ใบความรู้ หน่วยที่ 1

แผนจดั การเรียนรู้วชิ าวงจรพลั ส์และสวิตซ่งิ

ใบความรู้ บทท่ี 1 การออกแบบวงจรและสร้างรูปสัญญาณไฟฟ้าแบบต่าง ๆ1.1 ลักษณะและชนิดของรูปคลื่น 1.1.1 คาจาจดั ความของรูปคล่ืนแบบต่าง ๆ สิ่งประดิษฐส์ ารกงึ่ ตวั นาชนดิ ตา่ ง ๆ เชน่ ไดโอด , ทรานซิสเตอร์ชนิดไบโพล่าร์ , ฟิลด์เอฟเฟคทรานซิสเตอร์ (FET) และสง่ิ ประดิษฐ์สารกง่ึ ตัวนาชนดิ พิเศษอ่นื ๆ อีกเป็นจานวนมากสามารถถูกนามาใช้งานเป็นสวิตช์อเิ ล็กทรอนกิ ส์ได้เป็นอยา่ งดี การนาส่งิ ประดษิ ฐ์เหล่านี้มาใชง้ านเพื่อเปน็ สวิตช์อิเล็กทรอนิกส์ ปกติมักจะมีชน้ิ ส่วนอเิ ล็กทรอนิกส์อ่ืน ๆ เช่น ตัวต้านทาน , ตัวเก็บประจุไฟฟ้ามาประกอบร่วมกันเป็นวงจรไฟฟ้าวงจรไฟฟ้านีถ้ ูกเรียกว่า \"วงจรสวติ ช์ชงิ่ \" (Switching circuits) ซ่ึงผลการทางานของวงจรสวิตช์นี้จะทาให้ได้สัญญา ณไฟฟ้าซึ่งอาจ เป็นกระแสหรือแร งดันก็ได้ที่มีรูปร่า งลักษณะเป็น ห้วง ๆ ซ่ึงไม่ใช่คล่ืนไซน์(Nonsinusoidal wave) แตเ่ ป็นลักษณะของคลืน่ ท่มี เี หลย่ี มมมี ุม โดยทีร่ ปู คลื่นแต่ละชว่ งอาจจะซ้ากันหรือไม่ก็ได้ คล่ืนไฟฟา้ ดงั กล่าวนีเ้ ราเรียกว่า \"พลั ส์\" (Pulse) ดังนน้ั อาจกล่าวได้ว่าวงจรสวิตช์ชิ่งสามารถทาหน้าที่สร้างพลั ส์ของกระแสหรือแรงดันออกมาได้ รูปท่ี 1.1 แสดงรปู ทรงและลักษณะของคล่ืนไฟฟ้า (แรงดนั หรือกระแส) อยา่ งพนื้ ฐาน พัลส์เหล่าน้ีเมอื่ พิจารณาดูให้ดีแล้วจะเห็นว่า สว่ นใหญ่เกิดจากการประกอบของรูปคลนื่ ข้ันบันได(Step) , คล่นื เอียง (Ramp), หรือคล่ืนเอก็ โพเนนเชยี่ ล ดงั แสดงในรปู ที่ 1.1 (ก),(ข) และ (ค) ตามลาดับรปู คลืน่ ของแรงดันไฟฟา้ ทเ่ี รานิยมนามาใช้งานกันมากท่ีสดุ ก็คือ รปู คลนื่ ที่มลี ักษณะเปน็ รปู สีเ่ หล่ียมมุมฉากดังแสดงในรปู ท่ี 1.2 (ก). คล่ืนรปู ส่ีเหลี่ยมมมุ ฉาก (Rectangular wave) นีก้ ไ็ ด้มาจากการรวมตัวกันของรูปคล่นืข้ันบันได 2 สว่ นนน้ั เอง และมักถกู เรียกวา่ พลั ส์ หรอื ในกรณีของคลนื่ รูปฟันเล่ือย (Sawtooth wave) ดังแสดงในรูปท่ี 1.2 (ข) ก็ไดม้ าจากการรวมกนั ของคล่ืนเอยี ง 2 สว่ น หรืออาจเป็นการรวมกนั ของคล่นื เอยี งหนงึ่

สว่ นกับคล่ืนขนั้ บนั ไดอีกหนง่ึ ส่วนก็ได้ นอกจากนี้คล่ืนอนิ ติเกรตเตด (Integrated) ดังแสดงในรปู ที่ 1.2 (ค) ก็คือรปู คล่ืนซงึ่ ประกอบขึน้ มาจากคล่ืนย่อยรปู เอ็กโพเนนเชีย่ ล สองรูป และคลน่ื ดฟิ เฟอเรนทเิ อเตด(Differentiated) ดังแสดงในรูปท่ี 1.2 (ง) ก็คอื คล่ืนซงึ่ ประกอบขน้ึ จากคล่ืนย่อยขัน้ บันไดและคลน่ื เอ็กโพเนนเช่ยี ล รวมตัวกันนัน่ เอง 1.1.2 ประเภทของรปู คลื่นแบบตา่ ง ๆ รปู ท่ี 1.2 แสดงรูปคลื่นลกั ษณะตา่ ง ๆ 1.1.3 คาจากัดความของรูปคล่ืนพัลส์ คลน่ื ทรงสี่เหลีย่ มจัตุรัสของแรงดนั ไฟฟ้าเรามักนิยมเรียกว่า \"คล่ืนจัตุรัส\" (Square wave)คลืน่ จตั รุ สั จะมีลักษณะคลา้ ยคลื่นรปู ส่ีเหลย่ี มมุมฉากซึ่งปรากฏอย่างต่อเน่ืองเป็นช่วง ๆ โดยลักษณะพิเศษประการหนึ่งคือ ชว่ งเวลาของพลั สท์ ปี่ รากฏกบั ช่วงเวลาของพัลส์ที่ไม่ปรากฏจะมีค่าเท่ากันดังแสดงในรูปท่ี1.3 และในเรอ่ื งน้จี ะได้กลา่ วถงึ ลกั ษณะคณุ สมบตั ิ, การสร้างและการวเิ คราะห์สัญญาณพัลส์รูปคล่ืนจัตุรัสโดยละเอยี ด

รูปที่ 1.3 แสดงรูปคลื่นจตั รุ ัส1.2 พารามเิ ตอรข์ องรูปคลนื่ พลั ส์ วงจรไฟฟ้าทแี่ สดงในรูปท่ี 1.4 (ก) เป็นวงจรทีใ่ ชส้ ร้างพัลส์รปู สเ่ี หลีย่ มมมุ ฉากดังแสดงในรปู ท่ี 1.4 (ข)ในวงจรนีจ้ ะมรี ะดับของแรงดนั อยสู่ องระดับคือ ทป่ี ลายออก หรอื เอาต์พตุ ของวงจรนจี้ ะมแี รงดนั 10 โวลต์เมอื่ ขัว้ ของสวติ ชอ์ ยทู่ ่ตี าแหนง่ 1 และจะมีแรงดนั เป็น 0 โวลต์ เมอื่ ข้ัวของสวิตช์อย่ทู ี่ตาแหน่ง 2 เม่ือพจิ ารณาขนาดของพลั ส์น้ีกับเวลาทเี่ ปลย่ี นแปลงไปจะเห็นได้ดงั ในรปู ที่ 1.4 (ข) กลา่ วคือขนาดของพัลสน์ ้ีกค็ ือ \"จุดยอด\"(Peak value) เมอื่ เวลาเพม่ิ ขึน้ จากศนู ย์ \"ขอบนา\" (Leading edge) ของพลั ส์ก็จะปรากฏ และต่อมาเมือ่ขนาดของพลั สต์ กลงมา ก็จะปรากฏ \"ขอบหลงั \" (Trailing edge) ชว่ งของคลน่ื ระหวา่ งขอบนากับขอบหลังเรยี กว่า \"ความกวา้ งของพัลส์\" เขยี นแทนด้วย tP และช่วงระหว่างจดุ ที่เรมิ่ เกดิ พลั สห์ น่งึ ๆ จนกระทง้ั ถงึ ชว่ งท่ีเกิดพัลส์อ่นื ถัดมา เราเรยี กว่า \"เวลาทีพ่ ัลสเ์ กิดซา้ \" (Pulse repetition time) เขียนแทนดว้ ย prt และพัลสซ์ งึ่เกิดข้นึ อยา่ งต่อเนื่องกนั หลาย ๆ พลั ส์ถกู เรยี กวา่ \"ขบวนพัลส์\" (Pulse train) 1.2.1 ค่าพารามเิ ตอร์ของรูปคลน่ื พัลส์ รูปที่ 1.4 แสดงลกั ษณะของพัลส์รปู ส่เี หลี่ยมมุมฉากในทางทฤษฎี

ในขบวนพัลสห์ น่ึง ๆ จานวนของพลั สท์ เ่ี กดิ ข้นึ ใน 1 วนิ าที เราเรียกว่า \"อตั ราการเกิดพัลส์ซ้า\" (Pulserepetition rate) และเขียนแทนด้วย prr หรือบางคร้ังก็ถูกเรียกว่า \"ความถี่ของการเกิดพัลส์ซ้า\" (Pulserepetition frequency) เขียนแทนด้วย prf ซึง่ มีหนว่ ยเปน็ จานวนรอบตอ่ วินาทีหรือเฮิรตซ์ (Hz) จากรูปที่1.4 (ข) ถ้าหาก tP หรอื t1 มีค่าเท่ากับ t2 แลว้ พลั สน์ กี้ ค็ ือคล่นื จัตรุ สั (Square wave) นั้นเอง \"อัตราการเกิดพลั ส์ซ้า\" (prr) กค็ ือส่วนกลบั ของ \"เวลาทพ่ี ัลสจ์ ะเกิดซ้า\" (prt) ดังนน้ั อาจเขยี นได้วา่ prr = (Hz) (1.1) เมือ่ prr คือ อตั ราการเกิดพัลส์ซา้ (Pulse repetition rate) มหี นว่ ยเป็น เฮิรตซ์ (Hz) prt คือ เวลาทีพ่ ลั ส์เกดิ ซา้ (Pulse