บทท 5 ออปเปอเรชนแนล แอมปลไฟร เบองตน

วตถประสงค 1. บอกคณสมบตของออปแอมปในอดมคตได 2. บอกคณลกษณะและค านวณคาในวงจรขยายแบบกลบเฟส และแบบ

ไมกลบเฟสได 3. บอกคณลกษณะค านวณคาในวงจรขยายแบบรวมสญญาณ และวงจรขยายสญญาณผลตางได 4. บอกคณสมบตของวงจรขยายแบบแรงดนตามได 5.1 วงจรรวม วงจรรวม (Integrated circuits หรอ IC) คอ วงจรทน าเอาอปกรณสารกงตวน า เชน ไดโอด ทรานซสเตอร ตวตานทาน ตวเกบประจ และองคประกอบวงจรตาง ๆ มาประกอบรวมกนบนแผนวงจรขนาดเลก ในปจจบนแผนวงจรนจะท าดวยแผนซลคอน บางทอาจเรยกวา ชป(Chip) หรอนยมเรยกกนสนๆวา ไอ.ซ. ไอ.ซ. ตวหนงสามารถบรรจสวนประกอบวงจรไดจ านวนมาก ภายในตว ไอ.ซ. อาจจะมสวนของวงจรลอจกทซบซอนจ านวนมาก ตวอยางกลมวงจรรวมทมความซบซอนสงมากๆ เชน ไมโครโปรเซสเซอร ซงใชท างานเพอควบคมเครองคอมพวเตอร จนถงในสมารทโฟน และ พวกไอ.ซ.หนวยความจ า (RAM) เปนตน การทนกวทยาศาสตรสามารถรวมวงจรทซบซอนมากๆ เขามาบรรจไวในวงจรเดยวกน ท าใหวงจรรวมมขนาดเลกลง บางและเบา รวมถงการใชก าลงไฟฟาลดลง มความนาเชอถอสงและมประสทธภาพสงขน วงจรรวมแบงออกเปนสอง กลมคอ วงจรรวมแอนะลอก(Analog ICs) และวงจรรวมดจตอล(Digital ICs) ออปเปอเรชนแนล แอมปลไฟรนน ถกจดอยในกลมของ วงจรรวมแอนะลอก หรอ วงจรรวมเชงเสน(Linear ICs)

รปท 1 การพฒนาวงจรรวม

5.2 ออปเปอเรชนแนล แอมปลไฟร

ออปเปอเรชนแนล แอมปลไฟร(Operational amplifier) นยมเรยกสนๆวา “ออปแอมป”เปนวงจรรวมในกลมวงจรรวมแอนะลอก เรมพฒนาตงแต ป พ.ศ. 2491 เพอใชงานกบแอนะลอกคอมพวเตอร ใชในงานค านวณทางคณตศาสตรเทานน ออปแอมป เปนกลมวงจรรวมทใชงานมากสดแบบหนงในวงจรรวมอเลกทรอนกส มการใชออปแอมปในวงจรขยายเสยง วงจรรกเลเตอร วงจรเครองมอวด จงจรก าเนดสญญาณ วงจรในระบบควบคมอตโนมต วงจรเปรยบเทยบสญญาณ วงจรแปลงสญญาณ วงจรอนเตอรเฟซระหวางสญญาณแอนะลอก และดจตอล และวงจรแหลงจายไฟฟา และอน ๆ เปนตน ออปแอมป นบวาเปนวงจรรวมกลมแอนะลอก หรอ กลมเชงเสน ทนยมใชกนอยางแพรหลายมากทสด

5.2.1 ออปแอมป ในอดมคต สญลกษณ ของ ออปแอมป แสดงในรปท 2 เปนรปสามเหลยม ม 2 อนพต คอ อนพตลบ (inverting

input, -) และ อนพตบวก (non-inverting input, +) ม 1 เอาตพต Vcc คอแรงดนไบแอสบวก และ VEE คอแรงดนไบแอสลบ

ศกษาเรองออปแอมปอดมคตเพมเตมท http://www.youtube.com/watch?v=Xr2VaSmSsOg

รปท 2 สญลกษณ ของ ออปแอมป

ภายในตวออปแอมปเมอพจารณาถงวงจรภายใน ในสภาวะทไมเปนอดมคต (Non-ideal) จะประกอบ

ไปดวยวงจรสมมล ดงรปท 3 โดยก าหนดให Ri คอความตานทานอนพต Vd คอผลตางของแรงดนอนพต( Vd = V2-V1) Ro คอความตานทานเอาตพต A คออตราขยายแรงดน(voltage gain) Vo คอแรงดนเอาตพต

