แผนบริหารการสอนประจําบทที่ 8...

Home บทท 8

159

แผนบรหารการสอนประจาบทท 8 การทดลองวงจรขยายดวยออปแอมป และการประยกต ใชงาน

หวขอเนอหา

1. ออปแอมปอดมคต 2. วงจรขยายแบบกลบเฟส (Inverting Amplifier) 3. วงจรขยายแบบไม2กลบเฟส (Non-inverting Amplifier) 4. วงจรบวกแบบกลบสญญาณ 5. วงจรตามแรงดน (Voltage Follower) 6. การทดลองวงจรขยายด?วยออปแอมป และการประยกตAใช?งาน

วตถประสงค เชงพฤตกรรม

1. เพอทดลองให?ร?ถงการทางานออปแอมปอดมคต 2. เพอทดลองวงจรขยายแบบกลบเฟส 3. เพอทดลองวงจรขยายแบบไม2กลบเฟส 4. เพอทดลองวงจรบวกแบบกลบสญญาณ 5. เพอทดลองวงจรตามแรงดน 6. เพอทดลองวงจรขยายด?วยออปแอมป และการประยกตAใช?งาน

วธสอนและกจกรรมการเรยนการสอน

1. วธสอน 1.1 วธสอนแบบบรรยาย 1.2 วธสอนแบบอภปราย 1.3 วธสอนแบบปฏบตการ 1.4 วธสอนแบบเน?นการเรยนร?ด?วยตนเอง

2. กจกรรมการเรยนการสอน 2.1 อธบายทฤษฎทเกยวข?องกบวงจรขยายด?วยออปแอมป และการประยกตAใช?งาน 2.2 อธบายขนตอนการทดลองวงจรขยายด?วยออปแอมป 2.3 อธบายขนตอนการทดลองการประยกตAใช?งานออปแอมป 2.4 อธบายการบนทกผลการทดลอง และสรปผลการทดลอง 2.5 นกศกษาทาการทดลอง บนทกผลการทดลอง สรปผลการทดลอง และตอบคาถาม

ท?ายการทดลอง สอการเรยนการสอน

1. เอกสารประกอบการสอนรายวชาปฏบตการอเลกทรอนกสA 1 2. ใบประลอง

160 แผนบรหารการสอนประจาบทท 8

3. แบบฝZกหดท?ายบทเรยน

การวดผลและการประเมนผล 1. การเข?าเรยน 2. เอกสารปฏบตการ 3. สอบกลางภาค 4. สอบปลายภาค

บทท 8 161

บทท 8 การทดลองวงจรขยายออปแอมป และการประยกต ใชงาน

8.1 ออปแอมปอดมคต

ออปแอมปเป[นวงจรขยายทนยมนาไปประยกตAใช?งานในวงจรอเลกทรอนกสAอย2างกว?างขวาง เช2นวงจรขยายเชงเส?น, วงจรคณตศาสตรA, วงจรกาเนดสญญาณ, วงจรกรองสญญาณ และสามารถประยกตAเป[นวงจรอน ๆ อกมาก ในการวเคาระหAวงจรทนาออปแอมปไปประยกตAใช? เราเรมจากการวเคราะหAออปแอมปเป[นแบบอดมคต ซงออปแอมปแบบอดมคตมคณลกษณะทสาคญดงต2อไปน

- ค2าความต?านทานด?านอนพตมค2าเป[นอนนตA - กระแสอนพตทไหลเข?าขาบวกและขาลบมค2าเท2ากบศนยA - ค2าความต?านทานด?านเอาตAพตมค2าเท2ากบศนยA - อตราขยายผลต2างสงมาก ๆ - แรงดนทขาบวกและขาลบเสมอนเท2ากน

8.2 วงจรขยายแบบกลบเฟส (Inverting Amplifier)

