ความรู้พื้นฐานทางวิศวกรรมไฟฟ้า(252282) ออปแอมป์ Op-Amp (Operational Amplifiers) กสิณ ประกอบไวทยกิจ ห้องวิจัยการออกแบบวงจรด้วยระบบคอมพิวเตอร์(CANDLE) ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่

วัตถุประสงค์ ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับวงจรรวม เพื่อศึกษา โครงสร้าง และ การทำงานของ ออปแอมป์ใน อุดมคติ มีความเข้าใจในการวิเคราะห์วงจรขยายแบบต่างๆที่ใช้ ออปแอมป์ มีความเข้าใจในการต่อวงจรออปแอมป์แบบคาสเคด

ออปแอมป์ (Op-Amp, Operational Amplifier) เป็นอุปกรณ์ทางอิเล็กทรอนิกส์ 3 ขา ที่มีการทำงานคล้ายกับแหล่งจ่ายแรงดันที่ถูกควบคุมด้วยแรงดัน (Voltage-Controlled Voltage Source, VCVS) เพื่อศึกษา โครงสร้าง และ การทำงานของ ออปแอมป์ในอุดมคติ ออปแอมป์สามารถนำมาใช้ในการขยายสัญญาณ , รวม สัญญาณหรือนำมาทำเป็นตัวกระทำทางคณิตศาสตร์

ออปแอมป์ (Op-Amp, Operational Amplifier) โวลเตจแอมปลิไฟเออร์ ซัมมิ่งแอมปลิไฟเออร์ อินทิเกรเตอร์ (Integrator) ดิฟเฟอร์เรนทิเอเตอร์ (Differentiator)

ออปแอมป์ (Op-Amp, Operational Amplifier) สัญลักษณ์ของออปแอมป์ แสดงดังรูป มีขั้วที่ต่อใช้งานคือ ขั้วอินพุตบวก (Non-inverting Terminal) ขั้วอินพุตลบ (Inverting Terminal) ขั้วเอาต์พุต (Output Terminal) ขั้วแรงดันไฟเลี้ยง บวก และลบ ปกติไม่ได้แสดงไว้ในสัญลักษณ์

ออปแอมป์ (Op-Amp, Operational Amplifier) วงจรสมมูลของออปแอมป์ ความต้านทานด้านอินพุต : Ri ความต้านทานด้านเอาต์พุต : Ro แรงดันระหว่างขาอินพุต :

ออปแอมป์ (Op-Amp, Operational Amplifier) วงจรสมมูลของออปแอมป์ แรงดันเอาต์พุต โดย A คืออัตราขยายแรงดันวงเปิด Parameter Typical range Ideal values A 105 to 108  Ri 105 to 1013  Ro 10 to 100  VCC 5 to 24 V

ออปแอมป์ (Op-Amp, Operational Amplifier) ช่วงการทำงานของออปแอมป์ สามารถแบ่งออกเป็น 3 ช่วง - ช่วงอิ่มตัวด้านบวก (Positive saturation) - ช่วงการทำงานแบบเชิง เส้น (Linear region) - ช่วงอิ่มตัวด้านลบ (Negative saturation)

ออปแอมป์ในอุดมคติ คุณสมบัติของออปแอมป์ในอุดมคติ อัตราขยายวงเปิดมีค่าเป็นอนันต์ ความต้านทานอินพุตมีค่าเป็นอนันต์ ความต้านทานเอาท์พุตมีค่าเป็นศูนย์ ผลตอบสนองความถี่ได้ตั้งแต่

ออปแอมป์ในอุดมคติ ข้อกำหนดการวิเคราะห์วงจรขยายที่ใช้ออปแอมป์อุดมคติ กระแสที่ไหลเข้าขั้วอินพุตทั้งสองเป็นศูนย์ นั่นคือ เนื่องจากความต้านทานด้านอินพุตมีค่าเป็นอนันต์ กระแสที่ไหลที่ขั้วเอาต์พุตไม่จำเป็นต้องเท่ากับ 0

