L004_การออกแบบวงจร Current Amplifier_(13p)

UL-4 (3127-2005) การควบคุมการเคลือนทแี ละตาํ แหน่ง (Motion and Position Control) การออกแบบวงจรขยายสัญญาณในรูปแบบของกระแส (Current Amplifier) การออกแบบวงจรทางดา้ นอิเล็กทรอนิกส์ ในบทนีจะขอกล่าวถึงวงจรขยายสัญญาณใน รูปแบบของกระแส หรือทีเรียกว่า “Current Amplifier” นะครับ โดยจะกล่าวถึงพืนฐานของ วงจรขยายสัญญาณแบบกระแส ซึงจะแบ่งวงจรออกเป็ น 2 แบบนะครับ คือ วงจรขยายสัญญาณ กระแสแบบกลบั เฟส และวงจรขยายสัญญาณกระแสแบบไม่กลบั เฟส โดยจะขอกล่าวถึงสมการ ของแต่ละวงจรว่ามีสมการอะไรบ้างทีจะนาํ ไปใช้ในการออกแบบวงจร เพือให้ไดผ้ ลตามทีเรา ตอ้ งการนะครับ พร้อมกนั นนั ก็จะทาํ การทดสอบผลการทาํ งานของวงจรควบคูไ่ ปดว้ ย เพือทีจะได้ เป็นการยนื ยนั วา่ วงจรทีเรากาํ ลงั ศึกษาและออกแบบอยนู่ ีใหผ้ ลตรงตามทีเราตอ้ งจริงหรือไม่ ก่อนที จะนาํ ไปสร้างเพือประยุกตใ์ ชง้ านจริงตอ่ ไปนนั เองครับ…. โดยวงจรขยายสัญญาณแบบกระแส ทงั 2 แบบ ทีจะนาํ เสนอในบทความนี ทางคณะผูเ้ ขียนจะขอเลือกใช้ออปแอมป์ เบอร์ LF411 มาใช้ ในการออกแบบและทดสอบวงจรครับ มาเริมตน้ กนั เลยนะครับ โดยลาํ ดบั แรกก็จะมาดูวงจรขยาย สญั ญาณกระแสแบบกลบั เฟสกนั ก่อนนะครับ…. อาจารยธ์ นนั ต์ ศรีสกลุ 4-1

4.1) ความรู้พืนฐานเกยี วกบั การออกแบบวงจรขยายสัญญาณกระแสแบบกลบั เฟส วงจรขยายสัญญาณกระแสแบบกลับเฟส หรื อทีเรี ยกว่า “Inverting Current Mode Amplifier” ในทีนีนันจะเป็ นการนําอุปกรณ์ทางอิเล็กทรอนิกส์มาสร้าง ซึงตัวอุปกรณ์นันก็คือ ออปแอมป์ นนั เองครับ ตามทีไดก้ ล่าวมาในตอนตน้ คือเราจะใช้ออปแอมป์ เบอร์ LF411 มาใช้ใน การออกแบบและทดสอบวงจรนีครับ เริมตน้ กนั เลยนะครับ ถา้ เราทาํ การพิจารณาวงจร ในรูปที 1 รูปที 1 แสดงลกั ษณะของวงจรขยายสญั ญาณกระแสแบบกลบั เฟส ทีใชท้ ดสอบผลของสมการที 1 โดยเมือทําการวิเคราะห์ทีขัวอินพุททังสองของออปแอมป์ เราก็จะพบว่าวงจรทีเรา วเิ คราะห์นีจะมีความสมั พนั ธ์เป็นไปดงั สมการที 1 V1 Vout  R2  Iin …..(1) ซึงผลการทดสอบวงจรขยายสัญญาณกระแสแบบกลบั เฟสทีใชท้ ดสอบผลของสมการที 1 ไดแ้ สดงไวใ้ นรูปที 2 โดยจะเห็นวา่ ผลการทดสอบทีไดน้ นั เป็ นไปตามสมการครับ ซึงค่าทีไดจ้ าก การนาํ ผลการทดสอบมาแทนลงในสมการที 1 จะไดเ้ ท่ากบั 13.996V 14V โดยไดท้ าํ การแสดง วธิ ีการแทนคา่ และการคาํ นวณดงั ตอ่ ไปนี V1 Vout  R2  Iin อาจารยธ์ นนั ต์ ศรีสกลุ 4-2