วงจรขยายแบบกลบเฟสคอ วงจรขยายทมสญญาณเอาตAพตกลบเฟสกบสญญาณอนพต 180o รปท 8.1 แสดงวงจรขยายแบบกลบเฟสซงประกอบด?วยออปแอมป ตวต?านทาน R1 ต2อระหว2าง อนพตกบขาลบของออปแอมป และตวต?านทาน R2 ต2อระหว2างอนพตขาลบกบเอาตAพตของออปแอมปในลกษณะป_อนกลบแบบลบ อตราขยายของวงจรสามารถออกแบบได?จากสมการ

2

1

OUTv

IN

v RA

v R= = − (8.1)

รปท 8.1 วงจรขยายแบบกลบเฟส


ตวอย@างท 8.1 การออกแบบวงจรขยายแบบกลบเฟสทแสดงในรปท 8.1 เพอให?วงจรมอตราขยาย 4 เท2า วธทา อตราขยายวงจรขยายแบบกลบเฟสเท2ากบ

2

1

OUTv

IN

v RA

v R= = − (8.2)

กาหนดให? R2 = 40 kΩ และแทนค2า Av = 4

1

404

k

R= −

Ω (8.3)

140

4

kR =

Ω (8.4)

= 10 kΩ ดงนน ค2าความต?านทาน R1 เท2ากบ 10 kΩ ตวอย@างท 8.2 หาค2าแรงดนเอาตAพต (vOUT) วงจรในรปท 8.1 เมอกาหนดให? vIN = 2 V R1 = 1 kΩ และ R2 = 5 kΩ วธทา จากสมการ 8.1 สามารถเขยนสมการเพอหาแรงดนเอาตAพตได?ว2า

2

1OUT IN

Rv v

R= − × (8.5)

5

21

kV

k= − ×

Ω

Ω (8.6)

= -10 V 8.3 วงจรขยายแบบไม@กลบเฟส (Non-inverting Amplifier)

รปท 8.2 แสดงวงจรขยายแบบไม2กลบเฟส ซงวงจรขยายแบบไม2กลบเฟสคอ วงจรขยายทมสญญาณเอาตAพตเฟสเดยวกบสญญาณอนพต ซงวงจรประกอบด?วยออปแอมป ตวต?านทาน R1 ต2อกบ

บทท 8 163

อนพตขาลบของออปแอมปกบกราวดA และตวต?านทาน R2 ต2อระหว2างอนพตขาลบกบเอาตAพตของ ออปแอมปในลกษณะป_อนกลบแบบลบ อตราขยายของวงจรสามารถออกแบบได?จากสมการ

2

11OUT

vIN

v RA

v R= = + (8.7)

R2R1

vINvOUT

v+

v- AO

รปท 8.2 วงจรขยายแบบไม2กลบเฟส

ตวอย@างท 8.3 ทาการคานวณหาแรงดนเอาตAพต (vout) ของวงจรขยายทแสดงในรปท 8.3


วธทา อตราขยายวงจรขยายแบบไม2กลบเฟสเท2ากบ

2

1

1OUTv

IN

v RA

v R= = + (8.8)

แทนค2า R1 = 1 kΩ R2 = 10 kΩ และ vIN = 1 Vp

10

11 1OUT

p

v k

V k= +

Ω

Ω (8.9)


vOUT = 11 x 1 Vp = 11 Vp (8.10) ดงนน แรงดนเอาตAพตเท2ากบ 11 Vp ตวอย@างท 8.4 การคานวณหาแรงดนเอาตAพตของวงจรขยายทแสดงในรปท 8.4 ถ?าไมโครโฟนจ2ายสญญาณทมแรงดน 1 mV

รปท 8.4 วงจรขยายแบบไม2กลบเฟส 2 ภาค

วธทา วงจรขยายแบบไม2กลบเฟส 2 ภาค ในรปท 8.4 มอตราขยายเท2ากบ

2 4

1 3

1 1OUT

IN

v R R

v R R

= + +

(8.11)

แทนค2า R1 = R3 100 Ω และ R2 = R4 = 10 kΩ

10 10

1 1100 100V

k kA

= + +

Ω Ω (8.12)

