วงจรขยายสัญญาณ

ร้างวงจรขยายสัญญาณ

All Articles >> Circuit Designed >> - สร้างวงจรขยายสัญญาณ

วิเคราะห์-ออกแบบ-ทดสอบ-สร้างวงจรขยายสัญญาณ ก่อนนำไปใช้งานจริง ( ตอนที่ 1 )



ถ้าจะกล่าวถึงวงจรขยายสัญญาณในปัจจุบันนั้น คงจะบอกได้ว่ามีมากมายหลายแบบมากเลยครับ โดยในแต่ละวงจรก็มีการนำอุปกรณ์ที่แตกต่างกันออกไปมาทำการสร้างเป็นวงจรขยาย สัญญาณ แต่ในบทความนี้จะขอกล่าวถึงวงจรขยายสัญญาณที่สร้างด้วยออปแอมป์ ซึ่งจะขอกล่าวถึงพื้นฐานของวงจรขยายสัญญาณที่ควรจะรู้ไว้ในอันดับแรกก่อนนะ ครับ ว่าเราจะมีวิธีการวิเคราะห์วงจรอย่างไร การออกแบบวงจรอย่างไร การทดสอบผลของวงจรอย่างไร ก่อนที่เราจะนำวงจรที่ได้ออกแบบแล้วนี้ไปสร้างเพื่อใช้งานจริงได้ต่อไป และที่สำคัญก็คงจะทำให้ผู้ที่ได้อ่านบทความนี้ได้เห็นถึงการทำงานของวงจรและ เข้าใจมากยิ่งขึ้นอย่างแน่นอนครับ
ก่อนอื่นเราก็มาดูในส่วนของอุปกรณ์ที่เราจะนำมาใช้ในวงจรขยายสัญญาณในบทความ นี้กันก่อนนะครับ นั้นก็คือ ออปแอมป์ (OP-AMP) ซึ่งในการที่จะนำมาใช้งานในวงจรขยายสัญญาณก็มีความสะดวกและง่ายต่อการใช้งาน เป็นอย่างมาก ด้วยการที่มีลักษณะเป็นไอซีสำเร็จรูปนั้นเองครับ และถ้าพูดถึงราคาแล้ว ก็บอกได้ว่าราคาก็ถูกด้วยครับ โดยในปัจจุบันมีการนำมาประยุกต์ใช้งานกันอย่างแพร่หลายเป็นอย่างมากเลยครับ
คุณสมบัติของออปแอมป์ ถ้ากล่าวแบบสรุปๆ ก็คือ ออปแอมป์นั้นเป็นวงจรขยายสัญญาณที่อยู่ในรูปของตัวไอซี โดยจะมีอยู่ 2 แบบ คือ ออปแอมป์แบบ 8 ขา และ 14 ขา ซึ่งจะมีลักษณะเป็นโลหะและจะเป็นแบบพลาสติก โดยจะมีการจัดวางขาเป็นแบบ (Dual In-Line Package :DIP) ซึ่งภายในตัวโครงสร้างของออปแอมป์นั้นจะมีส่วนประกอบที่สำคัญ 3 ส่วนก็คือ 1.ส่วนของสัญญาณเข้า (Differential) 2.ส่วนของการขยายสัญญาณ (Amplifier) 3.ส่วนของสัญญาณออก (Output) ดังแสดงในรูปที่ 1


