บทที่ 5¸§ิชาช่าง... · 2019-12-17 · บทที่ 5...
TRANSCRIPT
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)