(13.34mV )  (14.01V )  7k  2mA 13.996V  14V รูปที 2 ผลการทดสอบวงจรขยายสญั ญาณกระแสแบบกลบั เฟส ทีใชท้ ดสอบผลของสมการที 1 ทีนีมาดูกนั ต่อนะครับ โดยในรูปที 3 ถา้ เราทาํ การพจิ ารณาและทาํ การวเิ คราะห์จากวงจร รูปที 3 แสดงลกั ษณะของวงจรขยายสัญญาณกระแสแบบกลบั เฟส 4-3 ทีใชท้ ดสอบผลของสมการที 2 และสมการที 3 อาจารยธ์ นนั ต์ ศรีสกลุ

เรากจ็ ะพบวา่ วงจรทีเราวเิ คราะห์นีจะมีความสัมพนั ธ์เป็นไปดงั สมการที 2 และสมการที 3 Vout  VL  R1  Iout …..(2)  Vout  R1  Iout  VL …..(3) ซึงผลการทดสอบวงจรขยายสัญญาณกระแสแบบกลบั เฟสทีใชท้ ดสอบผลของสมการที 2 และสมการที 3 ไดแ้ สดงไวใ้ นรูปที 4 รูปที 4 ผลการทดสอบวงจรขยายสญั ญาณกระแสแบบกลบั เฟส ทีใชท้ ดสอบผลของสมการที 2 และสมการที 3 ซึงผลการทดสอบวงจรขยายสัญญาณกระแสแบบกลบั เฟสทีใชท้ ดสอบผลของสมการที 2 และสมการที 3 ไดแ้ สดงไวใ้ นรูปที 4 โดยจะเห็นวา่ ผลการทดสอบทีไดน้ นั เป็นไปตามสมการครับ ซึงค่าทีไดจ้ ากการนาํ ผลการทดสอบมาแทนลงในสมการที 2 จะได้เท่ากบั 13.996V  14V โดยไดท้ าํ การแสดงวธิ ีการแทนค่าและการคาํ นวณดงั ตอ่ ไปนี Vout  VL  R1  Iout (14.01V )  (14mV )  1k  (14mA) 13.996V  14V อาจารยธ์ นนั ต์ ศรีสกลุ 4-4

และค่าทีได้จากการนาํ ผลการทดสอบในรูปที 4 มาแทนลงในสมการที 3 จะได้เท่ากบั 14.01V  13.986V โดยจะเห็นวา่ ผลการทดสอบทีไดน้ ันเป็ นไปตามสมการครับ โดยไดท้ าํ การแสดงวธิ ีการแทนคา่ และการคาํ นวณดงั ต่อไปนี  Vout  R1  Iout  VL 14.01V  1k (14mA) 14mV 14.01V  13.986V เป็ นอย่างไรบา้ งครับจากการทดสอบวงจรทีผ่านมา ก็มาดูกนั ต่อเลยนะครับ ทีนีมาดูใน เรืองของคุณสมบตั ิของออปแอมป์ ทีนาํ มาสร้างวงจรขยายสัญญาณกระแสแบบกลบั เฟส ทีเราจะ กล่าวถึงอีกสมการทีขาดไปไม่ไดก้ ค็ ือสมการที 4 Vin  V1 VL  0 …..(4) ซึงในรูปที 5 ถา้ เราทาํ การพิจารณาและทาํ การวเิ คราะห์จากวงจร เราก็จะพบว่าวงจรทีเรา วเิ คราะห์นีจะมีความสัมพนั ธ์เป็นไปดงั สมการที 4 รูปที 5 แสดงลกั ษณะของวงจรขยายสัญญาณกระแสแบบกลบั เฟส ทีใชท้ ดสอบผลของสมการที 4 โดยผลการทดสอบคุณสมบตั ิของออปแอมป์ ทีนาํ มาสร้างวงจรขยายสัญญาณกระแสแบบ กลบั เฟสทีใชท้ ดสอบผลของสมการที 4 ไดแ้ สดงไวใ้ นรูปที 6 อาจารยธ์ นนั ต์ ศรีสกลุ 4-5

