดงตามภาพที่ 11.7 AV = + 1 สมการที่ 11.5 และการหาค่าแรงดันเอาต์พุต VOUT ของวงจรออปแอมป์ จะได้ VOUT = AV x VIN = (R2/R1 + 1) x VIN สมการที่ 11-6 11.3.3 วงจรตามแรงดัน (Voltage Follow) เป็นการใช้งานวงจรออปแอมป์ที่มีอัตราการ ขยายเท่ากับ 1 สามารถใช้เป็นทั้งวงจรขยายแบบกลับเฟสหรือขยายแบบไม่กลับเฟสก็ได้ โดยมี วัตถุประสงค์ในการนำไปใช้งานเพื่อเป็นวงจรบัฟเฟอร์ (Buffer) ซึ่งสามารถจ่ายกระแสได้มากที่ขั้วเอาต์พุต ในขณะที่กระแสที่ขั้วอินพุตมีค่าเพียงเล็กน้อย ลักษณะของวงจรตามแรงดันแสดงตามภาพที่ 11.8 (ก) และ 11.8 (ข) ตามลำดับ R2 R1 - R2 R1 + VOUT VIN RL
(ก) วงจรตามแรงดันแบบไม่กลับเฟส (ข) วงจรตามแรงดันแบบกลับเฟส ภาพที่ 11.8 วงจรตามแรงดันแบบกลับเฟสและแบบไม่กลับเฟส พิจารณาจากวงจรสามารถหาค่าแรงดันเอาต์พุตได้จาก V(+) = VIN = V(-) เมื่อ V(-) = VOUT ดังนั้น VOUT = VIN สมการที่ 11.7 11.3.4 วงจรขยายแบบรวมสัญญาณ (Summing Amplifier) คือวงจรออปแอมป์ที่รวม อินพุตตั้งแต่ 2 อินพุตขึ้นไปมารวมกัน และค่าแรงดันเอาต์พุตจะมีค่าเท่ากับผลรวมของแรงดันอินพุตคูณกับ อัตราการขยายของวงจร ดังตัวอย่างที่แสดงตามภาพที่ 11.9 เป็นวงจรขยายรวมสัญญาณแบบ 3 อินพุต - Rx Rx + VOUT VIN - VOUT + VIN
ภาพที่ 11.9 วงจรขยายแบบรวมสัญญาณ 3 อินพุต พิจารณาจากวงจรสังเกตที่ขั้วอินพุตบวกสามารถหาค่าแรงดันเอาต์พุตได้จาก V(+) = 0 = V(-) พิจารณาที่โนด V(-) ด้วยกฎกระแสไฟฟ้าของเคอร์ชอฟฟ์จะได้ V(−) − VIN1 R1 + V(−) − VIN2 R2 − V(−) − VIN3 R3 − V(−) − VOUT Rf = 0 เมื่อแทนค่า V(−) = 0 ในสมการข้างต้นจะได้สมการความสัมพันธ์ระหว่างอินพุตกับเอาต์พุต ดังนี้ − VIN1 R1 − VIN2 R2 − VIN3 R3 − VOUT Rf = 0 VOUT = − ( Rf R1 V1 + Rf R2 V2 + Rf R3 V3) ถ้า R1 = R2 = R3 = R ทำให้A = -Rf / R ดังนั้น VOUT = − Rf R (V1 + V2 + V3 ) สมการที่ 11-8 - R1 Rf + VOUT VIN1 RL R2 R3 VIN2 VIN3 V(-) V(+)
11.4 การประยุกต์ใช้งานวงจรออปแอมป์ การประยุกต์ใช้งานออปแอมป์จะพบได้ในวงจรเครื่องวัด, วงจรแสดงผล และวงจรอิเล็กทรอนิกส์ใน การควบคุมกระบวนการ, วงจรปรับสัญญาณ, วงจรสื่อสาร, ระบบเตือนภัย, วงจรอิเล็กทรอนิกส์ทางด้าน การแพทย์ด้านวิทยาศาสตร์และในระบบคอมพิวเตอร์เป็นต้น จะเห็นได้ว่าออปแอมป์ได้ถูกนำไปใช้งานอย่าง กว้างขวาง ดังนั้นจึงอาจเรียกออปแอมป์ได้ว่า เป็นวงจรขยายเชิงเส้นอเนกประสงค์ 11.4.1 การขยายสำหรับเครื่องมือวัด (Instrumentation Amplifier) เป็นวงจรออปแอมป์ สำหรับใช้ในการวัดและกระบวนการควบคุมที่มีความถูกต้องสูง ที่เรียกชื่อแบบนี้เพราะว่ามีการใช้ในระบบ การวัดอย่างกว้างขวาง ตัวอย่างเช่น ประยุกต์ใช้เป็นวงจรขยายเดี่ยว ๆ ขยายค่าแรงดันของเทอร์โมคัปเปิล และระบบการบันทึกข้อมูลต่าง (Data Acquisition