ความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับออปแอมป์

ความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับออปแอมป์

รูปที่ 1 แสดงการทำงานและวงจรสมมูลย์ของออปแอมป์

ออปแอมป์มีสัญลักษณ์และสัญญาณเข้าออก ตามที่แสดงในรูปที่ 1 ความสัมพันธ์ของสัญญาณเข้าและออก แสดงด้วยสูตรง่าย ๆ คือ

Av เป็นอัตราการขยายแรงดันซึ่งมีค่าสูงมาก จึงเป็นคุณสมบัติที่พิเศษสุดของออปแอมป์ ออปแอมป์แบบอุดมคติ จะมีคุณสมบัติตามเงื่อนไขดังนี้
1. อัตราการขยายแรงดัน สูงมากจนเป็นอนันต์
2. ความต้านทานทางอินพุต สูงมากจนเป็นอนันต์
3. ความต้านทานทางเอาท์พุท ต่ำมากจนเป็นศูนย์
4. แรงดันออฟเซททางอินพุทเป็นศูนย์
5. กระแสออฟเซททางอินพุทเป็นศูนย์
6. ลักษณะสมบัติเชิงความถี่ ขยายได้ดีตั้งแต่ไฟตรง จนความถี่สูงมากเป็นอนันต์
7. ไม่มีข้อบกพร่องอื่น ๆ
แต่ในความเป็นจริงแล้ว ออปแอมป์ก็ไม่ได้มีคุณสมบัติอย่างในอุดมคติเลยทีเดียว แต่อย่างไรก็ตาม เพื่อความสะดวกในการทำความเข้าใจ สำหรับผู้เริ่มต้น ในช่วงแรกให้ถือว่า ออปแอมป์ที่ใช้ศึกษากันต่อไปนี้มีคุณสมบัติใกล้เคียงกับอุดมคติมาก
การใช้ออปแอมป์ที่เป็นอุดมคติในการออกแบบวงจรนั้น เป็นวิธีการที่นิยมใช้กันมาก หลังจากออกแบบเสร็จแล้ว จึงค่อยมาพิจารณาเงื่อนไข หรือคุณสมบัติต่าง ๆ ที่ไม่เป็นอุดมคติ แล้วค่อยแก้ไขและปรับปรุงวงจรให้ดีขึ้นอีกทีหนึ่ง
ต่อไปเราลองมาดูว่าออปแอมป์ในความเป็นจริงแตกต่างจากออปแอมป์อุดมคติอย่างไร




อัตราการขยายแรงดัน
อัตราการขยาย Go ของวงจรออปแอมป์ ซึ่งต่อเป็นวงจรขยายแบบไม่กลับขั้ว ตามรูป 2 จะมีสูตรทั่วไปคือ

 แต่ในความเป็นจริงอัตราการขยายจะเป็น

ซึ่งถ้าอัตราการขยายแรงดัน Av ของออปแอมป์มีขนาดสูงมาก ๆ แล้วเทอม (R1 +R2) /Av จะมีขนาดเล็กมากจนเป็นศูนย์ไป จึงทำให้สูตรเหลือแต่  นั่นเอง

รูปที่ 2 แสดงการต่อออปแอมป์ในอุดมคติเป็นวงจรขยายแบบไม่กลับขั้ว

ในรูปที่ 2 ค่า R1 = 1 kโอห์มและ R2 = 9 kโอห์ม ถ้าเป็นออปแอมป์แบบอุดมคติวงจรทั้งหมดจะมีอัตราการขยายเท่ากับ 10 พอดี แต่ถ้าไม่เป็นอุดมคติ เช่น Av = 100 จะได้ แรงดันตามส่วนต่าง ๆ ของวงจรตามในรูป 3 คือ เพื่อให้แรงดันเอาท์เท่ากับ 10 โวลต์ จะมีสัญญาณที่อินพุทต่ำลงเท่ากับ 10 เท่า คือเท่ากับ 0.1 V แต่แรงดันที่ป้อนกลับจากเอาท์พุทคิดจากการแบ่งแรงดัน ด้วยตัวต้านทานสองตัวจะเป็น 1 V ดังนั้นแรงดันอินพุทของวงจรต้องมีค่า 1.1 V จึงจะทำให้แรงดันเอาท์พุทเป็น 10 V ดังที่ได้แสดงไว้ในรูปที่ 3

รูปที่ 3 แสดงแรงดัน ณ จุดต่าง ๆ เมื่อจัดวงจรขยายให้กับออปแอมป์

ในการวิเคราะห์วงจรออปแอมป์นั้น ในบางครั้งถ้าเราคิดย้อนแรงดันเอาท์พุทมาที่แรงดันอินพุท จะทำให้วิเคราะห์และทำความเข้าใจได้ง่ายขึ้น
จากวิธีการอธิบายที่กล่าวมานี้สามารถกระจายแรงดันอินพุทเป็น