repetition time) มีหน่วยเป็น วนิ าที (S)ค่าเฉล่ียของรูปคลื่นใด ๆ (อาจเป็นแรงดนั หรอื กระแส) ก็คือส่วนซง่ึ เปน็ \"กระแสตรง\" (Direct current) ของคลน่ื น้ัน ๆ และการคิดหาค่าเฉลี่ย (Average value) ของแรงดันของคลืน่ ตามทฤษฎีในรูปท่ี 1.4 (ข) ทาได้โดยการหารพื้นที่ (AP) ของพลั ส์ ด้วยคา่ ของเวลาทพ่ี ลั ส์เกดิ ซ้า (prt) ค่าเฉลีย่ ของแรงดนั นี้ก็คอื คา่ ซงึ่ สามารถอ่านได้จากเคร่อื งวัดแรงเคล่ือนกระแสตรง (DC Voltmeter) ท่ใี ชว้ ัดขนาดของพลั ส์ =AP tp Epeak (S.V) (1.2)เมื่อ AP คอื พน้ื ท่พี ัลส์ ดงั นัน้ tp คือ ความกวา้ งของพลั ส์ มีหนว่ ยเป็น วนิ าที (S) Epeak คือ คา่ แรงดันสูงสุดของพัลส์ มีหน่วยเป็น โวลต์ (V) Eav คือ ค่าแรงดนั เฉล่ียของพลั ส์ มหี น่วยเป็น โวลต์ (V) AP = 10  10-6  10 = 100  10-6 วนิ าที – โวลต์ =Eav (V) (1.3)

Eav = 100 = 2.5 V 40 นน้ั คือค่าเฉลยี่ ของพลั ส์ในรูปที่ 1.4 (ข) Eav คอื 2.5 โวลต์ อนงึ่ พลั ส์อาจจะเร่ิมต้นที่ค่าแรงดันใดๆ ก็ได้ ไมจ่ าเปน็ ต้องเร่มิ จากแรงดนั เป็นศนู ยเ์ สมอไป ดงั น้ันค่าตัวเลขที่ใช้หาค่า AP ในสมการที่ 1.2 ก็คือผลรวมทางคณิตศาสตร์ของพ้ืนทข่ี องพัลสก์ ล่าวคอื เป็นผลรวมสุทธิของพ้ืนท่ีของพัลส์ซึ่งเป็นบวกและพ้ืนท่ีที่เป็นลบ1.2.2 คา่ ประสทิ ธผิ ลของเครอ่ื งมือวัด ดงั น้นั ในรูปท่ี 1.5 (ก) จะเหน็ ไดว้ า่ มลี กั ษณะคลา้ ยพัลสใ์ นรปู ท่ี 1.4 (ข) ทกุ ประการหากแต่ระดบัเร่ิมต้นของพัลส์มคี า่ ตา่ งกนั รูปของพลั ส์ซงึ่ ปรากฏบนจอของออสซิลโลสโคปดังรูปที่ 1.5 (ก) เปน็ รปู คลืน่ขณะทีท่ าการวัดแบบกระแสสลับ (Alternating current) และในรูปที่ 1.5 (ข) เป็นรปู คลนื่ ขณะทีท่ าการวัดแบบกระแสตรง (D.C) ส่งิ สาคัญท่ีควรคานึงถงึ ในท่ีนีก้ ค็ ือเสน้ ประทเี่ กิดข้ึนบนจอภาพของออสซิลโลสโคป(Oscilloscope) ท้ังสองกรณใี นขณะท่ีไมม่ กี ารป้อนสญั ญาณใด ๆ จะตอ้ งอย่ทู ี่ตาแหน่งกงึ่ กลางของจอภาพและการวดั ขนาดของพลั ส์จะต้องมรี ะดับเปรียบเทียบระดับหนง่ึ ซง่ึ เปน็ ระดบั กระแสตรง พลั ส์ทีเ่ รียกวา่ \"พัลส์บวก\" (Positive pulse) หมายถึง คา่ ของกระแสหรอื แรงดนั ของพลั สน์ น้ั จะมคี า่ เปน็ บวกเมอ่ื เทียบกบั ระดับศนู ย์ และพัลส์ลบ (Negative pulse) หมายถงึ ค่าของกระแสหรือแรงดนั ของพัลสน์ ั้นมีค่าเป็นลบเทียบกับระดับศนู ย์ ดงั นั้นในรปู ที่ 1.5 (ก) ในขบวนพัลส์ท่ปี รากฏมที ้ังพลั สบ์ วกและพัลสล์ บ การหาพ้นื ที่สุทธิของพัลส์ก็คือผลต่างของพ้ืนท่ีของพัลส์บวกและพัลส์ลบนน้ั เอง ในรูปที่ 1.6 (ก) และ (ข) กระท้ังถึง (ฉ) แสดงตัวอย่างของลักษณะของพลั สข์ องแรงดนั ทอี่ าจเปน็ ไปได้ และระดับเปรยี บเทียบของพลั ส์นน้ั ๆรปู ที่ 1.5 แสดงภาพบนจอของออสซิลโลสโคปขณะทาการวดั แบบ (ก) กระแสสลบั และ (ข) กระแสตรง