รูปที่ 1 โครงสร้างพื้นฐานของออปแอมป์

จากรูปที่ 1 ถ้าเราจะทำการพิจารณาดูในแต่ละส่วนก็สามารถที่จะกล่าวได้ดังนี้คือ ในส่วนของอินพุท หรือที่เรียกว่า Differential นั้นจะมีลักษณะเป็นวงจรขยายสัญญาณผลต่าง ซึ่งถ้าดูในส่วนของอัตราการขยายสัญญาณอินพุทจะพบว่ามีอัตราการขยายที่สูง แต่ในทางกลับกันในส่วนของอัตราขยายสัญญาณอินพุทร่วมจะมีค่าที่ต่ำ และในส่วนของอิมพีแดนซ์ขาเข้าของวงจรจะมีค่าที่สูงมาก ซึ่งโดยทั่วไปจะมีค่าประมาณ นั้นเองครับ
ในส่วนของการขยายสัญญาณ หรือที่เรียกว่า Amplifier นั้นก็จะทำหน้าที่ขยายสัญญาณทั้งแรงดันและกระแส เพื่อที่จะทำให้อัตราขยายโดยรวมนั้นมีค่าที่สูงขึ้นนั้นเอง
และในส่วนสุดท้ายก็คือสัญญาณออก หรือที่เรียกว่า Output ซึ่งในส่วนนี้ถ้าเรามาพิจารณาดูโครงสร้างของวงจรภายในก็จะทราบว่าจะเป็นวงจร ขยายสัญญาณแบบอีมิตเตอร์ร่วมนั้นเองครับ สาเหตุที่ต้องเป็นแบบนี้ก็เพื่อที่จะทำให้อิมพีแดนซ์ที่ขาออกของวงจรมีค่า ที่ต่ำนั้นเองครับ และเพื่อที่จะสามารถขับกระแสให้กับโหลดที่ต่อได้เพียงพอด้วยครับ เป็นอย่างไรบ้างครับพอที่จะทราบถึงหน้าที่การทำงานของแต่ละส่วนประกอบของออ ปแอมป์บ้างแล้วใช่ไหมครับ ทีนี้เรามาดูลักษณะของขาต่างๆ ของออปแอมป์กันบ้างนะครับ ว่าจะมีขาอะไรบ้าง ดังแสดงในรูปที่ 2


รูปที่ 2 ลักษณะของขาที่ใช้งานของออปแอมป์
1.) ขา และ โดยทั้งสองขานี้จะเป็นขาที่มีไว้เพื่อจ่ายไฟเลี้ยงให้กับออปแอมป์ ซึ่งปกติแล้วจะต้องจ่ายไฟเลี้ยงทั้งสองขาครับ ยกตัวอย่างเช่น เท่ากับ และ เท่ากับ เป็นต้นครับ ซึ่งในส่วนนี้นั้นก็คงจะต้องดูรายละเอียดของเบอร์ออปแอมป์ที่เราจะใช้งานนะ ครับว่าจะใช้ไฟเลี้ยงเท่าไร
2.) ขา Offset1 และ Offset2 โดยทั้งสองขานี้จะใช้ต่ออุปกรณ์เพื่อที่จะเป็นการป้องกันการเกิดออสซิเลตของออปแอมป์นั้นเองครับ
3.) ขา Output โดยจะเป็นขาสัญญาณออก ซึ่งโดยปกติแล้วค่าแรงดันเอาท์พุทที่ขานี้จะมีค่าสูงสุดไม่เกินค่าแรงดันไฟ ที่เราจ่ายให้กับออปแอมป์นะครับ และในส่วนของกระแสที่ได้จากเอาท์พุทนั้นจะมีค่าไม่เกิน
4.) ขา Inverting Input หรือที่เราเรียกว่า ขาอินพุทแบบกลับเฟส โดยจะเป็นขาอินพุทขาหนึ่งของออปแอมป์ ซึ่งถ้าเราทำการป้อนสัญญาณเข้าไปที่ขานี้ โดยทำการต่อขาอินพุทอีกขาหนึ่ง ที่เรียกว่าขา Non-Inverting Input นั้นต่อลงกราวด์แล้ว เราก็จะได้สัญญาณเอาท์พุทที่ออกมานั้นมีสัญญาณที่ต่างเฟสกันกับสัญญาณอินพุท เป็นมุม 180 องศา นั้นเองครับ
5.) ขา Non-Inverting Input หรือที่เราเรียกว่า ขาอินพุทแบบไม่กลับเฟส โดยจะเป็นขาอินพุทขาหนึ่งของออปแอมป์ ซึ่งถ้าเราทำการป้อนสัญญาณเข้าไปที่ขานี้ โดยทำการต่อขาอินพุทอีกขาหนึ่ง ที่เรียกว่าขา Inverting Input นั้นต่อลงกราวด์แล้ว เราก็จะได้สัญญาณเอาท์พุทที่ออกมานั้นมีสัญญาณที่อินเฟสกับสัญญาณอินพุท นั้นเองครับ