จากสมการข้างบนนี้ ด้านขวามือเทอมแรกเป็นแรงดันที่ได้จากการป้อนกลับตามในรูปที่ 3 ที่จุด B และเทอมที่ 2 เป็นแรงดันที่ป้อนเข้าที่อินพุททั้งสองของออปแอมป์ ตามในรูปที่ 3 ที่จุด A
ออปแอมป์ที่ใช้งานกันทั่วไป จะมีอัตราขยาย Av สูงเป็นหลายหมื่น หรือหลายแสนเท่า ดังนั้นจึงทำให้ แรงดัน Eo/Av มีขนาดเล็กมากจนสามารถละทิ้งได้
แต่ถ้าความถี่ของสัญญาณที่ใช้ขยายมีขนาดสูงมาก ๆ ละก็ อัตราขยาย Av ของออปแอมป์ก็จะมีขนาดเล็กลงจนทำให้เราไม่สามารถละทิ้ง เทอม Eo/Av

ลองดูคุณสมบัติของออปแอมป์ที่ใช้งานจริง เบอร์ต่าง ๆ ในตารางที่ 1 จะเห็นว่า ออปแอมป์ที่ใช้งานความเร็วสูง จะมีอัตราการขยายไฟตรง (หรือความถี่ต่ำ) ต่ำ ในขณะที่ออปแอมป์แบบใช้งานทั่วไป จะมีอัตราการขยายสูงกว่าแต่เมื่อความถี่สูงขึ้น ออปแอมป์แบบใช้งานทั่วไปจะมีอัตราการขยายลดต่ำลงอย่างเห็นได้ชัด




ความต้านทานทางอินพุท
ถ้าค่าความต้านทางอินพุทของออปแอมป์มีค่าเป็น Zi อัตราการขยายของวงจรขยายแบบไม่กลับเฟสเท่ากับ G จะเขียนด้วยสูตรที่ละเอียดขึ้นเป็น

จากสูตรจะเห็นว่ามีเทอม เพิ่มขึ้นมา ถ้า Av มีค่ามากแล้ว จะมีค่ายิ่งมากขึ้น AvZi อีก จึงทำให้เทอมนี้มีขนาดเล็กมาก จนไม่มีผลกับค่า G เลย

รูปที่ 4 แสดงอัตราการขยายของออปแอมป์เมื่อต้านทานทางอินพุทไม่ถึงอนันต์

ยกตัวอย่างเช่น ให้ Av = 100 และ Zi = 100 kโอห์ม คำนวณตามในรูปที่ 4 จะพบว่าได้อัตราการขยาย 9.08 เมื่อเปรียบเทียบกับ 9.09 ซึ่งคำนวณไปแล้วโดยคิดว่า Zi มีค่าใหญ่มากจนเป็นอนันต์จะเห็นว่าผลต่างนั้นน้อยมาก
และถ้าลองเพิ่ม Av เป็น 10,000 จะได้อัตราขยายเป็น 9.9900 และ 9.9899 ซึ่งก็ต่างกันน้อยมาก จนโวลต์มิเตอร์ที่ใช้งานอยู่ทั่วไปก็ไม่สามารถวัดถึงความแตกต่างนี้ได้
ออปแอมป์ที่ใช้งานทั่วไปนั้นมี Av สูงมาก จนสามารถทิ้งค่า Zi ได้แต่อย่างไรก็ตาม Zi ก็ยังมีผลต่อวงจรบ้างโดยเฉพาะส่วนที่เกี่ยวพันกับกระแสไบแอสทางอินพุท ซึ่งจะได้อธิบายต่อไป ซึ่งถ้ากระแสไบแอสนี้ไหลเข้าไปในออปแอมป์จะทำให้ไม่สามารถใช้ตัวต้านทานค่าสูง ๆ ต่อเข้ากับวงจรออปแอมป์ได้
ลองดูในรูปที่ 4 แรงดันอินพุท 1.101 V และกระแสไหลเข้าออปแอมป์ 1 microA จะทำให้วงจรเหมือนกับมีค่าความต้านทานอินพุทรวมเป็น 1.1 Mโอห์ม ซึ่งเป็นค่าที่นับได้ว่าสูงทีเดียว



