วงจรออปแอมป์ — พื้นฐาน

วงจรออปแอมป์ใช้ออปแอมป์ร่วมกับอุปกรณ์ฟีดแบ็กเพื่อควบคุมว่าเอาต์พุตจะตอบสนองต่ออินพุตอย่างไร แนวคิดหลักนั้นง่ายมาก: ตัวขยายสัญญาณเปล่า ๆ มีเกนสูงมากจนวงจรภายนอก โดยเฉพาะเครือข่ายฟีดแบ็ก เป็นตัวที่ทำให้พฤติกรรมของมันคาดการณ์ได้

สูตรส่วนใหญ่ที่ใช้ในห้องเรียนมาจากแบบจำลองออปแอมป์อุดมคติ สูตรเหล่านี้เชื่อถือได้ก็ต่อเมื่อวงจรมีฟีดแบ็กเชิงลบและเอาต์พุตยังอยู่ระหว่างรางจ่ายไฟ ดังนั้นออปแอมป์จึงยังทำงานในย่านเชิงเส้น

เมื่อใดที่กฎออปแอมป์อุดมคติใช้ได้

สำหรับออปแอมป์อุดมคติที่ทำงานในย่านเชิงเส้นและมีฟีดแบ็กเชิงลบ มักใช้ทางลัดอยู่สองข้อซ้ำ ๆ คือ

1. กระแสอินพุตเป็นศูนย์
2. แรงดันอินพุตทั้งสองเกือบเท่ากัน ดังนั้น $V_+ \approx V_-$

กฎข้อที่สองมักเรียกว่า virtual short ไม่ได้หมายความว่าอินพุตทั้งสองต่อถึงกันจริง ๆ แต่หมายความว่าฟีดแบ็กจะขับเอาต์พุตจนความต่างศักย์ระหว่างอินพุตทั้งสองมีค่าน้อยมาก

ถ้าออปแอมป์อิ่มตัว หรือวงจรไม่ได้ใช้ฟีดแบ็กเชิงลบ คุณไม่ควรสมมติว่า $V_+ \approx V_-$

สูตรวงจรขยายแบบกลับเฟส

ในวงจรขยายแบบกลับเฟสมาตรฐาน สัญญาณอินพุตจะผ่านตัวต้านทาน $R_{in}$ ไปยังขากลับเฟส ขาไม่กลับเฟสจะต่อกับแรงดันอ้างอิง เช่น กราวด์ และมีตัวต้านทานฟีดแบ็ก $R_f$ ต่อจากเอาต์พุตกลับมายังขากลับเฟส

ภายใต้สมมติฐานอุดมคติ

$$V_{out} = -\frac{R_f}{R_{in}} V_{in}$$

เครื่องหมายลบหมายความว่าเอาต์พุตกลับเฟสเมื่อเทียบกับอินพุต

สูตรวงจรขยายแบบไม่กลับเฟส

ในวงจรขยายแบบไม่กลับเฟสมาตรฐาน สัญญาณอินพุตจะป้อนเข้าที่ขาไม่กลับเฟส และขากลับเฟสจะอยู่ในเครือข่ายตัวต้านทานฟีดแบ็ก

ภายใต้สมมติฐานอุดมคติเดียวกัน

$$V_{out} = \left(1 + \frac{R_f}{R_g}\right) V_{in}$$

วงจรแบบนี้ทำให้เอาต์พุตมีเฟสตรงกับอินพุต และมีอิมพีแดนซ์อินพุตที่ในอุดมคติมีค่าสูงมาก

ทำไมฟีดแบ็กเชิงลบจึงเปลี่ยนทุกอย่าง

ออปแอมป์มีเกนวงเปิดสูงมาก แม้ความต่างเล็กน้อยระหว่าง $V_+$ และ $V_-$ ก็มีแนวโน้มจะผลักเอาต์พุตอย่างแรงไปทางรางจ่ายไฟด้านใดด้านหนึ่ง

ฟีดแบ็กเชิงลบช่วยควบคุมพฤติกรรมนี้ มันป้อนเอาต์พุตบางส่วนกลับเข้าสู่เครือข่ายอินพุต ทำให้วงจรเข้าสู่สมดุลที่เอาต์พุตซึ่งทำให้เงื่อนไขอินพุตที่ต้องการเป็นจริง ในวงจรพื้นฐานเหล่านี้ นี่จึงเป็นเหตุผลที่อัตราส่วนตัวต้านทานมักเป็นตัวกำหนดเกนวงปิด แทนที่จะเป็นเกนภายในดิบของชิป