รูปที 6 ผลการทดสอบวงจรขยายสญั ญาณกระแสแบบกลบั เฟส ทีใชท้ ดสอบผลของสมการที 4 ซึงผลการทดสอบวงจรขยายสัญญาณกระแสแบบกลบั เฟสทีใชท้ ดสอบผลของสมการที 4 ทีไดแ้ สดงไวใ้ นรูปที 6 โดยจะเห็นวา่ ผลการทดสอบทีไดน้ นั เป็ นไปตามสมการครับ ซึงคา่ ทีไดจ้ าก การนาํ ผลการทดสอบมาแทนลงในสมการที 4 จะไดเ้ ท่ากบั Vin  0.0006V  0V โดยได้ทาํ การ แสดงวธิ ีการแทนค่าและการคาํ นวณดงั ต่อไปนี Vin  V1 VL  0 Vin  (13.34mV )  (14mV )  0 Vin  (13.34mV )  (14mV )  0 Vin  0.0006V  0V ทีนีขอยอ้ นกลบั ไปดูในส่วนของสมการที 3 และสมการที 4 นะครับ ถา้ เรานาํ วิเคราะห์ โดยนาํ ไปแทนลงในสมการที 1 กจ็ ะไดเ้ ป็นสมการที 5 ดงั นีครับ V1 Vout  R2  Iin …..(5) V1   R1  Iout   VL   R2  Iin  V1 VL  R1  Iout  R2  Iin   R1  Iout  R2  Iin อาจารยธ์ นนั ต์ ศรีสกลุ 4-6

และจากสมการที 5 ทีเราได้มานัน ถ้าเราจะเขียนสมการเพือให้แสดงถึงค่าของกระแส เอาทพ์ ุต (Iout ) ทีจะไดจ้ ากวงจรขยายสัญญาณกระแสแบบกลบั เฟส ก็สามารถทีจะเขียนสมการได้ ดงั สมการที 6 นนั เองครับ คือ I out   R2  …..(6)  R1   Iin   โดยในรูปที 7 ถา้ เราทาํ การพิจารณาและทาํ การวิเคราะห์จากวงจร เราก็จะพบวา่ วงจรที เราวเิ คราะห์นีจะมีความสมั พนั ธ์เป็นไปดงั สมการที 5 และสมการที 6 รูปที 7 แสดงลกั ษณะของวงจรขยายสญั ญาณกระแสแบบกลบั เฟส ทีใชท้ ดสอบผลของสมการที 5 ซึงผลการทดสอบวงจรขยายสัญญาณกระแสแบบกลบั เฟสทีใชท้ ดสอบผลของสมการที 5 ทีไดแ้ สดงไวใ้ นรูปที 8 อาจารยธ์ นนั ต์ ศรีสกลุ 4-7