พัลส์ซง่ึ มีรูปร่างเหมือนกัน อาจมรี ะดบั เปรยี บเทียบแตกกันได้ การสร้างหรือการเปล่ียนแปลงระดับเปรยี บเทยี บกระแสตรงของพัลสอ์ าจทาไดโ้ ดยวงจรไฟฟา้ ทเี่ รยี กวา่ \"วงจรปรับระดับ\" (Clamper circuit) ตัวพารามิเตอรท์ ค่ี วรรอู้ กี ตวั หนึ่งซึง่ ใช้งานเก่ยี วกับพัลส์ก็คอื \"ดิวตี้ ไซเคลิ \" (Duty cycle) ซึง่ กค็ ืออตั ราสว่ นระหวา่ งคา่ เฉล่ยี กับค่าจุดยอดของคลนื่ พัลสข์ องแรงดัน โดยท่วั ไปแลว้ เราจะใช้คา่ ดวิ ตี้ ไซเคิล ในส่วนที่เกยี่ วกับกาลงั ของเครอ่ื งส่ง (Transmitter power) ซงึ่ ปกติจะแสดงในรูปของเปอรเ์ ซ็นต์ เราสามารถคานวณคา่ ดิวตี้ ไซเคลิ ของรปู คล่ืนพัลส์ของแรงดันทแ่ี สดงในรปู ที่ 1.4 (ข) ได้โดยจากนยิ าม % (1.4) % duty cycle =ดงั น้นั % duty cycle = 2.5100 % = 25% 10 Eav 100 % Ap E peak prtหรอื % duty cycle = = E peak 100 % t p  E peak 1010 6 100 % 40 10 6 = prt 100 % = E peak นน้ั คอื ค่าดิวตี้ ไซเคิล = 25% คลนื่ พลั ส์ของแรงดนั ทแี่ สดงในรปู 1.4 (ข) เป็นรปู คลืน่ ท่เี ป็นไปตามทฤษฎี แตใ่ นทางปฏบิ ัติแลว้ พลั ส์รูปสเ่ี หล่ียมมุมฉากจะไม่เป็นมุมฉากที่สมบรู ณ์เลยทเี ดยี ว แตโ่ ดยท่วั ไปจะปรากฏเปน็ รปู คล่ืนพลั ส์ดังแสดงในรูปที่ 1.7 เมื่อรปู ของพลั สไ์ มเ่ ปน็ มมุ ฉากปัญหาท่ีจะตดิ ตามมาก็คือการหาคา่ คณุ สมบัตติ ่าง ๆ ของพัลสจ์ ะไม่มีมาตราฐานเปรยี บเทยี บท่ีแน่นอนและเหมอื นกนั ดงั นัน้ จึงจาเป็นตอ้ งมีกฎเกณฑ์ข้อกาหนดทใี่ ช้เปน็ มาตราฐานข้ึน เพือ่ สามารถเปรยี บเทียบคณุ สมบัตขิ องพัลส์ที่ตา่ งกันได้ เชน่ ในการหาค่าความกว้างของพัลส์ ก็ให้ยดึ ถอืขอ้ กาหนดดงั นค้ี อื ความกว้างของพลั ส์ กาหนดวา่ เปน็ ช่วงเวลาระหว่างตาแหนง่ ท่ีพัลสม์ ขี นาดเปน็ 90เปอร์เซ็นต์ของค่าจดุ ยอด (ขนาดของพลั ส์)

รปู ท่ี 1.6 แสดงพัลสข์ องแรงดนั ซึ่งมขี นาด E โวลต์ แต่มลี กั ษณะตา่ งกนั

รปู ท่ี 1.7 แสดงลักษณะของรูปสี่เหล่ยี มมมุ ฉากในทางปฏบิ ตั ซิ ง่ึ สร้างขึน้ ได้จรงิ ๆ ดังในรปู ท่ี 1.7 กค็ ือช่วง tp และสาหรบั ชว่ งระยะเวลาทพี่ ัลสม์ ขี นาดจาก 10 เปอร์เซน็ ต์เพ่ิมข้นึ เป็น 90 เปอร์เซ็นตข์ องขนาดสงู สดุ ของพลั ส์ เรยี กว่า “เวลาไต่ขนึ้ ” (Rise time) เขียนแทนดว้ ย trชว่ งระยะเวลาท่ีพลั ส์ลดลงจาก 90 เปอรเ์ ซน็ ต์ เหลือเป็น 10 เปอรเ์ ซน็ ต์ของขนาดสงู สดุ ของพัลส์ เรยี กวา่“เวลาตก” (Fall time) เขียนแทนด้วย tf หรือบางคร้ังเรียกว่า “เวลาลด” (Decay time) ในตารางบางเลม่สัญลกั ษณ์ td อาจใชแ้ ทนความกว้างของพัลสก์ ็ไดว้ ่าแต่ในทีน่ ี้จะขอใช้ tp เหตทุ เ่ี ลือกใช้ tp แทนความกว้างของพลั สก์ ็เพราะสญั ลักษณ์ td มักจะใชแ้ สดงคา่ ของเวลาช้า (Delay time) ซ่ึงอาจทาให้สับสนสาหรับในบางคลน่ื สัญญาณของพลั ส์ ค่าเวลาไตข่ น้ึ และเวลาตกจะมีคา่ นอ้ ยมากซ่ึงในทางปฎิบัติแล้วเป็นเร่ืองยากมากท่ีจะวัดใหไ้ ด้ค่าแม่นยา หรอื ถูกต้องจริง ๆ แมว้ า่ จะใช้ออสซิสโลสโคปแบบความถี่สูงก็ตาม และเมื่อความกวา้ งของพัลส์มีค่าน้อยมาก ๆ เวลาไตข่ ึ้นและเวลาตกกใ็ หถ้ ือว่าเป็นเวลาท้งั หมดของพัลส์1.3 ลกั ษณะของรูปคล่ืนพลั ส์และการสรา้ งสัญญาณ 1.3.1 ลักษณะของรปู คล่ืนพลั ส์ พลั ส์รปู สีเ่ หลย่ี มมมุ ฉากอาจถกู สร้างได้หลายวิธี แต่ท่จี ะกล่าวถึงตอ่ ไปนเ้ี ปน็ เพยี งบางวิธเี ท่านนั้ 1. คลนื่ รูปสเ่ี หล่ยี มมุมฉากหรอื คล่ืนจัตรุ ัสของแรงดันไฟฟา้ อาจสร้างได้โดยการป้อนสัญญาณรูปไซน์ผ่านเข้าไปในวงจรขยายประเภท A (Class A amplifier) โดยใหส้ ญั ญาณรปู ไซน์เป็นตัวกระตุ้นให้วงจรขยายทางานเกนิ ขอบเขต (Overdriven) กลา่ วคอื ในช่วงคร่ึงแรกของสัญญาณรูปไซน์จะทาให้ทรานซิสเตอร์ในวงจรขยายทางานในย่านอิ่มตวั (Saturation) และชว่ งคร่ึงหลังของสญั ญาณรูปไซน์จะทาให้ทรานซิสเตอร์ในวงจรขยายทางานในย่าน คัตออฟ (Cutoff) ดังน้ันท่ีทางออก (Output) ของวงจรขยายจะทาให้ได้คล่ืนแรงดันซึง่ ลักษณะท่พี อจะอนุโลมได้ว่าเป็นคลื่นรูปส่ีเหล่ียมมุมฉาก หรือคลื่นจัตุรัสและการท่ีคลื่นแรงดันน้ีจะมีลกั ษณะคล้ายกับคลน่ื รปู สี่เหลยี่ มมมุ ฉาก

หรือคลน่ื จตั รัสมากน้อยเพียงใดกข็ ึนอยูก่ ับการกาหนดจุดทางาน (Operating point) ของทรานซิสเตอร์ในวงจรขยายนนั้ 2. คลน่ื จตั รุ สั ของแรงดนั อาจถูกสรา้ งโดยการใช้วงจรมัลติไวเบรเตอร์ (Multivibrator) แบบหนึ่งแบบใดก็ได้ ซ่งึ วงจรแบบนก้ี ็คอื วงจรขยาย 2 ภาคมาตอ่ รวมกันโดยมีตัวต้านทานและตัวเก็บประจุไฟฟ้าเป็นตัว“คปั ปล้งิ ” (Coupling) หรือนิยมเรียกว่า “อาร์-ซี คปั ปล้ิงแอมปลไิ ฟร์ (R-C coupling amplifier) และผลที่ได้จากวงจรขยายภาคแรกจะถกู ป้อนเขา้ ที่ทางเข้า (Input) ของวงจรขยายภาคที่สองแล้วผลที่ได้จากวงจรขยายของภาคสองน้ีก็จะถกู ปอ้ นใหย้ ้อนกลบั ไปยงั ทางเข้าของวงจรขยายภาคแรกอีก การทางานของวงจรขยา ยน้ีจะอยู่ในลักษณะทางานเกินขอบเขต ผลก็คอื ทาให้ได้สญั ญาณของแรงดนั ทีท่ างออกเป็นรูปคล่นื จัตุรัสหรือคล่ืนรูปส่ีมมุ ฉาก 3. คล่ืนจัตรุ ัสของแรงดนั อาจถกู สร้างไดโ้ ดย การใชแ้ หล่งจ่ายแรงดนั คล่ืนรูปไซน์ซึ่งมีค่าความถ่ีหลักมูล (Fundamental frequency) ต่อขนานรว่ มกับแหล่งจา่ ยแรงดันคล่ืนรูปไซน์อื่น ๆ ซ่ึงมีค่าความถี่เท่ากับค่าความถ่ีหลักคูณกับเลขคี่จาน วนเต็มใด ๆ หรือนิยมเรียกว่า “อ๊อดฮ าร์โมนิค” (Odd harmonicfrequencies) ทง้ั นี้ตอ้ งทาให้คลืน่ รปู ไซนข์ องแหล่งจ่ายต่าง ๆ มีขนาด (Amplitude) และเฟส (Phase) ที่ถกู ต้อง ผลจากการรวมกนั ระหวา่ งคล่นื หลกั และคลนื่ ฮารโ์ มนคิ นีจ้ ะทาใหไ้ ดส้ ญั ญาณของแรงดันรูปจัตุรัส ซ่ึงอตั ราการเกดิ พัลส์ซา้ (prr) หรือทีเ่ รียกง่าย ๆ วา่ ความถขี่ องพลั ส์น้ีจะมคี า่ ท่ากับความถห่ี ลกั ทีก่ าหนดข้ึน1.3.2 วธิ ีสรา้ งสัญญาณพัลส์ 1.3.2. 1 การสร้างคล่นื รปู สี่เหล่ียมมมุ ฉากของแรงดันโดยวิธใี ช้วงจรขยายสัญญาณท่ที างานเกนิ ขอบเขต คลน่ื จตั ุรสั ของแรงดันอาจจะสร้างมาจากคลน่ื รปู ไซนข์ องแรงดนั ได้ โดยการใช้วงจรขยายประเภท Aซึ่งทรานซสิ เตอร์ในวงจรน้นั จะถกู ทาใหม้ กี ารทางานทเ่ี กนิ ขอบเขต เมอ่ื ถกู ปอ้ นด้วยสัญญาณรูปไซน์ กล่าวคือสญั ญาณแรงดนั รปู ไซนจ์ ะตอ้ งมีขนาดมากพอทจี่ ะทาให้ทรานซิสเตอร์ในวงจรขยายมีการทางานอยู่ในลักษณะทีเ่ กนิ ขอบเขต น้นั คอื อยูใ่ นภาวะอ่มิ ตัวและภาวะคตั ออฟ ขณะท่แี ตล่ ะครึ่งช่วงของสญั ญาณรูปไซน์ถูกป้อนเข้าไป ดังแสดงในรูปท่ี 1.8 (ก) รูปที่ 1.8 (ข) แสดงการทางานของทรานซิสเตอร์ เน่อื งจากสญั ญาณไซน์ที่ป้อนเข้าไปในวงจรขยายจะทาใหท้ รานซสิ เตอร์ทางานอยู่ในภาวะอิ่มตัวและภาวะคตั ออฟ แรงดนั ท่ีทางออกของวงจรขยายมีลักษณะคล้ายกับเปน็ คลืน่ รปู จัตรุ สั และถ้าหากจุด Q ไมอ่ ยูท่ ตี่ าแหนง่ กง่ึ กลางของ “เส้นโหลด” (Load line) คลื่นท่ีได้จะมลี กั ษณะเป็นคล่นื รปู สีเ่ หล่ยี มมุมฉาก ยกตวั อย่างเชน่ ในการออกแบบวงจรสวิตซช์ ิ่ง เพอื่ ให้ไดค้ ลืน่ จัตุรสั ของแรงดันซึ่งมีความถ่ี 1000 HZต้องการขนาดสงู สดุ ของพลั ส์มีคา่ 20 โวลต์ จากสญั ญาณไซน์ของแรงดนั ซึ่งมีความถี่ 1000 HZ และมีขนาดของคล่ืนระหว่างจุดยอด (Peak to peak) เป็น 2 VP – P และทรานซิสเตอร์ในวงจรขยายเป็นซิลิกอนทรานซสิ เตอร์ชนิด NPN และมีพารามิเตอร์ต่าง ๆ ดังนั้น hfe = 50 , hie = 1,000  , ICO มีค่าน้อยมากสามารถตดั ทงิ้ ได้ , แหลง่ จ่ายแรงดนั กระแสตรงที่ใชม้ คี ่าปรบั ไดต้ ั้งแต่ 0 ถงึ 30 โวลต์ และจ่ายกระแสได้ 250มลิ ลแิ อมป์

จากรูปลกั ษณะคุณสมบัตซิ ่งึ แสดงในรูปท่ี 1.8(ข) จะเห็นได้วา่ เพอื่ ให้ขนาดของพลั สม์ ีค่า 20 โวลต์ดงั นัน้ ค่า Vcc ในวงจรรปู ที่ 1.8 (ก) จึงต้องมีคา่ 20 โวลต์ด้วย สว่ นการเลอื กคา่ ของกระแสคอลเล็กเตอรอ์ าจทาไดไ้ ม่จากดั แตต่ ้องเขา้ ใจวา่ ทีค่ า่ ของกระแสคอลเลก็ เตอร์สูง ๆ คา่ อิมพีแดนซ์ (Input impedance) ของวงจรจะมคี า่ ไม่เปน็ เชงิ เสน้ (Nonlinear) ดังน้นั จงึ ควรเลอื กค่ากระแสคอลเลก็ เตอรท์ ต่ี า่ ๆ รูปที่ 1.8 แสดง (ก) วงจรขยายประเภท A ซ่งึ ทรานซิสเตอรถ์ ูกตอ่ ไวแ้ บบอิมติ เตอร์รว่ มและถกู กาหนดให้มีการทางานทเี่ กินขอบเขต (ข) สญั ญาณคล่ืนทีอ่ นิ พตุ และเอาตพ์ ุตของวงจร