จากข้อมูลที่ได้กล่าวมาในตอนต้นก็พอที่จะสรุปได้ว่าในส่วนของคุณสมบัติที่สำคัญของออปแอมป์นั้น จะประกอบไปด้วยส่วนสำคัญๆ คือ
- ในส่วนของอัตราขยายแรงดันลูปเปิด หรือที่เราเรียกว่า Open Loop Voltage Gain : นั้นจะมีค่าที่สูงมากครับ โดยมีค่าเป็นอนันต์ (Infinite : )
- ในส่วนอินพุทอิมพีแดนซ์ หรือที่เราเรียกว่า Input Impedance : นั้นจะมีค่าที่สูงมาก โดยมีค่าเป็นอนันต์ (Infinite : )
- ในส่วนเอาท์พุทอิมพีแดนซ์ หรือที่เราเรียกว่า Output Impedance : นั้นจะมีค่าที่ต่ำมาก โดยมีค่าเป็นศูนย์
- ในส่วนของช่วงความถี่แบนด์วิดธ์ หรือที่เราเรียกว่า Bandwidth : นั้นจะมีค่าที่สูงมาก โดยมีค่าเป็นอนันต์ (Infinite : )
- และในส่วนของแรงดันอินพุทออฟเซต หรือที่เราเรียกว่า Offset Input Voltage : นั้นจะมีค่าที่ต่ำมาก โดยมีค่าเป็นศูนย์ **(แต่ในการนำไปใช้งานจริงอาจจะมีค่าไม่เป็นศูนย์นะครับ อันเนื่องมาจากโครงสร้างของออปแอมป์ครับ)**

เป็นอย่างไรบ้างครับกับคุณสมบัติที่สำคัญของออปแอมป์ ที่ได้กล่าวมานั้นถือว่าเป็นพื้นฐานที่เราควรจะทราบและจำเป็นอย่างยิ่งเลย ครับในการที่จะนำไปใช้งานในการออกแบบวงจรต่างๆ ที่เราจะนำออปแอมป์มาใช้งานครับ ดังนั้นเราก็มาดูในส่วนของคุณสมบัติที่สำคัญเมื่อเราจะนำออปแอมป์มาใช้ในการ ออกแบบวงจรขยายสัญญาณกันเลยนะครับ ว่าจะมีอะไรกันบ้าง โดยจะแบ่งออกได้เป็น 3 ข้อครับ คือ
1.) ค่าความแตกต่างแรงดันอินพุท หรือที่เรียกว่า Differential Input Voltage จะมีค่าเป็นศูนย์ อันเนื่องมาจากในเวลาที่ใช้งานนั้นค่าแรงดันเอาท์พุทของออปแอมป์จะมีค่าที่ แน่นอนอยู่ที่ค่าใดค่าหนึ่งและค่าของอัตราขยายลูปเปิดนั้นจะมีค่าที่สูงมาก เป็นอนันต์ (Infinite : ) ดังนั้นค่าแรงดันอินพุทจะมีค่าเท่ากับศูนย์ครับ
2.) ค่าของกระแสที่ไหลเข้าไปในขาอินพุทแต่ละขานั้นจะมีค่าประมาณศูนย์ อันเนื่องมาจากค่าอินพุทอิมพีแดนซ์ของออปแอมป์นั้นมีค่าที่สูงมาก มีค่าเป็นอนันต์ (Infinite : )
3.) และข้อสุดท้ายก็คือในขณะที่ออปแอมป์ต่อแบบลูปปิด หรือที่เรียกว่า Closed Loop ก็จะทำให้แรงดันที่ขาอินพุททั้งสองนั้นมีค่าเท่ากันนั้นเองครับ