รูปที 8 ผลการทดสอบวงจรขยายสญั ญาณกระแสแบบกลบั เฟส ทีใชท้ ดสอบผลของสมการที 5 ซึงผลการทดสอบวงจรขยายสัญญาณกระแสแบบกลบั เฟสทีใชท้ ดสอบผลของสมการที 5 ทีไดแ้ สดงไวใ้ นรูปที 8 โดยจะเห็นวา่ ผลการทดสอบทีไดน้ นั เป็ นไปตามสมการครับ ซึงคา่ ทีไดจ้ าก การนาํ ผลการทดสอบมาแทนลงในสมการที 5 จะไดเ้ ทา่ กบั 14V 14V โดยไดท้ าํ การแสดงวธิ ีการ แทนคา่ และการคาํ นวณดงั ตอ่ ไปนี   R1  Iout  R2  Iin  1k (14mA)  7k  2mA 14V  14V และในส่วนของผลการทดสอบวงจรขยายสัญญาณกระแสแบบกลบั เฟสทีใชท้ ดสอบผล ของสมการที 6 ทีไดแ้ สดงไวใ้ นรูปที 8 ซึงก็จะเห็นอีกวา่ ผลการทดสอบทีไดน้ นั เป็ นไปตามสมการ อีกเช่นกันครับ ซึงค่าทีได้จากการนําผลการทดสอบมาแทนลงในสมการที 6 จะได้เท่ากับ 14mA  14mA โดยไดท้ าํ การแสดงวธิ ีการแทนคา่ และการคาํ นวณดงั ตอ่ ไปนี I out  R2    R1   Iin   14mA    7k   2mA  1k  14mA  14mA อาจารยธ์ นนั ต์ ศรีสกลุ 4-8

เป็ นอยา่ งไรบา้ งครับพอทีจะเขา้ ใจถึงการพิจารณาวงจรและการวิเคราะห์วงจรกนั มากขึน แลว้ ใช้ไหมครับ ทีนีเรามาดูสมการที 6 กนั อีกสักนิดนะครับ ถา้ เรามาทาํ การพิจารณาดูให้ดีก็จะ เห็นวา่ วงจรขยายสัญญาณกระแสแบบกลบั เฟสนีจะมีค่าของอตั ราการขยายกระแสทีขึนอยกู่ บั ค่า ของตวั ตา้ นทาน R1 และ R2 ซึงจะมีทิศทางการไหลของกระแสเอาทพ์ ุตทีตรงกนั ขา้ มกบั ทิศทาง ของกระแสอินพตุ ทีป้อนเขา้ ไปนนั เองครับ ** นอกจากนีถา้ เราทาํ การออกแบบวงจรโดยทาํ การกาํ หนดใหค้ ่าของตวั ตา้ นทาน R1 และ R2 มีคา่ ทีเทา่ กนั ก็จะพบวา่ คา่ ของกระแสเอาทพ์ ตุ จะมีคา่ เท่ากบั คา่ ของกระแสอินพตุ (Iout  Iin) แต่จะพบวา่ ทิศทางการไหลของกระแสนนั มีทิศทางทีตรงกนั ขา้ มกนั ครับ ซึงจากผลทีไดน้ ีก็จะเป็ น ลกั ษณะของวงจรทีเรียกวา่ วงจรสะทอ้ นกระแส (Current Mirror) นนั เองครับ ดงั ทีไดแ้ สดงไวใ้ น รูปที 9 รูปที 9 แสดงลกั ษณะของวงจรสะทอ้ นกระแส (Current Mirror) และผลการทดสอบ เมือตวั ตา้ นทาน R1 และ R2 มีคา่ ทีเทา่ กนั ซึงจะเห็นวา่ วงจรไดก้ าํ หนดให้ R1  R2 1k โดยมีค่าของกระแสอินพุตทีป้อนให้กบั วงจรมีค่าเท่ากบั 2mA ซึงเราจะพบว่าค่าของกระแสเอาท์พุตทีได้นันมีค่าเท่ากนั แต่มีทิศทางที ตรงกนั ขา้ มกนั คือกระแสไหลยอ้ นกลบั 2mA หรือก็คือ (2mA) นนั เองครับ โดยจากการทดสอบ ก็จะเห็นไดว้ า่ เป็นไปตามทีไดอ้ อกแบบครับ อาจารยธ์ นนั ต์ ศรีสกลุ 4-9