เพอื่ ให้ค่าอินพุตอมิ พีแดนซข์ องวงจรมีคา่ เปน็ เชงิ เส้นซ่ึงจะทาให้ได้คลื่นรูปจัตุรัสที่สมบูรณ์กว่า เช่นเมอ่ื เลือกคา่ ของกระแสคอลเลก็ เตอร์ 10 mA. สาหรบั จุด Q จดุ ทางานของวงจรจากข้อกาหนดเหล่านี้ทาให้สามารถหาคา่ RL ในวงจรได้ดังนี้ RL = E RL = VCC  VCE = 20  10 = 10V = 1,000  Ic IC 10mA 10mA ความสมั พันธ์ระหวา่ งกระแสคอลเลคเตอร์, กระแสเบสและ hfe ของทรานซิสเตอร์ เราใช้ในการกาหนดค่าท่ีถกู ตอ้ งของกระแสเบสเพือ่ ให้กระแสคอลเตอร์มีค่า 10 mAโดย IB = IC = 10mA = 0.2 mA h fe 50 สมมตุ วิ ่าแรงดนั ทต่ี กคร่อมทีร่ อยต่อ อิมิตเตอร์-เบส มคี า่ นอ้ ยกระทง่ั ตดั ท้งิ ได้ ดังนั้นค่าท่ีถูกต้องของRBคอื RB = VCC = 20 100 k IB 0.2mA นอกจากนแี้ ลว้ ขณะทีว่ งจรทางานเก่ียวขอ้ งกับสญั ญาณกระแสสลับ สว่ นประกอบของวงจรที่สาคัญซ่ึงเก่ียวขอ้ งกบั การทางานของวงจรขณะไดร้ บั สญั ญาณกระแสสลับคอื ตวั ตา้ นทาน (RS) และตัวเก็บประจุไฟฟ้า(CC) ซึ่งทาหนา้ ท่คี ัปปลง้ิ สัญญาณกระแสสลบั ดงั น้ันคา่ ของ RS และ CC จงึ ต้องมสี ่วนสมั พันธก์ ับพารามิเตอร์ตัวอน่ื ๆ ของวงจรด้วย การกาหนดค่าของ CC อาจทาได้โดยการพจิ ารณาว่าคา่ “รแี อคแตนซ์” XC (Reactance) ของ CC จะมผี ลคล้ายกับความตา้ นทานท่ีต่ออนุกรมกับอนิ พุตอมิ พแี ดนซข์ องวงจร ขณะท่ีสญั ญาณกระแสสลับเข้ามาทางอนิ พตุ โดยผา่ น CC ก็จะทาให้เกดิ แรงดนั ตกครอ่ ม CC ด้วย ค่าของแรงดันที่ตกคร่อม CC ควรมีค่าน้อยมากเพือ่ ใหแ้ รงดนั เกอื บท้ังหมดของสญั ญาณท่เี ขา้ มาไปปรากฏทอ่ี นิ พตุ ของวงจรขยาย ค่าอินพตุ อมิ พีแดนซข์ องวงจรขยายโดยไม่คิดค่าของ RB ก็คือค่า hie ซ่ึงเท่ากับ 1000  และค่าอนิ พุตอิมพีแดนซ์ของ RB ของวงจรขยายเมือ่ คดิ รวมกับค่า RB ก็คือซึ่งเกดิ จากอิมพีแดนซ์ของ RB และ hfe ต่อขนานกัน ซึง่ กจ็ ะมีค่าราว 1000  น้ันเอง ดังนัน้ ถา้ หากค่า “รีแอคแตนซ์” XC (Reactance)ของตัวเก็บประจุ CC มีคา่ 1 10 เท่าหรอื น้อยกวา่ ค่าอิมพแี ดนซ์ ของวงจรขยาย 10 เทา่ แล้วค่าแรงดัน (กระแสสลับ) ท่ตี กครอ่ มตัวเก็บประจุไฟฟ้า CC กอ็ าจพิจารณาไดว้ า่ มีคา่ นอ้ ยและสามารถตดั ท้ิงได้