System) เป็นต้น Instrumentation Amplifier เป็น ส่วนขยายของการขยายความแตกต่าง โดยวงจรขยายความแตกต่างของสัญญาณระหว่างขั้วด้านขาเข้าทั้ง สอง แสดงวงจรตามภาพที่ 11.10 ในวงจรประกอบด วยออปแอมป์3 ตัว และความต้านทานอีก 7 ตัว โดยใช้ความต้านทาน RG ต่อภายนอกระหว่างขั้วสำหรับตั้งค่าอัตราขยาย ภาพที่ 11.10 วงจรขยายสำหรับเครื่องมือวัด จากวงจรตามภาพที่ 11.10 สามารถคำนวณหาค่าแรงดันเอาต์พุตได้จาก VOUT = AV(V2 − V1 ) สมการที่ 11.9 VOUT - + VIN1 - + - + R R R R R R RG VIN2 1 2 3
เมื่ออัตราการขยายแรงดันคือ = 1 + 2 สมการที่ 11.10 ตัวอย่างที่ 1 จากภาพที่ 11.10 กำหนดให้R1 = 10 kΩ , V1 = 2.011 โวลต์และ V2 = 2.035 โวลต์ถ้า RG ปรับไว้ที่ 500 Ω จงหา ก) อัตราขยายแรงดัน ข) แรงดันด้านขาออก วิธีทำ ก) อัตราขยายแรงดัน (AV) จากสมการ = 1 + 2 จะได้ = 1 + 210,000 500 = 41 ข) แรงดันด้านขาออก (VO) จากสมการ = (2 − 1 ) จะได้ = 41(2.035 − 2.011) = 984 วงจรขยายสำหรับเครื่องมือวัดจะขยายสัญญาณแรงดันรบกวนค่าต่ำที่มีแรงดันโหมดร่วมขนาดใหญ๋ 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 11.4.2 ตัวแปลงสัญญาณดิจิตอลเป็นแอนะล็อก (Digital–to–Analog Converter) ตัวแปลง สัญญาณดิจิตอลเป็นสัญญาณแอนะล็อกหรือเขียนย่อ DAC คือตัวเปลี่ยนสัญญาณดิจิตอลให้อยู่ในรูปของ สัญญาณแอนะล็อกซึ่งในตัวอย่างการประยุกต์ใช้งานนี้จะยกตัวอย่างเป็น DAC ขนาด 4 บิต โดยที่ DAC 4 บิต สามารถทำได้หลายวิธี วิธีอย่างง่ายคือแบบ Binary Weighted Ladder แต่ละบิตจะมีค่าน้ำหนัก (คล้ายค่าใน ระบบเลขที่เราคุ้นเคย คือ หลักหน่วย สิบ ร้อย เป็นต้น) เรียงตามค่าของ Rf / Rn ซึ่งบิตที่ต่ำกว่าจะมีขนาด น้ำหนักลดเป็นครึ่งหนึ่งของบิตที่มีลำดับติดกันที่สูงกว่า ในที่นี้จะสังเกตได้ว่าเป็นวงจรขยายแบบรวมสัญญาณ กลับขั้วค่าแรงดันด้านขาออกจะสัมพันธ์กับค่าแรงดันด้านขาเข้าดังนี้ VOUT = − ( Rf R1 V1 + Rf R2 V2 + Rf R3 V3 + Rf R4 V4) เราเรียกแรงดันด้านขาเข้า V1 เป็นบิตที่มีนัยสําคัญสูงสุด (Most Significant Bit : MSB) และ V4 เป็นบิตที่มีนัยสําคัญต่ำสุด (Least Significant Bit : LSB) แต่ละบิตของทั้งสี่บิตด้านขาเข้าจะสมมติให้ระดับ แรงดันซึ่งจะมีค่าเท่าใดนั้น ขึ้นกับค่าที่ใช้ในทางปฏิบัติจะมีระดับแรงดันเป็น 0 ถึง ±5 โวลต์แต่จะกำหนดให้ เป็นระดับลอจิก 0 และ 1 (On และ Off) และหากเลือกค่าความต้านทานป้อนกลับได้เหมาะสม DAC จะให้ แรงดันด้านขาออกแปรเป็นสัดส่วนกับสัญญาณด้านขาเข้า (ก) แผนภาพ 4-bit DAC Digital Input (0000-1111) Analog Output 4-bit DAC
