Transcript ความรู้พนื้ ฐานทางวิศวกรรมไฟฟ้ า(252282) ออปแอมป์ Op-Amp (Operational Amplifiers) กสิ ณ ประกอบไวทยกิจ ห้องวิจยั การออกแบบวงจรด้วยระบบคอมพิวเตอร์ (CANDLE) ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้ า คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่

ความรู้พนื้ ฐานทางวิศวกรรมไฟฟ้ า(252282)
ออปแอมป์
Op-Amp (Operational Amplifiers)
กสิ ณ ประกอบไวทยกิจ
ห้องวิจยั การออกแบบวงจรด้วยระบบคอมพิวเตอร์ (CANDLE)
ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้ า คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่
วัตถุประสงค์
 ความรู ้เบื้องต้นเกี่ยวกับวงจรรวม
 เพื่อ ศึ ก ษา โครงสร้ าง และ การท างานของ ออปแอมป์ ใน
อุดมคติ
 มี ค วามเข้า ใจในการวิ เ คราะห์ ว งจรขยายแบบต่ า งๆที่ ใ ช้
ออปแอมป์
 มีความเข้าใจในการต่อวงจรออปแอมป์ แบบคาสเคด
ออปแอมป์ (Op-Amp, Operational Amplifier)
 เป็ นอุปกรณ์ทางอิเล็กทรอนิ กส์ 3 ขา ที่มีการทางานคล้ายกับ
แหล่ ง จ่ า ยแรงดั น ที่ ถู ก ควบคุ ม ด้ ว ยแรงดั น (VoltageControlled Voltage Source, VCVS) เพื่อศึกษา โครงสร้าง
และ การทางานของ ออปแอมป์ ในอุดมคติ
 ออปแอมป์ สามารถนามาใช้ในการขยายสัญญาณ
, รวม
สัญญาณหรื อนามาทาเป็ นตัวกระทาทางคณิ ตศาสตร์
ออปแอมป์ (Op-Amp, Operational Amplifier)
โวลเตจแอมปลิไฟเออร์
 ซัมมิ่งแอมปลิไฟเออร์
 อินทิเกรเตอร์ (Integrator)
 ดิฟเฟอร์ เรนทิเอเตอร์
(Differentiator)
ออปแอมป์ (Op-Amp, Operational Amplifier)
 สัญลักษณ์ของออปแอมป์
–
–
–
–
แสดงดังรู ป มีข้วั ที่ต่อใช้งานคือ
ขั้วอินพุตบวก (Non-inverting Terminal)
ขั้วอินพุตลบ (Inverting Terminal)
ขั้วเอาต์พตุ (Output Terminal)
ขั้ว แรงดั น ไฟเลี้ ยง บวก และลบ ปกติ ไ ม่ ไ ด้ แ สดงไว้ใ น
สัญลักษณ์ Noninverting input
Inverting input
Output
ออปแอมป์ (Op-Amp, Operational Amplifier)
 วงจรสมมูลของออปแอมป์
–
–
–
ความต้านทานด้านอินพุต : Ri
ความต้านทานด้านเอาต์พตุ : Ro
แรงดันระหว่างขาอินพุต : vd
v2
vd
v1
vd  v2  v1
Ri
Ro
Avd
vo
ออปแอมป์ (Op-Amp, Operational Amplifier)
 วงจรสมมูลของออปแอมป์
แรงดันเอาต์พตุ
โดย A คืออัตราขยายแรงดันวงเปิ ด
–
v2
vd
v1
Ri
Ro
Avd
vo
vvo  Av
AAvv2 vv1 
d 
Av

o
d
2
1
Parameter
A
Ri
Ro
VCC
Typical range
105 to 108
105 to 1013 
10 to 100 
5 to 24 V
Ideal values