V1 คอแรงดนอนพตทขา ลบ V2 คอแรงดนอนพตทขา บวก ร ป

ท 3 วงจรออปแอมป ในสภาวะทไมเปนอดมคต สมการแรงดนเอาตพต ของวงจรออปแอมป ในสภาวะทไมเปนอดมคต เปนดงสมการท 5-1

(5-1)

V1

V2

dVdAV

oR

iR oV

2 1( )o dV AV A V V= = -

โดยทอตราขยาย(A) หาไดจาก A = Vo/Vin = Vo/(V2-V1) การไบอส ส าหรบแหลงจายไฟฟาทจายไบอสใหกบตว ไอ.ซ. ออปแอมป ปกตจะใชไบอสแบบค คอ

VCC=+,VEE=- คาแรงดนบวกและลบปกตไมเกน 15V และตองไบอสทงสองขวดวยแรงดนเทากนเสมอ ทงนควรพจารณาจากคมอออปแอมปอกครงหนง ในหนงสอเลมนหากวงจรใดไมไดบอกคาแรงดนไบแอส หมายความวา วงจรออปแอมปนน ไดรบแรงดน VCC=+15V ,VEE=-15V

แรงดนอมตว แรงดนเอาตพตของออปแอมป ไมสามารถเกนกวาคาแรงดนไบแอสทปอนใหกบตว

ออปแอมปได นคอขดจ ากด เรยกวา แรงดนอมตว(Saturation output voltage) โดยปกตคาแรงดนอมตวสงสดจะตากวาคาแรงดนไบแอส ประมาณ 1 – 1.5 V ดงรปท 4

รปท 4 แรงดนอมตวของออปแอมป

การจดวางขา การจดวางขาของ ไอ.ซ.ออปแอมป ทนยมใชกนมากคอ เบอร 741 เปนแบบตวถง 8

pin Dual in Line(DIL) ดงรปท 5

รปท 5 การจดวางขาออปแอมปเบอร 741

ในเบองตน การพจารณาวงจรออปแอมป ใหเขาใจงายและ สะดวกตอการค านวณโดยทสามารถออกแบบใหวงจรออปแอมปท างานไดไมผดพลาด เปนไปตามทฤษฎ เรานยมใชวธการมองวงจรออปแอมปในอดมคต(Ideal Opamp)แทนแบบเดม วงจรออปแอมปในอดมคต แสดงในรปท 6

การพจารณาออปแอมปในอดมคตจะก าหนดใหอตราขยายลปเปดมคาเปนอนนต ความตานทานอนพตมคาเปนอนนต และความตานทานเอาทพตมคาเปนศนย

A = ∞ Ri = ∞ Ro = 0

V ( )

V ( )

oV

i 1 0

i 2 0

รปท 6 วงจรออปแอมป ในสภาวะทเปนอดมคต ดงนนกระแสทไหลเขาออปแอมปทางดานอนพตจะมคาเทากบศนยดงสมการ(5-2) และแรงดนทขาบวกและขาลบจะมคาเทากนเสมอ ดงสมการ (5-3)

หรอ (5.2)

(5.3)

Note: วธงายๆในการหาคาของ โดยการสงเกตทวงจรถาขวใดขวหนงตอลงกราวดคาแรงดนอกขวหนงจะเทากบศนย ดงรป 7(b) หรอถาเกดตอกบแหลงจายแรงดนทขวใดขวหนง คาแรงดนอกขวหนงกจะมคาเทากบคาแรงดนทแหลงจายนน ดงรป 7(a)

รปท 7(a) อนพต(+) เทากบ 5V ท าให อนพต(-) เทากบ 5V รปท 7(b) อนพต(+) เทากบ 0V ท าให อนพต(-) เทากบ 0V

สรป คณสมบตของออปแอมปในอดมคตคอ

1. อตราการขยายสงเปนอนนต A =

2. อนพตอมพแดนซสงเปนอนนต Zin = (ท าใหไมมกระแสไหลเขาอนพต)

3. เอาตพตอมพแดนซเทากบศนย Zout = 0 4.การท างานไมขนกบความถ BW = (BW=Bandwidth) 5. เมอแรงดนอนพตเปนศนย ท าใหแรงดนเอาตพตเปนศนยดวย 6. การท างานของออปแอมปไมขนกบอณหภม