(ข) วงจรไบนารีแลดเดอร์ ภาพที่ 11.11 วงจรแปลงแปลงสัญญาณดิจิตอลเป็นแอนะล็อก ตัวอย่างที่ 2 จากรูปที่ 11.11 กำหนดให้Rf =10 kΩ , R1 = 10 kΩ , R2 = 20 kΩ , R3 = 40 kΩ และ R4 = 80 kΩ ตามลำดับ ให้หาขนาดแรงดันด้านขาออกเมื่อระดับลอจิกด้านขาเข้าเป็น [0000], [0001], [0010], [0011], …, [1111] วิธีทำ แทนค่าด้านขาเข้าที่กําหนดให้และค่าความต้านทานป้อนกลับลงในสมการจะได้ VOUT = − ( Rf R1 V1 + Rf R2 V2 + Rf R3 V3 + Rf R4 V4) VOUT = V1 + 0.5V2 + 0.25V3 + 0.125V4 แทนค่าแรงดันด้านขาเข้าด้วยระดับลอจิก 1 หรือ 0 ตามที่กำหนด เช่น [0000] คือ [V1 V2 V3 V4 ] มี ค่าเป็นศูนย์เมื่อแทนลงในสมการจะได้แรงดันด้านออกเป็นศูนย์(0) ทำไปจนครบที่โจทย์กำหนดจะได้ค่าดัง ตารางที่ 11.1 ตารางที่ 11.1 สรุปผลการคํานวณค่าการแปลงจากดิจิตอลเป็นค่าแอนะล็อก Binary 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 -VO 0 0.125 0.25 0.375 0.5 0.625 0.75 0.875 Binary 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1111 -VO 1.0 1.125 1.25 1.375 1.5 1.625 1.875 - + R1 R2 R3 R4 V1 V2 V3 V4 Rf VO
จากตารางสรุปผลการคํานวณค่าการแปลงจากดิจิตอลเป็นค่าแอนะล็อก จะเห็นว่าแต่ละบิตจะมีค่า เทียบเท่าแรงดัน 0.123 โวลต์ดังนั้นเราจะไม่สามารถแสดงค่าที่อยู่ระหว่างค่าที่ติดกัน เช่น 1.0000 และ 1.125 โวลต์ได้เพราะความละเอียดของ 4 บิตจํากัดเพียงขั้นละ 0.125 เท่านั้น ซึ่งเป็นขีดจํากัดที่สำคัญของการ แปลงจากดิจิตอลเป็นแอนะล็อก หากต้องการความละเอียดเพิ่มขึ้นจะต้องเพิ่มจำนวนบิต (ซึ่งรายละเอียดได้ กล่าวไว้ในหัวข้อการแปลงดิจิตอลเป็นแอนะล็อกแล้ว) แต่อย่างไรก็ยังคงไม่ได้ค่าแอนะล็อกที่แท้จริง แต่แม้ กระนั้นก็ได้มีการใช้ดิจิตอลประสบผลสำเร็จในงานต่าง ๆ ได้อย่างน่าทึ่ง เช่น ซีดีเพลงและรูปภาพดิจิตอล เป็น ต้น สรุป ออปแอมป์มีอัตราขยายสูง มีความต้านทานอินพุตสูงและความต้านทานด้านขั้วด้านขาออกต่ำออป แอมป์ในอุดมคติ (เชิงทฤษฎี) มีความต้านทานอินพุตเป็นอนันต์ส่วนด้านขั้วด้านขาออกมีความต้านทานเป็น ศูนย์และมีอัตราขยายเป็นอนันต์ด้วย ในกรณีอุดมคติจะไม่มีกระแสไหลเข้าที่ขาอินพุตทั้งสองขา และแรงดัน แตกต่างระหว่างขาอินพุตทั้งสองมีค่าน้อยมากจนละทิ้งไม่นํามาคิดได้เมื่อต่อเป็นวงจรขยายกลับขั้วแรงดันด้าน ขั้วด้านขาออกจะมีขนาดหลายเท่าของอินพุตและเป็นบวก ในวงจรตามแรงดันแรงดันด้านขั้วด้านขาออกจะมี ค่าเท่ากับด้านอินพุต สำหรับวงจรรวมสัญญาณจะได้ขั้วด้านขาออกที่เป็นผลรวมของค่าน้ำหนักของแต่ละ อินพุต วงจรขยายความแตกต่างจะได้ขั้วด้านขาออกที่เป็นสัดส่วนกับแรงดันผลต่างของอินพุตทั้งสอง วงจรออปแอมป์อาจต่อแยกกัน (Cascaded ) โดยที่ความสัมพันธ์ของอินพุตและขั้วด้านขาออกไม่ เปลี่ยนแปลงและสุดท้ายของหน่วยนี้ได้ยกตัวอย่างการประยุกต์ใช้ได้กล่าวถึงตัวแปลงดิจิตอลเป็นแอนะล็อก และวงจรขยายเครื่องมือวัดเพื่อให้เล็งเห็นแนวทางในการใช้งานออปแอมป์ต่อไป