ตัวอย่างทำโจทย์: แก้วงจรกลับเฟสหนึ่งวงจร

สมมติว่าวงจรขยายแบบกลับเฟสอุดมคติมี $R_{in} = 2 \, \mathrm{k\Omega}$ และ $R_f = 10 \, \mathrm{k\Omega}$. แรงดันอินพุตคือ $V_{in} = 0.30 \, \mathrm{V}$

ใช้สูตรวงจรขยายแบบกลับเฟส:

$$V_{out} = -\frac{R_f}{R_{in}} V_{in}$$

แทนค่าตัวต้านทาน:

$$V_{out} = -\frac{10 \, \mathrm{k\Omega}}{2 \, \mathrm{k\Omega}}(0.30 \, \mathrm{V})$$ $$V_{out} = -(5)(0.30 \, \mathrm{V}) = -1.5 \, \mathrm{V}$$

ดังนั้นเอาต์พุตที่คาดได้คือ $-1.5 \, \mathrm{V}$ คำตอบนี้จะถูกต้องก็ต่อเมื่อแหล่งจ่ายไฟยอมให้เอาต์พุตแกว่งไปถึงค่านั้นได้

ถ้ารางจ่ายไฟที่มีอยู่ไม่สามารถรองรับ $-1.5 \, \mathrm{V}$ ได้ ออปแอมป์จะอิ่มตัว และสูตรเกนแบบง่ายจะไม่สามารถทำนายเอาต์พุตจริงได้อีกต่อไป

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อยเกี่ยวกับออปแอมป์

• ใช้ $V_+ \approx V_-$ กับวงจรออปแอมป์ทุกแบบ แม้ในกรณีที่ไม่มีฟีดแบ็กเชิงลบ
• ลืมว่าเอาต์พุตไม่สามารถเกินรางจ่ายไฟได้
• สลับสูตรเกนของวงจรกลับเฟสกับไม่กลับเฟส
• มองข้ามเครื่องหมายของเอาต์พุตในวงจรขยายแบบกลับเฟส
• มองว่ากฎอุดมคติเป็นคำอธิบายที่แม่นยำของออปแอมป์จริงทุกตัวในทุกความถี่และทุกระดับเอาต์พุต

วงจรออปแอมป์พบได้ที่ไหน

วงจรออปแอมป์พื้นฐานพบได้ในวงจรปรับสภาพสัญญาณจากเซนเซอร์ พรีแอมป์เสียง แอคทีฟฟิลเตอร์ โวลเทจฟอลโลเวอร์ และระบบวัดค่า วงจรเหล่านี้ถูกใช้อย่างแพร่หลาย เพราะตัวขยายสัญญาณหนึ่งตัวร่วมกับอุปกรณ์พาสซีฟไม่กี่ชิ้นสามารถให้เกน การบัฟเฟอร์ หรือการกรองสัญญาณได้อย่างคาดการณ์ได้

แบบจำลองอุดมคติมักเป็นก้าวแรกของการวิเคราะห์ การวิเคราะห์ที่ละเอียดขึ้นจะสำคัญเมื่อแบนด์วิดท์ slew rate กระแสไบอัสอินพุต แรงดันออฟเซต สัญญาณรบกวน หรือข้อจำกัดของการแกว่งเอาต์พุตเริ่มมีผล

ลองทำโจทย์ที่คล้ายกัน

คงวงจรขยายแบบกลับเฟสเดิมไว้ แต่เปลี่ยนตัวต้านทานฟีดแบ็กเป็น $20 \, \mathrm{k\Omega}$. ขนาดของเกนวงปิดจะเพิ่มเป็นสองเท่า ดังนั้นเอาต์พุตที่คาดได้จะเป็น $-3.0 \, \mathrm{V}$ ถ้าออปแอมป์ยังคงอยู่ในย่านเชิงเส้นได้ หากคุณอยากลองแก้วงจรคล้ายกันด้วยตัวเองตั้งแต่ต้น ให้ลองเปลี่ยนอัตราส่วนตัวต้านทานเป็นแบบของคุณเอง และตรวจดูก่อนว่าขีดจำกัดของรางจ่ายไฟยังยอมให้ได้ผลลัพธ์นั้นหรือไม่