การทำงานของอุปกรณ์ขยายสัญญาณแบบโอเปอร์เรชัน (O-Pamp)

อุปกรณ์ขยายสัญญาณทำงานอย่างไร?

อุปกรณ์ขยายสัญญาณ (Op-Amp) เป็นชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่มีการรวมเข้าด้วยกันอย่างมากและถูกใช้งานอย่างกว้างขวางในวงจรเพื่อการขยายสัญญาณ การกรอง การหาปริพันธ์ การหาอนุพันธ์ และการประยุกต์ใช้อื่นๆ หน้าที่หลักของมันคือการขยายความแตกต่างของแรงดันระหว่างสองขาป้อนเข้า นี่คือคำอธิบายว่าอุปกรณ์ขยายสัญญาณทำงานอย่างไรและแนวคิดสำคัญ:

1. โครงสร้างพื้นฐาน

• อุปกรณ์ขยายสัญญาณโดยทั่วไปมีห้าขา:

• ขาป้อนเข้าบวก (V+): ขาป้อนเข้าบวก.

• ขาป้อนเข้าลบ (V−): ขาป้อนเข้าลบ.

• ขาออก (Vout ): สัญญาณออกที่ได้รับการขยาย.

• แหล่งจ่ายไฟบวก (Vcc ): แรงดันไฟฟ้าแหล่งจ่ายบวก.

• แหล่งจ่ายไฟลบ (Vee ): แรงดันไฟฟ้าแหล่งจ่ายลบ.

2. หลักการทำงาน

สมมติฐานสำหรับอุปกรณ์ขยายสัญญาณแบบอุดมคติ

• การขยายสัญญาณไม่จำกัด: ในทางทฤษฎี อัตราการขยายสัญญาณ A ของ Op-Amp มีค่าไม่จำกัด.

• ความต้านทานขาป้อนเข้าไม่จำกัด: ความต้านทานขาป้อนเข้า Rin ไม่จำกัด หมายความว่ากระแสไฟฟ้าขาป้อนเข้าเกือบเป็นศูนย์.

• ความต้านทานขาออกเป็นศูนย์: ความต้านทานขาออก Rout เป็นศูนย์ หมายความว่ากระแสไฟฟ้าขาออกสามารถใหญ่เท่าใดก็ได้โดยไม่กระทบต่อแรงดันขาออก.

• แบนด์วิธไม่จำกัด: ในทางทฤษฎี Op-Amp สามารถทำงานได้ที่ทุกความถี่โดยไม่มีข้อจำกัด.

ลักษณะของอุปกรณ์ขยายสัญญาณจริง

• การขยายสัญญาณจำกัด: ในทางปฏิบัติ อัตราการขยายสัญญาณ A ของ Op-Amp มีค่าจำกัด โดยทั่วไปอยู่ระหว่าง 10^5 ถึง 10^6.

• ความต้านทานขาป้อนเข้าจำกัด: ความต้านทานขาป้อนเข้าจริงไม่จำกัดแต่สูงมาก (ระดับเมกะโอห์ม).

• ความต้านทานขาออกไม่เป็นศูนย์: ความต้านทานขาออกจริงไม่เป็นศูนย์แต่ต่ำมาก.

• แบนด์วิธจำกัด: แบนด์วิธจริงของ Op-Amp มีข้อจำกัด โดยทั่วไปอยู่ระหว่างหลายร้อยกิโลเฮิรตซ์ถึงเมกะเฮิรตซ์.

3. โหมดการทำงานพื้นฐาน

การกำหนดค่าแบบวงจรเปิด

การขยายสัญญาณแบบวงจรเปิด: ในการกำหนดค่าแบบวงจรเปิด อัตราการขยายสัญญาณ A ของ Op-Amp จะขยายแรงดันขาป้อนเข้าแบบผลต่างตรง.

ภาวะอิ่มตัว: เนื่องจากอัตราการขยายสัญญาณ A สูง แม้จะมีแรงดันขาป้อนเข้าแบบผลต่างเล็กน้อย ก็สามารถทำให้แรงดันขาออกถึงขีดจำกัดของแรงดันแหล่งจ่ายไฟ (เช่น Vcc หรือ Vee ).

การกำหนดค่าแบบวงจรป้อนกลับ

วงจรป้อนกลับลบ: โดยการนำวงจรป้อนกลับลบมาใช้ สามารถควบคุมอัตราการขยายสัญญาณของ Op-Amp ให้ทำงานอยู่ในขอบเขตที่เหมาะสม.

วงจรป้อนกลับลบ: วงจรป้อนกลับลบทั่วไปประกอบด้วยวงจรขยายสัญญาณแบบกลับ วงจรขยายสัญญาณแบบไม่กลับ และวงจรขยายสัญญาณแบบผลต่าง.

เสมือนสั้นและเสมือนเปิด: ในวงจรป้อนกลับลบ แรงดันที่สองขาป้อนเข้าของ Op-Amp เกือบเท่ากัน (เสมือนสั้น) และกระแสไฟฟ้าขาป้อนเข้าเกือบเป็นศูนย์ (เสมือนเปิด).

4. วงจรประยุกต์ใช้ทั่วไป

วงจรขยายสัญญาณแบบกลับ

โครงสร้างวงจร: สัญญาณขาเข้าถูกป้อนผ่านตัวต้านทาน R1 ไปยังขาป้อนเข้าลบ V− และตัวต้านทานป้อนกลับ Rf เชื่อมโยงขาออก Vout ไปยังขาป้อนเข้าลบ V−.

Vout ไปยังขาป้อนเข้าลบ V−.

วงจรขยายสัญญาณแบบไม่กลับ

โครงสร้างวงจร: สัญญาณขาเข้าถูกป้อนผ่านตัวต้านทาน R1 ไปยังขาป้อนเข้าบวก V+ และตัวต้านทานป้อนกลับ Rf เชื่อมโยงขาออก Vout ไปยังขาป้อนเข้าลบ V−.

วงจรขยายสัญญาณแบบผลต่าง

โครงสร้างวงจร: สัญญาณขาเข้าสองสัญญาณถูกป้อนไปยังขาป้อนเข้าบวก V+ และขาป้อนเข้าลบ V− และตัวต้านทานป้อนกลับ Rf เชื่อมโยงขาออก V out ไปยังขาป้อนเข้าลบ V−.

5. สรุป

อุปกรณ์ขยายสัญญาณทำงานโดยการขยายความแตกต่างของแรงดันระหว่างสองขาป้อนเข้า โดยอาศัยหลักการทำงานที่มีอัตราการขยายสัญญาณสูงและการป้อนกลับลบ ด้วยการใช้วงจรที่แตกต่างกัน Op-Amp สามารถทำงานได้หลากหลาย เช่น การขยายสัญญาณ การกรอง การหาปริพันธ์ และการหาอนุพันธ์ การเข้าใจหลักการทำงานและวงจรประยุกต์ใช้ทั่วไปของ Op-Amp เป็นสิ่งจำเป็นในการออกแบบและแก้ไขปัญหาของระบบอิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