0
ออปแอมป์ (Op-Amp, Operational Amplifier)
 ช่วงการทางานของออปแอมป์
VCC
vo
สามารถแบ่งออกเป็ น 3 ช่วง
Positive Saturation
- ช่วงอิ่มตัวด้านบวก
(Positive saturation)
- ช่วงการทางานแบบเชิง
vd
เส้น (Linear region)
Negative Saturation
-VCC
- ช่วงอิ่มตัวด้านลบ
(Negative saturation)
ออปแอมป์ ในอุดมคติ
 คุณสมบัติของออปแอมป์ ในอุดมคติ
–
–
–
–
i1=0
vd
อัตราขยายวงเปิ ดมีค่าเป็ นอนันต์ A  
ความต้านทานอินพุตมีค่าเป็ นอนันต์ Ri   i2=0
ความต้านทานเอาท์พตุ มีค่าเป็ นศูนย์ Ro  0
ผลตอบสนองความถี่ได้ต้ งั แต่ 0Hz  Hz
io
ออปแอมป์ ในอุดมคติ
 ข้อกาหนดการวิเคราะห์วงจรขยายที่ใช้ออปแอมป์ อุดมคติ
–
กระแสที่ไหลเข้าขั้วอินพุตทั้งสองเป็ นศูนย์ นัน่ คือ i1=0
i1  0 , i2  0
–
เนื่องจากความต้านทานด้านอินพุตมีค่าเป็ นอนันต์
กระแสที่ไหลที่ข้วั เอาต์พตุ ไม่จาเป็ นต้องเท่ากับ 0
vd
i2=0
io
การใช้ งานออปแอมป์
 การป้ อนกลับแบบลบของออปแอมป์
–
–
จะมี ก ารเชื่ อ มต่ อ วงจรโดยน าสัญญาณ
จากขาเอาท์พุตต่อกลับไปยังขาอินพุตที่
เป็ นแบบ inverting ของออปแอมป์
อัตราขยายที่เกิ ดจากการป้ อนกลับแบบ
ลบเรี ย กว่ า อัต ราขยายลู ป ปิ ด (Closedloop gain)
การใช้ งานออปแอมป์
 ทาไมต้องป้ อนกลับแบบลบ
–
–
–
เสถี ย รภาพ (Stability) ของวงจร: ออปแอมป์ ไม่ ท างานในช่ ว ง
อิ่มตัว (Positive /Negative Saturation)
สามารถรับช่วงของสัญญาณอินพุตได้กว้างขึ้น
อัตราขยายของวงจรสามารถกาหนดได้ (จากอุปกรณ์ภายนอก)
การใช้ งานออปแอมป์
R1
vS
R2
v1  vo v1  vS

0
R2
R1
v1
vd
v2
แทน (2) ใน (1)
vo
vS 
R1  R2
R
v1  1 vo ____ (1)
R2
R2
vo  Avd  A  v2 - v1 
R1  R2
R1
vS 
v1 
A  v2  v1 
R2
R2
____ (2)
การใช้ งานออปแอมป์
เอาสมการ
3 หารด้วย
A และใช้
คุณสมบัติ
ที่ A = 
 R1  R2 R1 
R1
vs 
Av2  

A v1
R2
R2 
 R2
 R1 1  A 
R1
vs 
Av2  1 
 v1
R2
R2


____ (3)
 1 R1 1  A 
vS R1
 v2   
 v1
A R2
AR2 
A
0
0
 1 R1 
vS R1
 v2     v1
A R2
 A R2 
v2  v1
การใช้ งานออปแอมป์
 ดังนั้นออปแอมป์ ที่ มีอต
ั ราขยายลูปเปิ ดที่ใกล้อนันต์ เมื่อมีการ
ป้ อนกลับแบบลบ จะได้แรงดันที่ตกคร่ อมขั้วอินพุตทั้งสองมีค่า
เข้าใกล้ 0
i1=0
v1
io
vd  v2  v1  0
v2
vd  0
i2=0
การต่ อวงจรออปแอมป์ แบบคาสเคด(Cascade)
 การต่อแบบ Cascade
คือการต่อวงจรตั้งแต่สองวงจรขึ้นไป
เรี ยงกันไปเรื่ อยๆ โดยที่เอาท์พุตของวงจรหนึ่ งต่อเข้าอินพุต
ของอีกวงจรหนึ่ง
 วงจรขยายออปแอมป์ จะถู ก พิ จ ารณาในลัก ษณะที่ เ ป็ น
บล็อกไดอะแกรม การใช้งานวงจรขยายโดยส่ วนใหญ่ ต่อ
ร่ วมกัน Cascade โดยจะเรี ยกแต่ละวงจรนี้ ว่า สเตจ (Stage)
ที 1, สเตจที่ 2, …, สเตจที่ n
การต่ อวงจรออปแอมป์ แบบคาสเคด(Cascade)
 อัตราขยายรวมของการต่อแบบคาสเคด จะเป็ นผลคูณของ
อัตราขยายแต่ละสเตจ ในการออกแบบใช้งานจริ งนั้นควร
ต้อ งระวัง ไม่ ใ ห้ อ ัต ราขยายรวมของวงจรที่ ค าสเคดกัน
ทั้งหมดทาให้ออปแอมป์ อยูใ่ นช่วงอิ่มตัว
v1
Stage 1
A1
v2=A1v1
Stage 2
A2
v3=A2v2
Stage 3
A3
vo=A3v3
v1
A
vo
การต่ อวงจรออปแอมป์ แบบคาสเคด(Cascade)
 อัตราขยายรวม
 ดังนั้น
A  A1 A2 A3
vo   A1 A2 A3  v1  Av1
Stage 1
R1
vi
gain  
R2
R1
Stage 2
R2
R4
R3