5.2.2 วงจรขยายสญญาณแบบกลบเฟส (Inverting Amplifier) วงจรขยายสญญาณแบบกลบเฟส คอ วงจรออปแอมปทขยายและกลบสญญาณอนพตใหม

เครองหมายตรงกนขามกบของเดม โดยสญญาณอนพตจะปอนเขาทอนพตลบ(Inverting input)

1 20, 0i i= = 1 2i i=

( ) ( )V V+ -=

( ) ( ),V V+ -

รปท 8 วงจรขยายสญญาณแบบกลบเฟส พจารณาจากรปท 8 ความสมพนธของแรงดนอนพต คอ

(ขวบวกของออปแอมปตอลงกราวด แรงดนทขวมนจงมคาเทากบศนย)

พจารณาทโนด ดวยกฎกระแสไฟฟาของเคอรชอฟฟ

เมอแทนคา ในสมการขางตน จะไดสมการความสมพนธ คอ

(5.4) คอ A หรอ อตราขยายแรงดน (voltage gain) จะเหนไดวาคาอตราขยายแรงดนมคาตดลบ ซงเปนชใหเหนวาวงจรดงกลาวท าหนาทกลบ

สญญาณ ตวอยาง 5.1 วงจรขยายสญญาณแบบกลบเฟส ดงรป จงหาคาของ อตราขยายแรงดน และ แรงดนเอาตพต

รปท 9

( ) 0V - =

1

0i o

f

V V

R R

-- =

1

f

o i

RV V

R= -

( ) ( )0V V+ -= =

( )V -

( ) ( )

1

0i o

f

V V V V

R R

- -- -+ =

1

fR

R-

วธทา Vo = A(Vi) A = -Rf/Ri

= -(2K/1K) = -2 ตอบ Vo = -2(1.2V) = - 2.4 V ตวอยาง 5.2 วงจรขยายสญญาณแบบกลบเฟส ดงรป จงเขยนรปคลนของแรงดนเอาตพต

รปท 10

วธทา A = -Rf/Ri = -(3K/1K) = -3

ตอบ Vo = -3(1Vp) = - 3 Vp

รปท 11 รปคลน Vo เปรยบเทยบกบ Vi

5.2.3 วงจรขยายสญญาณแบบไมกลบเฟส (Non-inverting Amplifier)

วงจรขยายสญญาณแบบไมกลบเฟส คอ วงจรออปแอมปทออกแบบมาเพอให voltage gain มคาเปนบวกหรอใหคาเอาทพตคงคาเครองหมายเหมอนเดม โดยสญญาณอนพตจะปอนเขาทอนพตบวก(Non-inverting input)

รปท 12 วงจรขยายสญญาณแบบไมกลบเฟส

พจารณาจากรปจะได (ขวบวกของ Op amp ตอกบแหลงจายแรงดน แรงดนทขวมนจงมคาเทากบแรงดนทแหลงจายนน)

พจารณาทโนด ดวยกฎกระแสไฟฟาของเคอรชอฟฟ

เมอแทนคา ใน สมการขางตน จะได

(5.5)

ตวอยาง 5.3 จากวงจรขยายสญญาณแบบไมกลบเฟส ดงรป จงหาคาของ แรงดนอนพต(Vi) เมอแรงดนเอาตพตเทากบ 3 V

( ) ( )iV V V+ -= =

( )V -

( ) iV V- =

( ) ( )

1

0o

f

V V V

R R

- - -+ =

1

0i i o

f

V V V

R R

-+ =

รปท 13

วธทา

ตอบ 5.2.3 วงจรขยายสญญาณแบบรวมสญญาณ (Summing Amplifier)

วงจรขยายสญญาณแบบรวมสญญาณ คอ วงจรออปแอมปทรวมอนพตตงแต 2 อนพตขนไปมารวมกน และแรงดนเอาตพตจะเทากบผลรวมของแรงดนอนพต คณกบอตราการขยายของวงจร รปท 14ตวอยางวงจรขยายรวมสญญาณแบบ 3 อนพต

รปท 14 วงจรขยายสญญาณแบบรวมสญญาณ

พจารณาจากรปท 14 (สงเกตทขวอนพตบวก) จะได

พจารณาทโนด ดวยกฎกระแสไฟฟาของเคอรชอฟฟ

( ) ( )0V V+ -= =

( )V -

เมอแทนคา ในสมการขางตน จะไดสมการความสมพนธระหวางอนพตและเอาทพต คอ

(5.6)