ซึ่งในบทความนี้จะขอยกตัวอย่างออปแอมป์เบอร์ UA741 นะครับ เพื่อเป็นตัวอย่างในการดูค่าพารามิเตอร์ที่สำคัญต่างๆ นะครับ ดังแสดงในตารางที่ 1 และกราฟคุณลักษณะของออปแอมป์และกราฟลักษณะของผลการตอบสนองทางความถี่ออ ปแอมป์ของเบอร์ UA741 ดังแสดงในรูปที่ 3 และรูปที่ 4 ก่อนที่จะไปดูในส่วนของวงจรขยายสัญญาณต่อไป

ตารางที่ 1 ค่าพารามิเตอร์ที่สำคัญของออปแอมป์ เพื่อนำมาใช้ศึกษาการทำงานของออปแอมป์ด้วยโปรแกรมพีสไปซ์
Download บทความ





รูปที่ 3 กราฟคุณลักษณะของออปแอมป์เบอร์ UA741


รูปที่ 4 กราฟลักษณะของผลการตอบสนองทางความถี่ออปแอมป์เบอร์ UA741

ทีนี้มาดูกันต่อเลยนะครับ ว่าเราจะนำตัวอุปกรณ์ออปแอมป์มาออกแบบวงจรขยายแบบใดได้บ้างมาดูกันเลยนะครับ โดยวงจรที่จะกล่าวถึงในบทความนี้ก็คือวงจรตามสัญญาณ หรือที่เรียกว่า Voltage Follower นะครับ

วงจรตามสัญญาณ (Voltage Follower)
วงจรตามสัญญาณแรงดันจะมีลักษณะการต่อวงจรดังรูปที่ 5 โดยจะเห็นว่าสัญญาณเอาท์พุท ที่ได้ออกมานั้นจะถูกป้อนกลับไปยังขา Inverting ทางด้านอินพุท ถ้าอัตราขยายการขยายลูปเปิด หรือที่เรียกว่า มีค่าเท่ากับ และแรงดันอินพุท ที่ป้อนมีค่าเท่ากับ ดังนั้นค่าของแรงดันเอาท์พุทก็จะเพิ่มขึ้นจนกระทั่งค่าของแรงดันที่จุด นั้นมีค่าเท่ากับ ซึ่งก็จะหมายความว่าค่าแรงดันทางเอาท์พุทจะมีค่าเท่ากับแรงดันทางอินพุท นั้นเองครับ โดยถ้าเราทำการวิเคราะห์วงจรดูก็จะเห็นได้ว่าในกรณีนี้นั้นค่าของ จะมีค่าเท่ากับ หรือก็คือ นั้นเอง โดยถ้านำค่านี้ไปเปรียบเทียบกับค่าของแรงดันอินพุทที่ป้อนเข้ามาแล้ว จะเห็นได้ว่ามีค่าที่แตกต่างกันมากเลยครับ ดังนั้นเราก็สามารถที่จะสรุปได้ว่าค่าของ นั้นจะมีค่าประมาณ


รูปที่ 5 วงจรตามสัญญาณแรงดัน (Voltage Follower)



รูปที่ 6 ลักษณะของวงจรสมมูลทางไฟฟ้าของวงจรตามสัญญาณแรงดัน (Voltage Follower)

ซึ่งเราสามารถที่จะวิเคราะห์วงจรได้ครับ โดยถ้าดูรูปที่ได้แสดงในรูปที่ 5 และรูปที่ 6 โดยถ้าเราอาศัยกฏของแรงดันของเคอร์ชอฟฟ์ (Kirchoff’ s voltage law) เราก็สามารถที่จะเขียนสมการได้ดังสมการที่ 1 นะครับ