R2
vi
R1
gain  
R4
R3
vo 
R4 R2
vi
R3 R1
วงจรขยายแบบกลับขั้ว (Inverting Amplifier)
i2
KCL ที่โนด v1 :
i1  i2  0
v1  vi v1  vo

0
R1
Rf
vi
R 1 i1 v
1
Rf
0A
0V
vi
v2
และ
v2  0
0A
เมื่อมีการป้ อนกลับแบบลบ
v1  v2
vo
vo
วงจรขยายแบบกลับขั้ว (Inverting Amplifier)
i2
จะได้
vi
vi vo

0
R1 R f
vo  
Rf
R1
vi
Rf
vo

vi
R1
vi
R 1 i1 v
1
v2
Rf
0A
0V
0A
่ บั อุปกรณ์ที่ต่อภายนอก
อัตราขยายของวงจรขึ้นอยูก
สัญญาณเอาต์พต
ุ ที่ได้กลับเฟสกับสัญญาณอินพุต
vo
vo
วงจรขยายแบบไม่ กลับขั้ว (Non-Inverting Amplifier)
i2
KCL ที่โนด v1 :
R1 i1 v
1
i1  i2  0
v2
vi
v1  0 v1  vo

0
R1
Rf
Rf
0A
0V
0A
เมื่อมีการป้ อนกลับแบบลบ
v1  v2
และ
v2  vi
vo
vo
วงจรขยายแบบไม่ กลับขั้ว (Non-Inverting Amplifier)
i2
จะได้
vi vi  vo

0
R1
Rf
 Rf
vo  1 
R1


 vi

Rf
vo
 1
vi
R1
R1 i1 v
1
v2
vi
Rf
0A
0V
0A
่ บั อุปกรณ์ที่ต่อภายนอก
อัตราขยายของวงจรขึ้นอยูก
สัญญาณเอาต์พต
ุ ที่ได้จะมีเฟสตรงกับสัญญาณอินพุต
vo
vo
วงจรขยายแบบรวมสั ญญาณ (Summing Amplifier)
KCL ที่โนด va :
i1  i2  i3  i
v1  va
i1 
R1
v3  va
i3 
R3
v2  va
i2 
R2
va  vo
i 
Rf
เมื่อมีการป้ อนกลับแบบลบ
va  0
v
v
v
1
2
3
R
R
R
i
1
i
1
i
2
i
3
2
v
a
R
0A
0V
3
0A
f
v
o
v
o
Rf
Rf 
 Rf
vo   
v1 
v2 
v3 
R2
R3 
 R1
วงจรขยายแบบรวมสั ญญาณ (Summing Amplifier)
v
v
v
1
2
3
R
R
R
i
1
i
1
i
2
i
3
2
v
a
R
f
0A
v
0V
o
3
ถ้า R1  R2  R3  R
v
0A
จะได้
vo  
Rf
R
o
 v1  v2  v3 
วงจรขยายผลต่ าง (Difference Amplifier)
KCL ที่โนด va :
va  v1 va  vo

0
R1
R2
R1
v1
 R2

R
vo    1 va  2 v1 ____ (1)
R1
 R1

KCL ที่โนด vb :
vb  v2 vb  0

0
R3
R4
v2
R3
R2
va
vb
0A
0A
R4
 R4 
vb  
 v2 ____ (2)
 R3  R4 
vo
vo
วงจรขยายผลต่ าง (Difference Amplifier)
วงจรมีการป้ อนกลับแบบลบ va  vb แทนค่า vb
ของ(1)
 R2   R4 
R2
vo    1 
 v2  v1
R1
 R1  R3  R4 
จัดรู ปใหม่ได้
R2 1  R1 R2 
R2
vo 
v2  v1
R1 1  R3 R4 
R1
จาก (2) ใน va
วงจรขยายผลต่ าง (Difference Amplifier)
ถ้า
จะได้
R3
R1

R2 R4
R2
vo 
 v2  v1 
R1
ถ้า R1  R2
และ
R3  R4
จะได้
vo  v2  v1