จากสมการท (5.6) ถา R1 = R2 = R3 = R ท าให A = - Rf/R ดงนน

(5.7)

ตวอยาง 5.4 วงจรขยายสญญาณแบบรวมสญญาณดงรปท 15 จงหาคาของ แรงดนเอาตพต

รปท 15

วธทา

( ) 1 ( ) 2 ( ) 3 ( )

1 2 3

0o

f

V V V V V V V V

R R R R

- - - -- - - -+ + + =

( ) 0V - =

31 2

1 2 3

0o

f

V VV V

R R R R- - - - =

ตอบ

5.2.4 วงจรขยายสญญาณผลตาง (Difference Amplifier) วงจรขยายสญญาณผลตาง คอ วงจรทท าหนาขยายสญญาณ ทเกดจากผลตางระหวางสญญาณท

ปอนเขามาทอนพตทงสอง ของวงจรออปแอมปดงรปท 16 เมอ ผลตางของแรงดนอนพตทงสองคอ V2-V1

รปท 16 วงจรขยายสญญาณผลตาง

จากรป พจารณาทโนด ดวยกฎกระแสไฟฟาของเคอรชอฟฟ

[

] (a)

พจารณาทโนด ดวยกฎกระแสไฟฟาของเคอรชอฟฟ

[

] [

] (b)

จากความสมพนธของแรงดน แทนสมการ (a) ใน (b) จะได

[

] [

] [

] (c)

แต ถา R1 = R3 = Ri และ R2 = R4 = Rf แทนในสมการ (c) จะได

[

] (5.8)

( )V +

( ) 2 ( )

3 4

0V V V

R R

+ +-+ =

( )V -

( ) 1 ( )

1 2

0oV V V V

R R

- -- -+ =

( ) ( )V V+ -=

ตวอยาง 5.5 วงจรขยายสญญาณผลตาง ดงรปท 17 จงหาคาของ แรงดนเอาตพต

รปท 17

วธทา [

]

ตอบ ตวอยาง 5.6 วงจรขยายสญญาณผลตาง ดงรปท 18 จงเขยนรปคลนของสญญาณ แรงดนเอาตพต เมอ V1=1Vp, sine-wave, 1 kHz, V2=0V

รปท 18

วธทา [

]

ตอบ

รปท 19 คลนของสญญาณแรงดนเอาตพต เทากบ 1VP แตสญญาณกลบเฟสจากรปคลนของแรงดน V1

นกศกษาผสนใจสามารถ ดาวนโหลด โปรแกรมการค านวณคาวงจร Differential Amplifier ไดท เวปไซดของ Analog Device ตามลงคไปน http://www.analog.com/en/amplifier-linear-tools/adi-diff-amp-calc/topic.html

5.2.5 วงจรขยายสญญาณแบบตามแรงดน (Voltage Follower) วงจรขยายสญญาณแบบตามแรงดน จะใหคาแรงดนทางดานเอาทพตเทากบแรงดนทางดานอนพต เพราะวาอตราขยายแรงดนของวงจร เทากบ 1 (A = 1)

รปท 20 วงจรขยายสญญาณแบบตามแรงดน

พจารณาจากรปจะได

และ (5.9)

ตวอยาง 5.7 ก าหนดให V1=1Vp, sine-wave, 1 kHz, วงจรออปแอมป ดงรปท 21 จงเขยนรปคลนของสญญาณ แรงดนเอาตพต Vo2 เปรยบเทยบกบสญญาณอนพต V1

( ) ( )iV V V+ -= =

( ) oV V- =

รปท 21

รปคลนของสญญาณ แรงดนเอาตพต เทากบ 2VP แตสญญาณกลบเฟสจากรปคลนของแรงดน V1 และมขนาดเปนสองเทา เพราะวา อตราขยายแรงดน ของวงจรออปแอมปวงจรแรก คอวงจรขยายแบบกลบเฟส เทากบ -2 คอ

A = -Rf/R1 = - 2k/1K = -2 วงจรออปแอมป วงจรทสอง คอ วงจรขยายสญญาณแบบตามแรงดน มอตราขยายแรงดนเทากบ 1

และไมกลบเฟสสญญาณ ดงนนรปคลน Vo2 จงเหมอนกบรปคลนของ Vo1 นนเอง ดงรปท 22

รปท 22

เอกสารอางอง [1] นภทร วจนเทพนทร การประมวลผลสญญาณดวยออปแอมปและลเนยร ไอ.ซ. ส านกพมพสกายบกส จ ากด ปทมธาน. 2548 [2] Sergio Franco Design with Operational Amplifiers and Analog Integrated Circuits 3rd Edition , McGraw-hill Higher Education, 2001 [3] ออนไลน http://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_1.html [4] ออนไลน http://www.allaboutcircuits.com/vol_3/chpt_8/3.html