Av = 10,201 (8.13) ดงนน อตราขยายมค2าเท2ากบ 10,201 เท2า 8.4 วงจรบวกแบบกลบสญญาณ

รปท 8.5 แสดงวงจรบวกแบบกลบสญญาณ วงจรถกออกแบบโดยอาศยหลกการของวงจรขยายแบบกลบเฟส วงจรรวมแรงดนมอนพตได?หลายอนพต การทางานของวงจรสามารถอธบายได?ดงน เมอม

บทท 8 165

แรงดนอนพตเข?ามาทอนพตของวงจรรวมแรงดน แรงดนดงกล2าวถกเปลยนเป[นกระแส แล?วมารวมกน ดงทแสดงในสมการ (8.11) และ (8.12)

11

1R

vi

R= ,

22

2R

vi

R= , ….,

n

nR

n

vi

R= (8.14)

ผลรวมของกระแสทไหนผ2าน RF มค2าเท2ากบ

1 2F nR R R Ri i i i= + + +⋯ (8.15)

เราทราบแล?วว2า แรงดน v+ = v-

= 0 ดงนน แรงดนเอาตAพตมค2าเท2ากบ

vOUT = 0 – iRf = -iRf (8.16) ดงนน เมอนากระแสจากสมการ (8.14 มาแทนในสมการ (8.15) เราสามารถแสดงได?ว2า

1 2 3

1 2 3

nOUT f

n

v v v vv R

R R R R

= − + + + +

⋯ (8.17)

ถ?า กาหนดให? R1 = R2 = R3 = …. = R แรงดนเอาตAพตมค2าเท2ากบ

( )1 2 3 ....fOUT n

Rv v v v v

R= − + + + + (8.18)

รปท 8.5 วงจรบวกสญญาณแบบกลบเฟส


ตวอย@างท 8.5 การหาค2าแรงดนเอาตAพต vOUT ของวงจรในรปท 8.6 กาหนดให? R1 = R2 = Rf = 1 kΩ

รปท 8.6 วงจรบวกสญญาณแบบกลบเฟส

วธทา แรงดนเอาตAพตมค2าเท2ากบ

( )1 21,2

fOUT

Rv v v

R= − + (8.19)

แทนค2า R1 = R2 = Rf = 1kΩ

( )1 21

1OUTk

v v vk

= − +Ω

Ω (8.20)

( )1 2OUTv v v= − + (8.21)

8.5 วงจรตามแรงดน (Voltage Follower)

วงจรตามแรงดนคอ วงจรททาหน?าทส2งผ2านแรงดนอนพตไปเอาตAพต เมอวงจรต?องต2อโหลดทมค2าความต?านทานตา คณลกษณะทสาคญของวงจรตามแรงดนคอ อตราขยายวงจรมค2าเท2ากบหนง ค2าความต?านทานอนพตสงมาก และค2าความต?านทานเอาตAพตมค2าน?อยมาก วงจรตามแรงดนถกแสดงดงรปท 8.7 แรงดนเอาตAพตมค2าเท2าแรงดนอนพตตามสมการ OUT INv v= (8.22)

รปท 8.7 วงจรตามแรงดน

บทท 8 167

ตวอย@างท 8.7 รปท 8.8 แสดงวงจรบฟเฟอรA ทาการคานวณหาแรงดนเอาตAพต ถ?า vIN1 = 1 V และ AO = 1000


วธทา ถ?ากาหนดออปแอมปมอตราขยายเท2ากบอนนตA แรงดนผลต2างทอนพตของออปแอมปมค2าประมาณเท2ากบศนยA และ vOUT = vIN ดงนน อตราขยายของวงจรตามแรงดนหาได?ดงน

vOUT = AO(v+ - v-) (8.23)

= AO(vIN - vOUT) (8.24)

ดงนน

1

OUT O

IN O

v A

v A=

+ (8.25)