ส่วนวงจรขยายสัญญาณแบบกระแสอีกแบบทีจะนาํ เสนอในบทความนีก็คือ วงจรขยาย สัญญาณกระแสแบบไม่กลบั เฟส ซึงทางคณะผเู้ ขียนก็จะขอเลือกใช้ออปแอมป์ เบอร์ LF411 มาใช้ ในการออกแบบและทดสอบวงจรอีกเช่นกนั นะครับ มาดูกนั เลยนะครับ 4.2) ความรู้พืนฐานเกยี วกบั การออกแบบวงจรขยายสัญญาณกระแสแบบไม่กลบั เฟส วงจรขยายสัญญาณกระแสแบบไม่กลบั เฟส หรือทีเรียกวา่ “Non-Inverting Current Mode Amplifier” นนั เป็นการนาํ อุปกรณ์ทางอิเล็กทรอนิกส์มาสร้างอีกเช่นกนั ซึงตวั อุปกรณ์ทีนาํ มาใชใ้ น การสรางวงจรนนั ก็คือ ออปแอมป์ นนั เอง ถา้ เรามาทาํ การพิจารณาวงจรดงั แสดงในรูปที 10 รูปที 10 ลกั ษณะของวงจรและผลการทดสอบวงจรขยายสัญญาณกระแสแบบไม่กลบั เฟส ทีใชท้ ดสอบผลของสมการที 7 และสมการที 8 ซึงเมือมาทาํ การวิเคราะห์วงจรซึงใช้คุณสมบตั ิของออปแอมป์ เราก็จะพบวา่ วงจรทีเรา วเิ คราะห์นีจะมีความสมั พนั ธ์เป็นไปดงั สมการที 7 และสมการที 8 ดงั ตอ่ ไปนี VR1  VR2 …..(7) IR1  R1  IR2  R2 …..(8) ซึงจะเห็นไดว้ า่ ผลการทดสอบวงจรขยายสัญญาณกระแสแบบไม่กลบั เฟสทีใชท้ ดสอบผล ของสมการที 7 และสมการที 8 ทีไดแ้ สดงไวใ้ นรูปที 10 นนั โดยจะเห็นวา่ ผลการทดสอบทีไดน้ นั อาจารยธ์ นนั ต์ ศรีสกลุ 4-10

เป็ นไปตามสมการครับ ซึงค่าทีได้จากการนําผลการทดสอบมาแทนลงในสมการที 7 และ สมการที 8 จะไดเ้ ทา่ กบั 14V 14V โดยไดท้ าํ การแสดงวธิ ีการแทนค่าและการคาํ นวณดงั ตอ่ ไปนี VR1  VR2 IR1  R1  IR2  R2 14mA1k  2mA 7k 14V  14V และในรูปที 11 ถา้ เราทาํ การพิจารณาและทาํ การวเิ คราะห์จากวงจร เราก็จะพบวา่ วงจรที เราวเิ คราะห์นีจะมีความสมั พนั ธ์เป็นไปดงั สมการที 9 และสมการที 10 รูปที 11 ลกั ษณะของวงจรและผลการทดสอบวงจรขยายสญั ญาณกระแสแบบไม่กลบั เฟส ทีใชท้ ดสอบผลของสมการที 9 และสมการที 10 และถ้านําค่าทีไดจ้ ากการนําผลการทดสอบในรูปที 11 มาทาํ การแทนลงในสมการที 9 กจ็ ะไดเ้ ท่ากบั 14V 14V โดยไดท้ าํ การแสดงวธิ ีการแทนค่าและการคาํ นวณดงั ตอ่ ไปนี  R1  Iout  Iin  R2  Iin …..(9) 1k (16mA)  2mA)  7k  2mA 14V  14V อาจารยธ์ นนั ต์ ศรีสกลุ 4-11

