Chapter 1 Basic Op Amp

หนวยการเรยี นรทู ่ี 1 คณุ ลักษณะสมบตั พิ ืน้ ฐานของไอซีออปแอมป 1. ความรูพ ืน้ ฐานเก่ียวกบั ออปแอมป ออปแอมป (Op-Amp) หรอื ออเปอเรชัน่ แนล แอมปลิฟายเออร (Operational Amplifier) เปนวงจรรวม ชนิดหนึ่งที่อยูในกลุมของวงจรเชิงเสน (Linear Integrated Circuit) เปน อุปกรณประเภทแอกทีฟ (Active Device) ทำหนา ทเ่ี ปน วงจรขยายสญั ญาณพ้นื ฐานสำเรจ็ รปู ที่นิยมนำไปประยุกตใ ชง านทางอเิ ลก็ ทรอนิกสแ ละการควบคมุ 2. สัญลกั ษณและลักษณะของไอซอี อปแอมป V+ Output Inverting Input Output Inverting Input Non Inverting Input Non Inverting Input ภาพที่ 1 สัญลักษณของออปแอมป V- ออปแอมปทน่ี ยิ มใชงานจะเปนวงจรรวมทมี่ ีลักษณะแบบ DIP (Dual-in Line Package) จะมขี าใชง านดงั นี้ - ขาใชงานทางดานอินพุต 2 ขา ไดแก ขาไมกลับเฟส (Non Inverting Input : \"+\") และ ขากลับ เฟส (Inverting Input : \"-\") - ขาเอาตพ ุต 1 ขา - ขาแรงดันไปบวก (V+) และ ขาแรงดนั ไปลบ (V-) โดยการตอใชง านออปแอมปเขากบั แหลง จา ยไฟฟา กระแสตรง จะตอ งทำการปอ นแรงดนั ไฟฟา กระแสตรงบวก เขาที่ขาแรงดันไปบวก (V+) และแรงดันไฟฟากระแสตรงลบเขา ท่ีขาแรงดนั ไปลบ (V-) โดยใชก ราวดอา งอิง (Ground) จากจุดตอ ของแหลงจา ยแรงดันไฟฟา ดงั แสดงในภาพที่ 2 27 VCC 34 6 VCC ภาพที่ 2 การตอ แหลงจา ยแรงดันไฟฟากระแสตรงใหก ับออปแอมป ไอซีออปแอมปเบอร 741 Offset Null 1 8 No Connection Inverting Input 2 7 V+ Non Inverting Input 3 6 Output 5 Offset Null V- 4 ภาพที่ 3 ลกั ษณะของไอซีออปแอมปเ บอร 741 ภาพที่ 4 ตำแหนง ขาของไอซีออปแอมปเ บอร 741

3. โครงสรา งพนื้ ฐานของออปแอมปเ บอื้ งตน โครงสรางพื้นฐานของออปแอมปป ระกอบดว ยวงจรภายในทแ่ี ยกเปน สวนการทำงานเปนภาคตางๆ ดังภาพท่ี 5 ภาพที่ 5 บลอ็ กไดอะแกรมวงจรภายในของออปแอมป 3.1 วงจรขยายผลตา งภาคที่ 1 (1st Stage Diff Amp) - เปนแบบ 2 อนิ พุต (Dual Input) - วงจรขยายภายในเปนแบบวงจรขยายผลตาง (Differential Amplifier) ทม่ี ีคาความตานทานทางดา น ขาเขา สงู - ภาคออกมีลกั ษณะแบบสมดลุ 2 เอาตพ ุต (Balance Output) 3.2 วงจรขยายผลตางภาคท่ี 2 (2nd Stage Diff Amp) - เปนแบบ 2 อนิ พุต (Dual Input) - วงจรขยายภายในเปนแบบวงจรขยายผลตา ง (Differential Amplifier) - ภาคออกมลี กั ษณะแบบไมส มดลุ มี 1 เอาตพตุ (Unbalance Output) 3.3 วงจรอิมติ เตอร ฟอลโลเวอร (Emitter Follower) เปน ลกั ษณะของวงจรคอลเลคเตอรรว ม โดยเปนวงจรทีใ่ ชข าคอลเลคเตอร เปน ขารว มระหวา งอินพุตและ เอาตพ ุต โดยขาอนิ พตุ ถกู ปอ นเขาทขี่ าเบสและขาเอาตพุตตอ ออกท่ีขาอิมิตเตอร ภาพที่ 6 วงจรพ้ืนฐานภายในของออปแอมป