ถ?า AO = 1000 vIN = 1 V และ vOUT = 0.999 และเนองจาก v+ – v- มค2าน?อยมาก ดงนน

แรงดนเอาตAพตมค2าเท2ากบแรงดนอนพต

8.6 การทดลองวงจรขยายดวยออปแอมป และการประยกต ใชงาน

8.6.1 วงจรขยายแบบกลบเฟส (Inverting Amplifier)

8.6.1.1 ให?นกศกษาต2อวงจรขยายแบบไม2กลบเฟสตามรปท 8.9 โดยป_อนแหล2งจ2าย VS = ±12 V กาหนดให? R1 = 1 kΩ R2 = 0 – 12 kΩ และ vIN = 2Vp-p sine wave ความถ 1 kHz

8.6.1.2 วดสญญาณ vOUT เทยบกบ vIN และวาดภาพสญญาณอนพตเทยบกบเอาตAพต พร?อมทงระบขนาดต2าง ๆ ให?ชดเจนลงในรปท 8.10

8.6.1.3 สงเกตมมต2างเฟสระหว2างสญญาณ vIN กบ vOUT และขนาดของ vOUT

8.6.1.4 ทาการทดลองและคานวณตามตารางท 8.1 โดยกาหนดให? R1 = 1kΩ และ vIN = 2 Vp-p



รปท 8.10 สญญาณเอาตAพตเทยบกบอนพต

ตารางท 8.1 การทดลองของวงจรขยายแบบกลบเฟส

R2 0 2 4 6 8 10 12 kΩ vOUT V

AV = -R2/R1 AV = vOUT/vIN

8.6.1.5 ทาการวาดกราฟ AV = f(R2)

8.6.1.6 สรปผลการทดลอง ………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………….……………………………………………………………………………………..………………………………………………………………….………………………………………………………

บทท 8 169

8.6.2 วงจรขยายแบบไม@กลบเฟส (Non-inverting Amplifier)

8.6.2.1 ให?นกศกษาต2อวงจรขยายแบบไม2กลบเฟสรปท 8.11 โดยป_อนแหล2งจ2าย VS = ±12 V กาหนดให? R1 = 1 kΩ R2 = 0 – 12 kΩ และ vIN = 2 Vp-p sine wave ความถ 1 kHz

8.6.2.2 วดสญญาณ vOUT เทยบกบ vIN และวาดภาพสญญาณอนพตเทยบกบเอาตAพต พร?อมทงระบขนาดต2าง ๆ ให?ชดเจนในรปท 8.12

R2R1

vINvOUT

v+

v- AO



8.6.2.3 สงเกตมมต2างเฟสระหว2างสญญาณ vIN กบ vOUT และขนาดของ vOUT

8.6.2.4 ทาการทดลอง และคานวณค2าตามตารางท 8.2 โดยกาหนดให? R1 = 1 kΩ และ vIN = 2 Vp-p


ตารางท 8.2 การทดลองของวงจรขยายแบบไม2กลบเฟส

R2 0 2 4 6 8 10 12 kΩ Vout V

AV = 1+(R2/R1) AV = vOUT/vIN

8.6.2.5 วาดกราฟ AV = f(R)

8.6.2.6 สรปผลการทดลอง

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………….……………………………………………………………………………………….………………………………………………………………….…………………………………………………

8.6.3 วงจรตามแรงดน (Voltage Follower)

8.6.3.1 ให?นกศกษาต2อวงจรตามแรงดนดงรปท 8.13 และป_อนแรงดน vIN = 2Vp-p sine wave ความถ 1 kHz


8.6.3.2 วดสญญาณ vOUT เทยบกบ vIN และวาดภาพสญญาณอนพตเทยบกบเอาตAพต

พร?อมทงระบขนาดต2าง ๆ ให?ชดเจนในรปท 8.14

บทท 8 171



………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….……………………………………………………………………………………..………………………………………………………………….………………………………………………………

