คุณจะสังเกตเห็นความแตกต่างที่สำคัญระหว่างวงจรขยายสัญญาณแบบกลับเฟสและไม่กลับเฟสในวิธีการเชื่อมต่ออินพุตและลักษณะการทำงานของเอาต์พุต นอกจากนี้ยังมีความแตกต่างในเฟสของเอาต์พุต สูตรการขยาย และอิมพีแดนซ์อินพุตที่แต่ละวงจรให้ คุณควรทราบความแตกต่างหลักเหล่านี้เพื่อเลือกการออกแบบที่ดี ความแตกต่างเหล่านี้จะเปลี่ยนแปลงวิธีการทำงานของวงจรและวิธีการวางแผนการออกแบบ PCB ของคุณ การเปรียบเทียบวงจรขยายสัญญาณแบบกลับเฟสและไม่กลับเฟสนี้จะช่วยให้คุณเลือกวงจรที่ดีที่สุดสำหรับโครงการของคุณ
ประเด็นที่สำคัญ
โอเปอเรชันแอมพลิฟายเออร์แบบกลับเฟสจะกลับสัญญาณอินพุต แต่โอเปอเรชันแอมพลิฟายเออร์แบบไม่กลับเฟสจะคงสัญญาณไว้เหมือนเดิม คุณควรใช้โอเปอเรชันแอมพลิฟายเออร์แบบกลับเฟสเมื่อต้องการผสมสัญญาณ โอเปอเรชันแอมพลิฟายเออร์แบบไม่กลับเฟสเหมาะสำหรับการบัฟเฟอร์และเมื่อต้องการอิมพีแดนซ์อินพุตสูง โอเปอเรชันแอมพลิฟายเออร์แบบไม่กลับเฟสมักสร้างสัญญาณรบกวนน้อยกว่า ดังนั้นจึงทำงานได้ดีในงานที่ต้องการความละเอียดอ่อน ควรตรวจสอบสูตรการขยายสัญญาณเสมอ โอเปอเรชันแอมพลิฟายเออร์แบบกลับเฟสใช้ Gain = -R2/R1 โอเปอเรชันแอมพลิฟายเออร์แบบไม่กลับเฟสใช้ Gain = 1 + (R2/R1) การออกแบบ PCB ที่ดีมีความสำคัญมาก ควรใช้เส้นทางเดินสัญญาณที่สั้นและแยกส่วนอนาล็อกและดิจิทัลออกจากกันเพื่อลดสัญญาณรบกวน
พื้นฐานเกี่ยวกับ op-amp
Op-Amp คืออะไร?
คุณจะเห็น ออปแอมป์ถูกใช้มากในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์โอเปอเรชันแอมพลิฟายเออร์ (Op-amp) เป็นแอมพลิฟายเออร์ชนิดพิเศษ ทำหน้าที่เพิ่มความแรงของสัญญาณแรงดันไฟฟ้า ใช้ในวงจรหลายประเภท และทำงานได้หลากหลาย โอเปอเรชันแอมพลิฟายเออร์มีขาอินพุตสองขา และขาเอาต์พุตหนึ่งขา เมื่อป้อนสัญญาณเข้าไป โอเปอเรชันแอมพลิฟายเออร์จะให้สัญญาณเอาต์พุตที่แรงขึ้น
หลักการสำคัญคือ วงจรขยายสัญญาณแบบออปแอมป์ใช้การป้อนกลับ การป้อนกลับหมายความว่าสัญญาณเอาต์พุตบางส่วนจะกลับไปยังอินพุต ซึ่งจะทำให้ออปแอมป์ทำงานได้อย่างเสถียรและถูกต้อง โดยส่วนใหญ่แล้วจะใช้การป้อนกลับเชิงลบ การป้อนกลับเชิงลบจะช่วยป้องกันไม่ให้สัญญาณเอาต์พุตมีขนาดใหญ่หรือผิดปกติมากเกินไป นอกจากนี้ยังมีกฎอีกข้อหนึ่งที่เรียกว่าวงจรลัดเสมือน ซึ่งหมายความว่าขาอินพุตทั้งสองมีแรงดันไฟฟ้าเกือบเท่ากัน ออปแอมป์จะไม่ดึงกระแสจากแหล่งสัญญาณของคุณ ด้วยเหตุผลเหล่านี้ คุณจึงสามารถใช้ออปแอมป์สำหรับงานคำนวณทางคณิตศาสตร์ได้ เช่น การบวก การลบ การอินทิเกรต และการหาอนุพันธ์ของสัญญาณ
ลักษณะสำคัญ
เมื่อคุณเลือกใช้ตัวขยายสัญญาณปฏิบัติการ ให้พิจารณาคุณสมบัติของมัน คุณสมบัติหลักคุณสมบัติเหล่านี้เป็นตัวกำหนดวิธีการทำงานของวงจรของคุณ ต่อไปนี้คือตารางแสดงคุณลักษณะที่สำคัญที่สุดของออปแอมป์:
ลักษณะเฉพาะ | ความคุ้มค่าในอุดมคติ | ช่วงมูลค่าที่แท้จริง | ผลกระทบต่อประสิทธิภาพของวงจร |
|---|---|---|---|
อัตราขยายแบบวงจรเปิด (Avo) | ∞ | เพื่อ 20,000 200,000 | ทำให้สัญญาณอินพุตมีขนาดใหญ่ขึ้น การเพิ่มอัตราขยายอาจช่วยได้ แต่ก็อาจทำให้เกิดปัญหาได้เช่นกัน |
อิมพีแดนซ์อินพุต (Zin) | ∞ | ไม่กี่พิโคแอมป์ถึงหลายมิลลิแอมป์ | อิมพีแดนซ์อินพุตสูงช่วยป้องกันการโหลดเกินพิกัด ซึ่งช่วยให้สัญญาณคงความถูกต้อง |
อิมพีแดนซ์เอาต์พุต (Vout) | 0 | 100Ω ถึง 20kΩ | อิมพีแดนซ์เอาต์พุตต่ำช่วยให้กระแสไฟฟ้าไหลไปยังโหลดได้มากขึ้น ซึ่งจะช่วยป้องกันไม่ให้แรงดันไฟฟ้าลดลง |
แบนด์วิดท์ (BW) | ∞ | จำกัดโดยผลคูณของอัตราขยายและแบนด์วิดท์ | แบนด์วิดท์กว้างช่วยให้ตัวขยายสัญญาณปฏิบัติการ (op-amp) สามารถทำงานได้กับความถี่หลายช่วง ซึ่งมีความสำคัญสำหรับสัญญาณ AC |
แรงดันออฟเซ็ต (Vin) | 0 | แรงดันออฟเซ็ตเอาต์พุตบางส่วน | ค่าชดเชยแรงดันที่น้อยนั้นดีสำหรับความแม่นยำ ช่วยให้เอาต์พุตคงที่ |
คำแนะนำ: ควรตรวจสอบค่าเหล่านี้ในเอกสารข้อมูลจำเพาะก่อนใช้งานออปแอมป์เสมอ การเลือกออปแอมป์ที่เหมาะสมจะช่วยให้วงจรของคุณทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด
การเปรียบเทียบ Op-Amp แบบกลับเฟสกับแบบไม่กลับเฟส
อินพุตและเอาต์พุต
เมื่อคุณ เปรียบเทียบการกลับสีและการไม่กลับสี วงจรขยายสัญญาณปฏิบัติการ (op-amp) นั้นมีวิธีการเชื่อมต่อที่แตกต่างกัน สำหรับวงจรขยายสัญญาณปฏิบัติการแบบกลับเฟส (inverting op-amp) สัญญาณจะเข้าสู่ขั้วลบ ส่วนขั้วบวกมักจะต่อกับกราวด์ สัญญาณที่ได้จะกลับเฟสเมื่อเทียบกับสัญญาณอินพุต สำหรับวงจรขยายสัญญาณปฏิบัติการแบบไม่กลับเฟส (non-inverting op-amp) สัญญาณจะเข้าสู่ขั้วบวก ส่วนขั้วลบจะต่อกับวงจรป้อนกลับหรือตัวแบ่งแรงดัน สัญญาณที่ได้จะตรงกับสัญญาณอินพุตและไม่กลับเฟส
คุณใช้ออปแอมป์แบบกลับเฟสเมื่อต้องการกลับสัญญาณ ส่วนออปแอมป์แบบไม่กลับเฟสเมื่อต้องการให้เฟสของเอาต์พุตคงเดิมเหมือนกับเฟสของอินพุต การตรวจสอบวิธีการเชื่อมต่ออินพุตและเอาต์พุตเป็นขั้นตอนแรกในการเปรียบเทียบออปแอมป์ทั้งสองประเภทนี้
เฟสและเกน
เฟสของสัญญาณเอาต์พุตมีความสำคัญมาก ในวงจรขยายสัญญาณแบบกลับเฟส (inverting op-amp) สัญญาณเอาต์พุตจะมีเฟสต่างจากสัญญาณอินพุต 180 องศา ถ้าสัญญาณอินพุตเพิ่มขึ้น สัญญาณเอาต์พุตจะลดลง ในวงจรขยายสัญญาณแบบไม่กลับเฟส (non-inverting op-amp) สัญญาณเอาต์พุตจะมีเฟสตรงกับสัญญาณอินพุต เมื่อสัญญาณอินพุตเพิ่มขึ้น สัญญาณเอาต์พุตก็จะเพิ่มขึ้นด้วย