4. คณุ สมบัติของออปแอมป V1 Vd Ri Ro Vo AVd V2 ภาพท่ี 7 วงจรสมมลู ออปแอมปในอดุ มคติ จากวงจรสมมูลของออปแอมปในอุดมคติ จะประกอบดวยความตานทานทางดานอินพุต (Ri) ความตานทาน ทางดานเอาตพุต (Ro) ซึง่ จะตอกับอตั ราขยายแรงดันของตวั ออปแอมป (A) ตอไปยังเอาตพุต โดยคา แรงดันไฟฟา ทางดานอินพตุ (Vd) จะมคี า เทากบั ผลตา งของแรงดนั ไฟฟาทขี่ าอนิ พตุ ท้งั 2 ขา จะไดว า Vd = V2 - V1 ซึ่งคา แรงดันไฟฟา ที่เอาตพตุ (Vo) จะมีคา เทา กับ ผลของแรงดันไฟฟา ทางดา นอินพุต (Vd) คณู กบั อัตราขยาย แรงดนั ของตวั ออปแอมป (A) Vo = AVd = A(V2 -V1 ) คณุ สมบตั ขิ องออปแอมปในอุดมคติ (Ideal Op-Amp) จะมคี ณุ สมบัตดิ ังนี้ 1. อตั ราขยายแรงดนั ลปู เปด (Open-loop Gain) สงู มากเปน อนันต (A ≈ ) 2. ความตานทานทางดานอนิ พตุ (Input Resistance) สูงมากเปน อนนั ต (Ri ≈ ) 3. ความตา นทานทางดานเอาตพ ตุ (Output Impedance) ต่ำมากเปน ศนู ย (Ro ≈ 0) 4. ความกวางของแถบคลื่นความถ่ี (Bandwidth) ในการขยายสัญญาณสูงมาก (BW ≈ ) 5. สามารถขยายสัญญาณไดท งั้ ไฟฟากระแสสลบั (AC) และไฟฟา กระแสตรง (DC) 6. แรงดนั ออฟเซ็ต (Offset Voltage) มคี า เปน ศูนย (Vo = 0 เมื่อ V1 = V2 = 0) จากคณุ สมบัติของออปแอมปในอุดมคติ ทมี่ ีคาอัตราขยายแรงดันลูปเปดและความตา นทานทางดานอินพุตท่ี สงู มาก จะทำใหมผี ลตอ คาของกระแสและแรงดนั ดงั แสดงในภาพท่ี 8 จะไดว า I1 = 0 I2 = 0 Vd Vo V1 V2 ภาพท่ี 8 ออปแอมปใ นอุดมคติ 1. กระแสไฟฟาทางดา นอินพตุ จะมคี าเปน ศูนย I1 = 0, I2 = 0