แบบฝกหดบทท 5 จงเลอกคาตอบทถกตองทสด

1. ขอใด ไมใช สญลกษณของออปแอมป

ก) ข) ค) ง)

2. ขอใดคอวงจรออปแอมปขยายสญญาณแบบกลบเฟส

ก) ข) ค) ง)

3. ขอใดคอวงจรออปแอมปขยายสญญาณแบบรวมสญญาณ

ก) ข) ค) ง)

4. ขอใดคอวงจรออปแอมปขยายสญญาณแบบไมกลบเฟส

ก) ข) ค) ง)

5. ขอใดไมใชคณสมบตของออปแอมปในอดมคต ก) A = ∞ ข) Ri = ∞ ค) Ro = 0 ง) A = 0

รปท 23 ใชส าหรบตอบค าถามขอ 6-8

6. ถา อตราขยายแรงดนเทากบ -20 คา Rf =100KΩ จงหาคาของ Rin

ก) 2KΩ ข) 5KΩ ค) 10KΩ ง) 20KΩ

7. ถา อตราขยายแรงดนเทากบ -20 คา Rf =100KΩ Vin = 0.2V จงหาคาของ Vout ก) -2V ข) -6V ค) -4V ง) -5V

8. ถา วงจรในรป 18 มอตราขยายแรงดนเทากบ -10 รปคลนของ Vin และรปคลน Vout คอขอใด

ก) ข) ค) ง)

รปท 24 Circuit A คอวงจรขยายออปแอมป ชนดหนง ม V(source) เปนอนพต และ V(out) เปนเอาตพต ใชส าหรบตอบค าถามขอ 9-11

9. วงจรในรป 24 Circuit A มอตราขยายแรงดนเทากบขอใด ก) -2 ข) -1 ค) 2 ง) 3

10. วงจรในรป 24 Circuit A คอวงจรในขอใด ก) วงจรขยายสญญาณผลตาง ข) วงจรขยายแบบกลบเฟส

ค) วงจรขยายแบบไมกลบเฟส ง) วงจรขยายแบบรวมสญญาณกลบเฟส

11. วงจรในรป 24 ถาความตานทานปอนกลบของ Circuit A เทากบ 1KΩ ความตานทานอนพต เทากบขอใด ก) 1KΩ ข) 2KΩ ค) 10KΩ ง) 20KΩ

รปท 25 ใชส าหรบตอบค าถามขอ 12-15

12. วงจรในรป 25 คอวงจรในขอใด

ก) วงจรขยายสญญาณผลตาง ข) วงจรขยายแบบกลบเฟส ค) วงจรขยายแบบไมกลบเฟส ง) วงจรขยายแบบรวมสญญาณกลบเฟส

13. ถาแรงดน V1 = 1V, Vo = -2V ความตานทาน R1 เทากบขอใด ก) 2KΩ ข) 5KΩ ค) 10KΩ ง) 15KΩ

14. ถาแรงดน V3 = 1V, Vo = -5V ความตานทาน R1 เทากบขอใด ก) 2KΩ ข) 5KΩ ค) 10KΩ ง) 15KΩ

15. ถา R1=R2=R3= 5KΩ แรงดน V1 =V2 =V3 = 0.2V แรงดน Vo เทากบขอใด ก) -2.1V ข) -5V ค) -1.2V ง) -1.8V

รปท 26 ใชส าหรบตอบค าถามขอ 16-18 ก าหนดให R=10KΩ

16. วงจรในรป 2 คอขอใด ก) วงจรขยายสญญาณผลตาง ข) วงจรขยายแบบกลบเฟส ค) วงจรขยายแบบไมกลบเฟส ง) วงจรขยายแบบรวมสญญาณกลบเฟส

17. ถาแรงดนอนพต V1 = -1.2V, V2 =2.2V แรงดน Vo เทากบขอใด ก) -2.2V ข) 1.0V ค) 1.2V ง) -1.2V

18. ถาแรงดนอนพต V1 และ V2 ของวงจรท 26 เปนดงรปท 27 รปคลนของแรงดน Vo คอขอใด

รปท 27

ก)

ข)

ค)

ง)