Download บทความ………(1)
และจากคุณสมบัติของออปแอมป์ที่ได้กล่าวไว้ในตอนต้น เราก็จะพบว่าค่าของแรงดันเอาท์พุท สามารถหาได้ดังสมการที่ 2 ครับ

Download บทความ………(2)

และจากสมการที่ 2 ถ้าเราพิจารณาดูเราก็จะพบว่าค่าของแรงดันที่จุด นั้นสามารถที่จะคำนวณหาค่าได้ดังสมการที่ 3 นะครับ

Download บทความ………(3)

และจากสมการที่ 3 ถ้าเรานำไปแทนในสมการที่ 1 เราก็จะได้เป็นสมการที่ 4 นะครับ

Download บทความ………(4)

โดยสมการที่ 4 ที่ได้มานั้น ถ้าเราทำการพิจารณาดูเราก็จะเห็นว่าค่าของอัตราขยายลูปเปิด หรือ นั้นจะมีค่าที่สูงมาก โดยจะมีค่าประมาณอนันต์ ( ) นั้นเองครับ นั้นก็หมายความว่าในส่วนของ ในสมการที่ 4 นั้น ก็จะมีค่าเป็นศูนย์นั้นเองครับ และก็สามารถเขียนสมการได้ดังสมการที่ 5 นั้นเองครับ

Download บทความ………(5)

หรือถ้าเราจะหาค่าอัตราขยายลูปปิด (Closed-Loop voltage gain : ) ก็จะหาค่าได้ครับ ดังสมการที่ 6 ครับ

Download บทความ………(6)

โดยถ้าพิจารณาดูจากวงจรและจากสมการที่ได้มานั้น ก็จะเห็นได้ว่าวงจรตามสัญญาณแรงดันนี้ถ้าเราทำการป้อนสัญญาณเข้าที่ขั้ว อินพุทไม่กลับเฟส เราก็จะได้สัญญาณเอาท์พุทที่มีขนาดและเฟสเหมือนกับสัญญาณอินพุททุกประการนะ ครับ ซึ่งคุณสมบัติก็จะคล้ายกับวงจรขยายสัญญาณแบบคอลเลคเตอร์ร่วมนั้นเองครับ ซึ่งเราจะเรียกว่า Common-Collector หรือ Emitter Follower และจากคุณสมบัติอิมพีแดนซ์ทางด้านอินพุทและทางด้านเอาท์พุทของตัวออปแอมป์ ที่ทำให้วงจรตามสัญญาณแรงดันนี้มีค่าอิมพีแดนซ์อินพุทสูงมากๆ และค่าอิมพีแดนซ์ทางด้านเอาท์พุทนั้นจะมีค่าที่ต่ำมากๆ ดังนั้นวงจรนี้จึงนิยมที่จะนำไปใช้ในการสร้างวงจรกันชน หรือที่เรียกว่าวงจรบัฟเฟอร์ (Buffer Stage) นั้นเองครับ ทีนี้เรามาดูผลการทดสอบวงจรกันบ้างนะครับ ดังแสดงในรูปที่ 7 และรูปที่ 8


รูปที่ 7 การทดสอบวงจรตามสัญญาณแรงดัน (Voltage Follower)

จากรูปที่ 7 จะเป็นการทดสอบวงจรตามสัญญาณแรงดัน (Voltage Follower) ซึ่งได้ทำการป้อนอินพุทมีค่าแรงดันเท่ากับ 2Vp-p และมีค่าความถี่เท่ากับ 1KHz และผลที่ได้ออกมาทางเอาท์พุทจากที่ได้ทำการทดสอบดังแสดงในรูปที่ 8 นั้นมีค่าแรงดันเท่ากับ 2Vp-p และมีค่าความถี่เท่ากับ 1KHz โดยเมื่อพิจารณาดูก็จะพบว่าสัญญาณเอาท์พุทนั้นมีขนาดและเฟสเหมือนกับสัญญาณ อินพุททุกประการดังที่ได้กล่าวไว้ในตอนต้นนั้นเองครับ แต่นี้คือการทดสอบวงจรโดยใช้โปรแกรมทดสอบนะครับ