2. แรงดนั ไฟฟาตกครอ มทางดา นอนิ พุตจะมคี า เทา กบั ศูนย Vd = V2-V1 = 0 หรอื V1 = V2 5. คุณสมบตั ิทางไฟฟากระแสตรงของไอซีออปแอมป 5.1 กระแสไบแอสทางอินพุต (Input Bias Current : IB) เปนกระแสไฟฟาท่ีไหลเขาหรือออกจากขาใชงานทางดานอินพุต 2 ขา ไดแกขาไมกลับเฟส (Non Inverting Input : \"+\") และขากลับเฟส (Inverting Input : \"-\") ซ่งึ ทางอดุ มคติจะมคี า เทา กับศูนย เน่อื งจากคา ความ ตานทานทางดานอินพุตมีคาสูงมากเปนอนันต แตในทางปฏิบัติแลวยังคงมีกระแสไบแอสทางดานอินพุตจำนวน เล็กนอ ยทขี่ าทางดา นอนิ พุตทัง้ 2 ขา IB(-) IB(+) Vo ภาพที่ 8 กระแสไบแอสทางอินพุต โดยสามารถคำนวณหาคากระแสไบแอสทางดา นอินพุตไดจากสมการ IB = IB(-) + IB(+) 2 5.2 กระแสออฟเซต็ อินพตุ (Input Offset Current : Ios) เปนกระแสท่เี กิดจากคา ความแตกตางของกระแสไฟฟาทีข่ าอินพุตทงั้ สองขา ขนาดของกระแสออฟเซ็ตจะมี คามากหรือนอยจะขึ้นอยูกับคาของกระแสไบแอสอินพุต ซ่ึงออปแอมปท่ีมีคุณภาพดีจะมีคาของกระแสออฟเซ็ตต่ำ โดยคากระแสออฟเซต็ ของออปแอมปท รานซิสเตอร มคี า ประมาณ 200 nA และออปแอมปเ ฟต มีคาประมาณ 10 pA โดยสามารถคำนวณหาคา กระแสออฟเซ็ตอนิ พุตไดจ ากสมการ Iio = IB(+) - IB(-) 5.3 แรงดันออฟเซ็ตอนิ พุต (Input Offset Voltage : Vios) เปนแรงดันไฟฟาขนาดเล็กที่เกิดขึ้นที่อินพุต จึงทำใหคาแรงดันไฟฟาท่ีเอาตพุตไมเทากับศูนย จึงตองทำ การเพม่ิ แรงดันออฟเซต็ เขา ไปทางดา นอินพุต เพอ่ื ทำใหเอาตพ ุตมคี าเปนศูนย Vios Vo = 0V V2 V1 ภาพท่ี 9 แรงดนั ออฟเซต็ ทอี่ นิ พุต

โดยสามารถคำนวณหาคา แรงดนั ออฟเซ็ตอินพุตไดจ ากสมการ Vios = V1 - V2 5.4 แรงดนั ออฟเซ็ตเอาตพ ุต (Total Output Offset Voltage : VoT) แรงดันออฟเซ็ตเอาตพุตเกิดข้ึนไดจากผลของอนิ พุต 2 ประการ คอื คา กระแสไบแอสทางดานอินพุต (IB) และคาแรงดนั ออฟเซ็ตอนิ พตุ (Vios) ซ่งึ สามารถทำการปรับแตงคา แรงดันออฟเซต็ เอาตพ ุต ไดด งั ภาพที่ 10 Rf = 10K +10 V VR1 = 10K R1 = 1K 2 7 15 6 Vo = 0V Vi = 0V 3 R2 = 1K 4 -10 V ภาพท่ี 10 วงจรใชง านการปรบั แรงดนั ออฟเซต็ 6. คุณสมบตั ิทางไฟฟากระแสสลบั ของไอซอี อปแอมป 6.1 คณุ สมบัติเชงิ ความถ่ี (Bandwidth : BW) เปนตวั กำหนดความสามารถการทำงานของออปแอมป ซ่ึงบอกถงึ ความสัมพันธระหวางอัตราขยายแรงดัน (A) และความถ่ขี องสญั ญาณอนิ พตุ (f) ดงั แสดงในภาพที่ 11 Voltage Gain (dB) +120 dB Op Amp Open Loop +100 dB Frequency Response +80 dB +60 dB ft +40 dB 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M +20 dB Frequency (Hz) 0 dB -20 dB ภาพที่ 11 กราฟแสดงคุณสมบัตเิ ชิงความถีใ่ นลปู เปด ของออปแอมป

6.2 อัตราสลวู  (Slew Rate : SR) อัตราการเปลี่ยนแปลงสงู สดุ ของแรงดนั เอาตพุตเทียบกบั เวลาหรอื ความเรว็ ในการทำงานของออปแอมป ท่ี เอาตพุตเมือ่ ไดรบั สัญญาณทางอินพตุ ดงั แสดงในภาพท่ี 12 +V +5V SR V T(uS) 0V -5V Input -V 5 t 15 25 35 45 55 Output ภาพท่ี 12 สัญญาณท่เี กิดจากการทำงานของออปแอมป โดยสามารถคำนวณหาคา อตั รสลวู ไดจากสมการ SR = Vout (max) t กจิ กรรมทายหนวยการเรยี นรทู ี่ 1 1. ใหน ักศกึ ษาทำการคนหาเอกสารขอมูล (Datasheet) ของไอซีออปแอมปเ บอร LM741 พรอมทง้ั ทำการวาด ภาพวงจรภายใน (Schematic Diagram)