8.6.4 วงจรบวกแบบกลบขวสญญาณ

8.6.4.1 ให?นกศกษาต2อวงจรตามรปท 8.15 โดยป_อนแหล2งจ2าย VS = ±12 V ทาการทดลองโดยใช?ออสซลโลสโคปวดหาความสมพนธAระหว2าง vOUT กบ VS1 และ VS2 เมอ V1 = 4.5 V และ V2 = 1 V sine wave ความถ 1 kHz

รปท 8.15 วงจรบวกแบบกลบขวสญญาณ

8.6.4.2 วาดภาพสญญาณอนพตเทยบกบเอาตAพต พร?อมทงระบขนาดต2าง ๆ ให?ชดเจนใน

รปท 8.16



8.6.4.3 เปลยน R1 ให?เป[น 510 Ω และทาการทดลองเหมอน 8.6.4.1


………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….……………………………………………………………………………………..………………………………………………………………….………………………………………………………

8.6.5 วงจรเปรยบเทยบแรงดน (Comparator)

8.6.5.1 ต2อวงจรตามรปท 8.17 โดยใช?ออปแอมป 741 ต2อแรงดนอ?างอง 5 V ทขา (-) สงเกตการตดดบของ LED กบ vIN แล?วบนทกผลการทดลอง

รปท 8.17 วงจรเปรยบเทยบแรงดน

บทท 8 173

สญญาณอนพตมากกว2าแรงดนอ?างอง LED ส...........................................แสดง สญญาณอนพตน?อยกว2าแรงดนอ?างอง LED ส...........................................แสดง


………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….……………………………………………………………………………………..………………………………………………………………….………………………………………………………

8.6.6 วงจรอนทเกรเตอร (Integrator circuit)

8.6.6.1 ต2อวงจรตามรปท 8.18 ให? vIN คอ สญญาณ Sine wave Square wave และ triangle wave มความถเท2ากบ 10 kHz ใช?ออสซลโลสโคปวดสญญาณ vIN เทยบกบ vOUT

รปท 8.18 วงจรอนทเกรเตอรA


รปท 8.19 ถงรปท 8.21


รปท 8.19 สญญาณเอาตAพตเมอป_อนอนพต Sine wave

รปท 8.20 สญญาณเอาตAพตเมอป_อนอนพต Square wave

บทท 8 175

รปท 8.21 สญญาณเอาตAพตเมอป_อนอนพต Triangle wave


……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

8.6.7 วงจรดฟเฟอร เรนชเอเตอร (Differentiator)

8.6.7.1 ให?นกศกษาต2อวงจรตามรปท 8.22 ให? vIN คอ สญญาณ Sine wave Square wave และ Triangle wave มความถเท2ากบ 10 kHz ใช?ออสซลโลสโคป วดเปรยบเทยบ vIN และ vOUT ทได?

รปท 8.22 วงจรดฟเฟอรAเรนชเอเตอรA


รปท 8.23 ถงรปท 8.25


รปท 8.23 กราฟสญญาณเอาตAพตเมอป_อนอนพต Sine wave

รปท 8.24 กราฟสญญาณเอาตAพตเมอป_อนอนพต Square wave

บทท 8 177

รปท 8.25 กราฟสญญาณเอาตAพตเมอป_อนอนพต triangle wave


………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….……………………………………………………………………………………..………………………………………………………….……………………………………………………………….

8.7 บทสรป

ออปแอมป คออปกรณAทมความสาคญ และถกนาไปใช?ในวงจรอเลกทรอนกสAเป[นจานวนมาก ออปแอมปถกนาไปออกแบบระดบประยกตAใช?งานเป[นวงจรขยายแบบกลบเฟส และไม2กลบเฟส และวงจรคานวณคณตศาสตรA เช2น วงจรบวก วงจรอนทเกรเตอรA และวงจรดฟเฟอรAเรนชเอเตอรA เนอหาตอนท?ายของบทนมการทดลองการประยกตAใช?งานออปแอมป เนอหาดงกล2าวม2งเน?นเสรมทกษะการต2อวงจรทใช?งานออปแอมป และศกษาการทางานของวงจรต2าง ๆ