ดงั นัน้ XC = 1 Z in = 1 1000 = 100  10 10 CC = 1 = 1 = 1.59 F 2fX C 6.28103 102โดยท่ี XC คอื คา่ รีแอคแตนซข์ อง CC Zin คอื อนิ พตุ อมิ พแี ดนซ์ของวงจรขยาย CC คอื คา่ ความจุไฟฟ้า และ f คอื ค่าความถข่ี องสัญญาณไซน์ จากรูปท่ี 1.8 (ข) จะเหน็ วา่ ทรานซิสเตอร์สามารถทางานได้เตม็ ทเี่ มอื่ ขนาดกระแสอินพุต (หรือกระแสเบส) IB มคี ่าสงู ถึง 0.4 mAp-pหรือ 0.1414 mArms (rms :คา่ รูทมนี สแควร์) น้ันคือทรานซิสเตอร์จะทางานในภาวะอิ่มตัวและคัทออฟไดพ้ อดี ดังนั้นเมื่อสัญญาณกระแสเบสเพิ่มเป็นสองเท่าคือ 0.8 mAp-p หรือ0.2828 mArms แล้วจะทาให้ได้รูปสัญญาณแรงดนั ทเ่ี อาต์พุตเป็นรปู คล้ายกับคลื่นจัตุรัสนั่นคือสัญญาณของกระแสเบสจะต้องมคี ่า 0.8 mAp-p หรอื 0.2828 mArms น้นั เอง สาหรับคา่ ของ RS ในวงจรก็เช่นกนั จะตอ้ งมคี ่าท่ีเหมาะสมกล่าวคือ เม่ือพิจารณาว่า RT คือ ค่าอนิ พุตอมิ พแี ดนซ์รวมซง่ึ มองจากเครอ่ื งกาเนิดสญั ญาณ โดย Rg คอื คา่ อิมพแี ดนซ์ของเคร่อื งกาเนิดสญั ญาณดังนน้ั RT = Rg + RS + Zin RT = e in = 0.707 V = 2.5 k ib 0. 2828 mA RS = RT - (Rg + Zin) = 2.5 k - (0.6 k + 1k) = 900  สิง่ ทค่ี วรเข้าใจให้ดกี ค็ อื สญั ญาณแรงดันทีเ่ อาตพ์ ตุ อาจมีลกั ษณะเป็นรูปสี่เหลีย่ มมุมฉากก็ได้ ทัง้ นี้เน่ืองจากวงจรนไ้ี ม่มีเสถียรภาพ (Unstability) และคา่ ของอนิ พุตอมิ พีแดนซก์ ไ็ มเ่ ปลีย่ นแปลงอย่างเชิงเส้น

1.3.2.2 การสร้างคล่นื จตั รุ ัสของแรงดนั โดยการรวมคล่นื รูปไซน์ รูปที่ 1.9 แสดงการรวมคลื่นรูปไซน์ทางเวคเตอร์เพอ่ื ใหไ้ ดค้ ลื่นใหมใ่ นรปู จตั รุ ัส ดงั ที่เคยกลา่ วมาแล้ววา่ เมอ่ื ตอ่ แหล่งจา่ ยแรงดันคล่ืนรูปไซน์ ซึ่งมีค่าความถ่ีหลักค่าหน่ึงต่อขนานรว่ มกับแหล่งจ่ายแรงดันคล่นื รปู ไซน์อน่ื ๆ ซ่ึงมคี ่าความถ่ีเทา่ กบั ความถี่หลักคูณกับเลขคี่จานวนเต็มใด (3, 5,7, 9,...) แลว้ จะทาใหไ้ ดค้ ลนื่ จัตรุ สั ออกมา, ค่าความถี่ของคล่ืนจตั รุ สั ทีไ่ ด้น้ีจะเป็นค่าเดียวกันกับความถี่คลื่นหลกั การสรา้ งคลน่ื จัตรุ ัสด้วยวธิ ีนี้สามารถพสิ จู น์ได้โดยการเขียนรูปกราฟของคล่ืนหลักและความถี่อ่ืนๆ อีกแลว้ รวมกันทางเวคเตอร์ ดังแสดงในรปู ที่ 1.9 ซ่ึงเปน็ การรวมคล่นื หลักกับคล่ืนอ่ืนท่ีมีค่าความถ่ีเป็น 3 เท่าของความถค่ี ล่ืนหลกั ผลการรวมของคล่ืนรปู ไซน์ดงั กลา่ วน้ีทางเวคเตอร์ จะทาให้ได้คลื่นใหม่ซึ่งมีลักษณะใกล้เคยี งกบั คลน่ื จัตุรัสดงั แสดงด้วยเส้นประ ย่ิงมีการรวมคลนื่ รปู ไซนม์ ากเพียงใดลักษณะของคล่ืนท่ีรวมท่ีได้จะมลี ักษณะใกล้เคียงกับคลน่ื จัตุรสั มากยง่ิ ขน้ึ ดงั นนั้ จงึ อาจกลา่ วได้ว่าคลืน่ จตั ุรสั กค็ ือ คล่ืนซง่ึ เกดิ จากการรวมคลืน่ รปู ไซนจ์ านวนมากมายไม่จากัดซึ่งมคี ่าความถ่ีต่าง ๆ กนั ตง้ั แต่ 0 หรือส่วนทเ่ี ป็นกระแสตรงกระท่งั ถงึ ค่าอนันต์ นอกจากนย้ี ังเป็นที่น่าสังเกตอกี วา่ ในทางทฤษฎีแล้ว เครื่องขยายสญั ญาณพัลส์รูปจัตุรสั โดยท่วั ไปจะต้องมคี วามสามารถขยายสัญญาณได้ดที กุ ๆ ความถี่ตง้ั แตต่ ่าสดุ จนถึงคา่ อนันต์