Chapter 2 Inverting and Noninverting Amp

หนวยการเรียนรทู ี่ 2 วงจรขยายสญั ญาณแบบกลบั เฟสและแบบไมกลบั เฟส 1. การขยายสญั ญาณของออปแอมป การขยายสัญญาณของออปแอมปน ้ัน เม่ือทำการตอแบบลูปเปด (Open loop) ออปแอมปจะมีอัตราการ ขยายแรงดนั สงู มาก ซึ่งทางอุดมคตินั้นอัตราขยายแรงดนั สูงมากเปน \"อนนั ต\" หรอื มอี ตั ราขยายสงู มากกวา 100,000 เทา โดยคา แรงดันทางดา นเอาตพุตจะหาไดจากสมการ Vout = Av  Vi ตวั อยางท่ี 1 จงทำการหาคาแรงดันเอาตพุตเมอ่ื มีคาแรงดันอินพตุ เทากบั 1 มิลลโิ วลต และอตั ราขยายแรงดันเทากับ 100,000 เทา Vout = Av  Vi = 100,000  1 mV = (100 × 103)  (1 × 10-3) \\Vout = 100 V แตในความเปนจริงแลวแรงดันเอาตพุตที่ไดจะมีคาสูงสุดไมเกิน ของคาแรงดันไฟฟาที่แหลงจายไฟฟาจาย ใหก บั ออปแอมป โดยวงจรขยายสญั ญาณของออปแอมปป ระกอบดว ยวงจรขยายแบบกลบั เฟส (Inverting Amplifier) วงจรขยายแบบไมกลับเฟส (Non Inverting Amplifier) ดงั แสดงในภาพท่ี 1 (ก) และ (ข) 1 mV Vout 1 mV Vout +VMAX 0V 0V -VMAX (ก) (ข) ภาพท่ี 1 การขยายสัญญาณของวงจรขยายแบบกลบั เฟสและแบบไมก ลับเฟสของออปแอมปแบบลูปเปด 2. วงจรขยายแบบกลบั เฟส (Inverting Amplifier) เปนวงจรขยายท่ีมสี ญั ญาณเอาตพตุ กลบั เฟสกบั สัญญาณอินพตุ 180o ดังแสดงในภาพที่ 2 วงจรขยายแบบกลบั เฟส ซึ่งประกอบดวยไอซีออปแอมป ตัวตานทาน Ri ตอระหวางแหลงจายอินพุตกับขาอินพุตกลับเฟส (Inverting Input) ของออปแอมป และตัวตานทาน Rf ตอระหวางขาอินพุตกลับเฟสกับเอาตพุตของออปแอมป ในลักษณะ ปอนกลับแบบลบ โดยขาอินพุตไมกลับเฟส (Non Inverting Input) ตอเขากบั จดุ อา งอิงหรอื กราวนด I2 Rf I1 Ri V1 0A Vo Vi V2 0V ภาพที่ 2 วงจรขยายสญั ญาณแบบกลับเฟส (Inverting Amplifier)

จากภาพท่ี 2 ทำการหาคาแรงดันทางดานเอาตพตุ (Voltage Output : Vo) โดยการใชกฎกระแสของเคอร ชอฟ (Kirchoff’s Current Law) หรือ KCL ทำการพิจารณาท่ีโนด V1 จะไดวา I1 = I2 Vi - V1 = V1 - Vo Ri Rf จากออปแอมปในอุดมคติ คา แรงดันที่ V1=V2=0 เมื่อขาอนิ พตุ ไมก ลบั เฟสตอ เขากบั จุดอา งอิง จะไดว า Vi = Vo Ri Rf หรือ แรงดนั ทางดา นเอาตพ ตุ (Voltage Output : Vo) หาไดจ ากสมการ Vo = Rf Vi Ri และอตั ราขยายแรงดัน (Voltage Gain : Av) สามารถหาไดจ ากสมการ Av = Vo หรือ Av = Rf Vi Ri ตัวอยา งที่ 2 จากวงจรขยายสญั ญาณแบบกลับเฟส ดงั แสดงในภาพท่ี 3 จงทำการหาคาของอัตราขยายแรงดนั และ คา แรงดันทีเ่ อาตพ ตุ Rf=1.5K Ri=1K Vi=50mV Vo ภาพที่ 3 วธิ ีทำ ทำการหาคาอตั ราขยายแรงดันไฟฟา จะไดว า Av = Rf = 1.5K = (1.5×103) = 1.5 เทา Ri 1K (1×103) ทำการหาคาแรงดนั ที่เอาตพ ุต Vo = Av × Vin = -1.5 × 50mV = -1.5 × (50×10-3) = -0.075V \\Vo = -75mV

3. วงจรขยายแบบไมก ลบั เฟส (Non Inverting Amplifier) เปนวงจรขยายที่มีสัญญาณเอาตพุตเฟสเดียวกับสัญญาณอินพุต ดังแสดงในภาพท่ี 4 ซึ่งประกอบดวยไอซี ออปแอมป ตัวตานทาน Ri ตอระหวางขาอินพุตกลับเฟส (Inverting Input) กับจุดอางอิง และตัวตานทาน Rf ตอ ระหวางขาอินพุตกลับเฟสกับเอาตพุตของออปแอมป ในลักษณะปอนกลับแบบลบ โดยขาอินพุตไมกลับเฟส (Non Inverting Input) ตอเขากบั แหลง จา ยอนิ พตุ Rf I2 I1 Ri V1 0A Vo V2 Vi ภาพที่ 4 วงจรขยายสัญญาณแบบไมก ลบั เฟส (Non Inverting Amplifier) จากภาพท่ี 4 ทำการหาคา แรงดันทางดานเอาตพตุ (Voltage Output : Vo) โดยการใชกฎกระแสของเคอร ชอฟ (Kirchoff’s Current Law) หรือ KCL ทำการพจิ ารณาที่โนด V1 จะไดว า I1 = I2 - V1 = V1 - Vo Ri Rf โดยแรงดันท่ี V1=V2=Vi จะไดว า - Vi = Vi - Vo Ri Rf หรือ แรงดันทางดา นเอาตพุต (Voltage Output : Vo) หาไดจ ากสมการ Vo = Rf +1 Vi Ri และอัตราขยายแรงดัน (Voltage Gain : Av) สามารถหาไดจ ากสมการ Av = Vo หรือ Av = Rf +1 Vi Ri ตัวอยางที่ 3 จากวงจรขยายสัญญาณแบบไมกลับเฟส ดังแสดงในภาพที่ 5 จงทำการหาคาของอัตราขยายแรงดัน และคาแรงดันท่ีเอาตพ ตุ Rf=1.5K Ri=1K Vo Vi=50mV ภาพที่ 5

วิธีทำ ทำการหาคาอัตราขยายแรงดันไฟฟา จะไดวา Av = Rf +1 = 1.5K +1 = (1.5×103) +1 = 1.5 + 1 = 2.5 เทา Ri 1K (1×103) ทำการหาคาแรงดนั ทเ่ี อาตพตุ กจิ กรรมทายหนว ยการเรียนรูที่ 2 Vo 1. จากวงจรขยายสญั ญาณดงั ภาพ จงทำการหาคา แรงดนั ทเี่ อาตพตุ 40K 20K V1 6V V2 2V