การใช้งานออปแอมป์ การป้อนกลับแบบลบของออปแอมป์ จะมีการเชื่อมต่อวงจรโดยนำสัญญาณจากขาเอาท์พุตต่อกลับไปยังขาอินพุตที่เป็นแบบ inverting ของออปแอมป์ อัตราขยายที่เกิดจากการป้อนกลับแบบลบเรียกว่า อัตราขยายลูปปิด (Closed-loop gain)

การใช้งานออปแอมป์ ทำไมต้องป้อนกลับแบบลบ เสถียรภาพ (Stability) ของวงจร: ออปแอมป์ไม่ทำงานในช่วงอิ่มตัว (Positive /Negative Saturation) สามารถรับช่วงของสัญญาณอินพุตได้กว้างขึ้น อัตราขยายของวงจรสามารถกำหนดได้ (จากอุปกรณ์ภายนอก)

การใช้งานออปแอมป์ ____ (1) ____ (2) แทน (2) ใน (1)

การใช้งานออปแอมป์ เอาสมการ 3 หารด้วย A และใช้คุณสมบัติที่ A =  ____ (3) เอาสมการ 3 หารด้วย A และใช้คุณสมบัติที่ A = 

การใช้งานออปแอมป์ ดังนั้นออปแอมป์ที่มีอัตราขยายลูปเปิดที่ใกล้อนันต์ เมื่อมีการ ป้อนกลับแบบลบ จะได้แรงดันที่ตกคร่อมขั้วอินพุตทั้งสองมีค่า เข้าใกล้ 0

การต่อวงจรออปแอมป์แบบคาสเคด(Cascade) วงจรขยายออปแอมป์จะถูกพิจารณาในลักษณะที่เป็นบล็อกไดอะแกรม การใช้งานวงจรขยายโดยส่วนใหญ่ ต่อร่วมกัน Cascade โดยจะเรียกแต่ละวงจรนี้ว่า สเตจ (Stage) ที 1, สเตจที่ 2, …, สเตจที่ n

การต่อวงจรออปแอมป์แบบคาสเคด(Cascade) อัตราขยายรวมของการต่อแบบคาสเคด จะเป็นผลคูณของอัตราขยายแต่ละสเตจ ในการออกแบบใช้งานจริงนั้นควรต้องระวังไม่ให้อัตราขยายรวมของวงจรที่คาสเคดกันทั้งหมดทำให้ออปแอมป์อยู่ในช่วงอิ่มตัว

การต่อวงจรออปแอมป์แบบคาสเคด(Cascade) อัตราขยายรวม ดังนั้น

วงจรขยายแบบกลับขั้ว (Inverting Amplifier) KCL ที่โนด v1 : เมื่อมีการป้อนกลับแบบลบ และ

วงจรขยายแบบกลับขั้ว (Inverting Amplifier) จะได้ อัตราขยายของวงจรขึ้นอยู่กับอุปกรณ์ที่ต่อภายนอก สัญญาณเอาต์พุตที่ได้กลับเฟสกับสัญญาณอินพุต

วงจรขยายแบบไม่กลับขั้ว (Non-Inverting Amplifier) KCL ที่โนด v1 : เมื่อมีการป้อนกลับแบบลบ และ

วงจรขยายแบบไม่กลับขั้ว (Non-Inverting Amplifier) จะได้ อัตราขยายของวงจรขึ้นอยู่กับอุปกรณ์ที่ต่อภายนอก สัญญาณเอาต์พุตที่ได้จะมีเฟสตรงกับสัญญาณอินพุต

วงจรขยายแบบรวมสัญญาณ (Summing Amplifier) KCL ที่โนด va : เมื่อมีการป้อนกลับแบบลบ

วงจรขยายแบบรวมสัญญาณ (Summing Amplifier) ถ้า จะได้

วงจรขยายผลต่าง (Difference Amplifier) KCL ที่โนด va : KCL ที่โนด vb : ____ (1) ____ (2)

วงจรขยายผลต่าง (Difference Amplifier) วงจรมีการป้อนกลับแบบลบ แทนค่า vb จาก (2) ใน va ของ(1) จัดรูปใหม่ได้

วงจรขยายผลต่าง (Difference Amplifier) ถ้า จะได้ ถ้า และ จะได้