และจากสมการที 9 นนั ถา้ เรามาทาํ การเขียนสมการเพือใหแ้ สดงถึงค่าของกระแสเอาทพ์ ุต (Iout ) ทีจะไดจ้ ากวงจรขยายสัญญาณกระแสแบบไม่กลบั เฟส ก็สามารถทีจะเขียนสมการไดด้ งั สมการที 10 คือ  R1  Iout  Iin  R2  Iin  Iout  Iin   R2  Iin   R1    I out   R2  Iin  Iin  R1    I out  Iin  R2  …..(10)  1  R1    โดยจะเห็นวา่ ผลการทดสอบทีไดน้ นั เป็ นไปตามสมการครับ ซึงค่าทีไดจ้ ากการนาํ ผลการ ทดสอบมาแทนลงในสมการที 10 จะไดเ้ ท่ากบั 16mA 16mA โดยไดท้ าํ การแสดงวิธีการแทนค่า และการคาํ นวณดงั ตอ่ ไปนี I out  Iin  R2   1  R1    16mA  2mA  1  7k  1k  16mA  2mA 1 7 16mA  2mA 8 16mA  16mA และจากสมการที 10 ถา้ เรามาทาํ การพิจารณาดูเราก็จะเห็นวา่ วงจรขยายสัญญาณกระแส แบบไม่กลบั เฟสนีจะมีค่าของอตั ราการขยายกระแสเท่ากบั  R2  ซึงก็ยงั ขึนอยูก่ บั ค่าของตวั 1 R1    ตา้ นทาน R1 และ R2 ด้วยเช่นกนั และในส่วนของทิศทางการไหลของกระแสเอาท์พุตนนั ก็จะ เหมือนกบั ทิศทางการไหลของกระแสอินพตุ ทีป้อนเขา้ ไปนนั เองครับ เป็นอยา่ งไรบา้ งครับพอทีจะเขา้ ใจหลกั การการออกแบบวงจรขยายสัญญาณกระแสกนั บา้ ง แลว้ ใช่ไหมครับ วา่ วงจรแบบนีนนั จะตอ้ งมีการพิจารณาและวิเคราะห์อยา่ งไร ก่อนทีจะนาํ สูตร ตา่ งๆ ไปใชง้ านไดอ้ ยา่ งถูกตอ้ งต่อไป ซึงในบทความนีจะเนน้ ในส่วนของสมการของแตล่ ะวงจรวา่ มีสมการทีไดแ้ สดงไวน้ นั จะให้ผลตรงตามกบั ทีออกแบบวงจรจริงหรือไม่ ซึงก็ไดท้ าํ การทดสอบ ผลการทาํ งานของวงจรใหเ้ ห็นควบคู่ไปดว้ ย เพือทีจะไดเ้ ป็นการยืนยนั วา่ วงจรทีเรากาํ ลงั ศึกษาและ อาจารยธ์ นนั ต์ ศรีสกลุ 4-12

ออกแบบอยนู่ ีให้ผลตรงตามทีเราตอ้ งจริง ก่อนทีจะนาํ ไปสร้างเพือประยุกตใ์ ชง้ านจริงต่อไปครับ ซึงในการนาํ ไปใช้งานจริงนนั ผูท้ ีจะทาํ การออกแบบก็ตอ้ งพิจารณาในส่วนของตวั อุปกรณ์ออป แอมป์ ทีจะนํามาใช้งานด้วยนะครับ ว่าออปแอมป์ เบอร์ทีนาํ มาใช้งานนันมีค่าของกระแสทาง เอาทพ์ ุต (Output Current) สูงสุดเท่าไร และค่าของกระแสทางเอาทพ์ ุตทีไดจ้ ากออปแอมป์ เบอร์นนั จะให้ค่าของกระแสมากพอหรือตรงตามทีเราตอ้ งการหรือไม่ ซึงในส่วนนีก็คงจะตอ้ งไปหาขอ้ มูล ของออปแอมป์ ในแต่ละเบอร์ดูนะครับ **************************** อาจารยธ์ นนั ต์ ศรีสกลุ 4-13