ความต้านทานทางเอาท์พุท
ความต้านทานทางเอาท์พุทของออปแอมป์จะมีขนาดเพียงไม่กี่โอห์มหรือไม่กี่สิบโอห์มเท่านั้น ดูเผิน ๆ แล้วอาจเห็นว่าไม่สำคัญเท่าไร แต่อย่างไรก็ตามยังมีผู้สับสนใน ความหมายอันนี้ และมักจะเข้าใจกันผิดเสมอ คือแยกความแตกต่างระหว่างความต้านทานทางเอาท์พุทกับความสามารถในการขับโหลดได้ไม่ถูกต้อง
ความสามารถในการขับโหลดหมายถึง ความสามารถในการจ่ายกระแสและแรงดันให้กับโหลด ซึ่งอาจจะเป็นตัวต้านทานหรือวงจรซึ่งมาต่อทางด้านเอาท์พุทของออปแอมป์
สมมติให้ออปแอมป์มีความต้านทานทางเอาท์พุท 10 โอห์ม ไม่ได้หมายความว่า ให้ต่อกับโหลดที่มีขนาด 10 โอห์มพอดี ตามความคิดเรื่องการแมทช์อิมพีแดนซ์ ซึ่งตามความเป็นจรงินั้น ความต้านทานทางเอาท์พุทกับความสามารถในการขับโหลดจะไม่เกี่ยวข้องกันเลยลองดูรูปเปรียบเทียบในรูปที่ 5

รูปที่ 5 แสดงความหมายของความต้านทานเอาท์พุทและความสามารถในการขับโหลด

ความต้านทานทางเอาท์พุท จะเปรียบเหมือนกับการดึงรถยนต์ด้วยโซ่หรือเชือกไนล่อน แต่ความสามารถในการขับโหลด จะเปรียบเหมือนแรงของคนดึง ว่ามีมากแค่ไหน ความต้านทานทางเอาท์พุทจะสัมพันธ์กับการเปลี่ยนแปลงแรงดันเอาท์พุท เมื่อโหลดเปลี่ยนไป ซึ่งจะคล้ายกับเชือกไนล่อน ซึ่งยืดออกมายาวไม่เท่ากัน เมื่อรถหนักไม่เท่ากัน หมายความว่าความต้านทานทางเอาท์พุท เปลี่ยนไปเมื่อแรงดันเอาท์พุทเปลี่ยนไปด้วยผลของโหลด

รูปที่ 6 แสดงความต้านทานเอาท์พุทของออปแอมป์

ตัวอย่างในรูปที่ 6 แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนถึงผลของแรงดันเอาท์พุทในขณะที่ไม่มีโหลดต่ออยู่ ออปแอมป์จะได้แรงดันเอาท์พุท 10 V แต่เมื่อต่อโหลดขนาด 1 kโอห์ม เข้าไปเท่านั้น แรงดันเอาท์พุทลดลงมาเหลือเพียง 8 V ในกรณีนี้ ความต้านทานทางเอาท์พุทมีค่า 250 โอห์ม
อัตราขยายของออปแอมป์ Av จะมีผลทำให้ความต้านทานทางเอาท์พุทของวงจรดูเหมือนจะเปลี่ยนแปลงไปด้วยลองมาดูรูปที่ 7 เพื่อเข้าใจได้ง่ายขึ้นให้ออปแอมป์ เป็นอุดมคติทุกประการยกเว้นมีความต้านทานทางเอาท์พุท และนำความต้านทานอันนี้มาเขียนไว้ข้างนอกตัวออปแอมป์

รูปที่ 7 เมื่อมองดูจากวงจรนี้ จะดูเหมือนว่าความต้านทานทางเอาท์พุทมีการเปลี่ยนแปลงเมื่ออัตราการขยายเปลี่ยนไป

รูปที่ 7 ก. เป็นกรณีที่ Av = a และรูปที่ 7 ข. เป็นกรณีที่ Av = 100 จะเห็นว่าทั้งสองกรณีเมื่อต่อโหลดให้กับวงจร ออปแอมป์จะพยายามยกแรงดันเอาท์พุท ของตัวเองให้สูงขึ้นเพื่อให้แรงดันที่คร่อมโหลดมีค่าใกล้เคียงของเดิม จึงทำให้แลดูเห็นว่าความต้านทานทางเอาท์พุทของวงจรมีค่าน้อยลงไป
กรณี Av = alfa จะคำนวนความต้านทานทางเอาท์พุทได้ศูนย์ และกรณี Av = 1000 จะคำนวณความต้านทานทางเอาท์พุทได้เพียง 22.7 โอห์ม เท่านั้น ซึ่งแตกต่างจากความต้านทานทางเอาท์พุทจริงของออปแอมป์
ข้อมูลเกี่ยวกับความต้านทานทางเอาท์พุทของออปแอมป์นั้น มักจะไม่ค่อยมีแสดงในคู่มือออปแอมป์ของผู้ผลิต แต่อย่างไรก็ตามความต้านทานทางเอาท์พุทนี้ไม่ค่อยก่อปัญหา แก่ผู้ออกแบบเท่ากับความสามารถในการขับโหลดของออปแอมป์