คาถามหลงการทดลอง

1. อตราขยายของวงจรทได?จากการคานวณ AV = -R2/R1 และ AV = vOUT/vIN เท2ากนหรอไม2 เพราะเหตอะไร

2. แรงดนเอาตAพตทได?จากการทดลองเป[นไปตามทฤษฎหรอไม2 เพราะเหตอะไร 3. อตราขยายของวงจรทได?จากการคานวณ AV = 1 + (R2/R1) และ AV = vOUT/vIN เท2ากน

หรอไม2 เพราะเหตอะไร 4. แรงดนเอาตAพตทได?จากการทดลองเป[นไปตามทฤษฎหรอไม2 เพราะเหตอะไร 5. ณ ทเวลาเท2ากน แรงดนเอาตAพตเท2ากบแรงดนอนพตหรอไม2 เพราะเหตใด


6. ถ?าต2อโหลด RL = 8 Ω ทเอาตAพต นกศกษาคดว2าแรงดนเอาตAพตเท2ากบอนพตหรอไม2 เพราะเหตใด

7. ให?เขยนสมการเอาตAพตของวงจร 8. ถ?า V2 มากกว2า V1 ผลการทดลองเหมอนเดมหรอแตกต2างจากเดมอย2างไร 9. ทาไม LED สแดง ถงตด 10. ของการตดดบของ LED กบ V1 และ V2 11. ให?อธบายผลทได?จากการทดลองวงจรอนทเกรเตอรAทง 3 สญญาณ พร?อมให?เหตผล 12. ให?อธบายผลทได?จากการทดลองวงจรดฟเฟอรAเรนชเอเตอรAทง 3 สญญาณ พร?อมให?เหตผล

แบบฝYกหดทายบท

1. จากวงจรในรปท 8.26 จงแสดงวธการหาค2าแรงดนเอาตAพต (vOUT) เมอกาหนดให? vIN = 2 V R1 = R2 = 1 kΩ และ Rf = 5 kΩ

vOUT

Rf

R1vIN

x

1V

R2

V1

รปท 8.26 วงจรขยายแบบมแรงดนออฟเซต

2. จากตวอย2างท 8.1 ถ?าไฟเลยงเท2ากบ ±12 V แล?วป_อนสญญาณอนพต 4 Vp แรงดนเอาตAพตเท2ากบเท2าไร พร?อมอธบายผลแรงดนเอาตAพต

3. จงออกแบบให?วงจรขยายแบบกลบเฟสมค2า Av = 12 dB กาหนดให? R1 = 100 kΩ 4. จงออกแบบให?วงจรขยายแบบไม2กลบเฟสมค2า Av = 12 dB กาหนดให? R1 = 100 kΩ 5. จงแสดงวธการหาสมการแรงดนเอาตAพต และค2าแรงดนเอาตAพต (vOUT) ของวงจรในรปท 8.27

กาหนดให? vIN = 0.1 V 6. รปท 8.28 แสดงวงจรขยายแบบรวมสญญาณ กาหนดให? R1 = 2 kΩ R2 = 3 kΩ R3 = 1 kΩ

และ R4 = 9 kΩ จงวธการหาสมการเอาตAพตทสมพนธAกบอนพต 7. จงหาสมการแรงดนเอาตAพตของวงจรในรปท 8.29 กาหนดให? R1 = R2 = R3 = R4 = R5 = Ra

= Rb = Rc = 10 kΩ

8. จงหาสมการแรงดนเอาตAพตของวงจรในรปท 8.30 กาหนดให? R = 10 kΩ

บทท 8 179


รปท 8.28 วงจรขยายแบบรวมสญญาณ

รปท 8.29 วงจรขยายรวมสญญาณสองภาค

รปท 8.30 วงจรขยายสองภาค

แผนบริหารการสอนประจําบทที่ 8...

Documents