รูปที่ 8 ผลการทดสอบวงจรตามสัญญาณแรงดัน (Voltage Follower)
(รูปบนเป็นสัญญาณอินพุท-รูปล่างเป็นสัญญาณเอาท์พุท)

ทีนี้เรามาดูการทดสอบวงจรที่สร้างจากอุปกรณ์จริงกันบ้างนะครับ ดังแสดงในรูปที่ 9 ที่เป็นลักษณะของวงจรที่ทำการทดสอบการทำงานโดยต่อวงจรบน Prototype Board นะครับ


(ก)


(ข)
รูปที่ 9 ลักษณะของวงจรที่ทำการทดสอบการทำงาน โดยต่อวงจรบน Prototype Board

ผลการทดสอบวงจรก่อนนำไปใช้งานจริง


รูปที่ 10 การทดสอบการทำงานของวงจร


(ก)


(ข)
รูปที่ 11 การทดสอบการทำงานของวงจร
ซึ่งจากรูปที่ 10 เป็นการต่อวงจรเพื่อที่จะทดสอบการทำงานของวงจรจริงๆ นะครับ โดยผลที่ได้จากการทดสอบวงจรสัญญาณแรงดัน (Voltage Follower) นั้นได้แสดงไว้ในรูปที่ 11 และ รูปที่ 12 ซึ่งพบว่าเมื่อทำการป้อนแรงดันไฟเลี้ยงให้กับวงจร ที่แรงดันไฟตรงเท่ากับ +15 โวลต์และที่แรงดันไฟตรงเท่ากับ -15 โวลต์ โดยได้ทำการป้อนอินพุทมีค่าแรงดันเท่ากับ 2Vp-p และมีค่าความถี่เท่ากับ 1KHz และผลที่ได้ออกมาทางเอาท์พุทนั้นมีค่าแรงดันเท่ากับ 2Vp-p และมีค่าความถี่เท่ากับ 1KHz โดยเมื่อพิจารณาดูก็จะพบว่าสัญญาณเอาท์พุทนั้นมีขนาดและเฟสเหมือนกับสัญญาณ อินพุททุกประการครับ

รายการอุปกรณ์
อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำ
IC1 …. ไอซีเบอร์ UA741 ….1 ตัว
เครื่องมือและอุปกรณ์อื่นๆ
เครื่องออสซิลโลสโคป ….1 เครื่อง
เครื่องกำเนิดสัญญาณความถี่ ….1 เครื่อง
แหล่งจ่ายไฟ +15Vdc, -15Vdc ….1 ชุด
สายไฟ, แผ่นวงจร ฯลฯ ….1 ชุด

เป็นอย่างไรบ้างครับพอที่จะเข้าใจถึงการวิเคราะห์ การออกแบบ การทดสอบ และการสร้างวงจรตามสัญญาณแรงดัน (Voltage Follower) นี้กันบ้างแล้วใช่ไหมครับ ซึ่งได้แสดงแนวความคิดในการวิเคราะห์วงจร เพื่อให้เกิดความเข้าในวงจรให้มากขึ้นนะครับ พร้อมกันนั้นยังมีการทดสอบวงจร และการต่อวงจรเพื่อทำการทดสอบการทำงานโดยต่อวงจรบน Prototype Board ให้ดูด้วยนะครับ เพื่อบ้างคนอาจจะลองนำไปสร้างหรือลองศึกษาดูครับ และที่สำคัญยังมีการทดสอบการทำงานของวงจรให้ดูด้วยนะครับ โดยใช้เครื่องมือวัดทางอิเล็กทรอนิกส์ทดสอบให้ดูด้วย เพื่อเป็นการยืนยันว่าผลที่ได้นั้นถูกต้องตามที่ได้กล่าวไว้นั้นเองครับ