คุณควรทราบสูตรการขยายสัญญาณสำหรับแต่ละประเภท การขยายสัญญาณจะบอกคุณว่าตัวขยายสัญญาณแบบออปแอมป์ทำให้สัญญาณของคุณใหญ่ขึ้นมากแค่ไหน ตารางต่อไปนี้แสดงสูตรการขยายสัญญาณสำหรับทั้งสองประเภท:
องค์ประกอบ | สูตรเพิ่มกำไร |
|---|---|
การสลับแอมพลิฟายเออร์ | อัตราขยาย = -R2/R1 |
แอมพลิฟายเออร์แบบไม่กลับด้าน | อัตราขยาย = 1 + (R2/R1) |
วงจรขยายสัญญาณแบบกลับเฟส (inverting op-amp) ให้กำลังขยายเป็นลบ ส่วนวงจรขยายสัญญาณแบบไม่กลับเฟส (non-inverting op-amp) ให้กำลังขยายเป็นบวกซึ่งอย่างน้อยที่สุดก็เท่ากับหนึ่ง ทั้งสองแบบสามารถให้กำลังขยายสูงได้ แต่การจัดเรียงตัวต้านทานจะเปลี่ยนผลลัพธ์
อิมพีแดนซ์และ CMRR
อิมพีแดนซ์เป็นความแตกต่างที่สำคัญอีกประการหนึ่ง ในออปแอมป์แบบกลับเฟส อิมพีแดนซ์อินพุตมาจากตัวต้านทานที่อินพุต ค่านี้มักจะไม่สูงมากนัก ในออปแอมป์แบบไม่กลับเฟส อิมพีแดนซ์อินพุตจะสูงกว่ามาก เกือบจะเป็นอนันต์เพราะขึ้นอยู่กับตัวออปแอมป์เอง อิมพีแดนซ์อินพุตสูงเป็นเรื่องดีเพราะไม่ทำให้แหล่งสัญญาณเกิดการโหลด
CMRR ย่อมาจาก Common-Mode Rejection Ratio (อัตราส่วนการปฏิเสธสัญญาณโหมดร่วม) มันแสดงให้เห็นว่าออปแอมป์สามารถละเว้นสัญญาณที่เหมือนกันทั้งสองอินพุตได้ดีแค่ไหน ออปแอมป์ทั้งสองประเภทสามารถมีค่า CMRR สูงได้ แต่ออปแอมป์แบบไม่กลับเฟสโดยทั่วไปมักทำงานได้ดีกว่าในวงจรจริง ซึ่งจะช่วยให้ได้สัญญาณที่สะอาดกว่า โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อต้องการอัตราขยายสูง
เสียงรบกวนและแรงดันไฟฟ้า
สัญญาณรบกวนสามารถทำให้สัญญาณผิดเพี้ยนได้ วงจรขยายสัญญาณแบบกลับเฟสจะรับสัญญาณรบกวนได้มากกว่า เนื่องจากกระแสอินพุตไหลผ่านตัวต้านทานและเพิ่มสัญญาณรบกวนเข้าไป วงจรขยายสัญญาณแบบไม่กลับเฟสมักจะมีสัญญาณรบกวนน้อยกว่า การจัดเรียงวงจรป้อนกลับช่วยลดสัญญาณรบกวนได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อมีอัตราขยายต่ำ
ตารางต่อไปนี้แสดงการเปรียบเทียบประสิทธิภาพการลดเสียงรบกวน:
องค์ประกอบ | ประสิทธิภาพเสียง |
|---|---|
ไม่กลับด้าน | โดยทั่วไปจะมีเสียงรบกวนน้อยกว่าเนื่องจากกลไกการป้อนกลับ |
การเปลี่ยนกลับ | รับสัญญาณรบกวนจากกระแสไฟฟ้าขาเข้าที่ไหลผ่านตัวต้านทานได้มากขึ้น |
การเพิ่มเสียงรบกวน | วงจรขยายสัญญาณแบบไม่กลับเฟสจะมีอัตราขยายสัญญาณรบกวนต่ำกว่าวงจรขยายสัญญาณแบบกลับเฟสที่อัตราขยายแบบวงปิดต่ำ |
ตัวขยายสัญญาณปฏิบัติการแบบไม่กลับเฟสสามารถทำงานเป็นตัวตามแรงดันได้ ซึ่งหมายความว่าเอาต์พุตจะคัดลอกอินพุตอย่างแม่นยำ คุณใช้ตัวตามแรงดันเพื่อเชื่อมต่อส่วนต่างๆ ของวงจรโดยไม่สูญเสียคุณภาพของสัญญาณ นี่คือคุณสมบัติบางประการของตัวตามแรงดัน:
ช่วยแยกส่วนต่างๆ ของวงจรออกจากกัน
รักษาคุณภาพสัญญาณและปรับค่าความต้านทานให้เหมาะสม
มีอัตราขยายแรงดันเท่ากับ 1 ดังนั้นแรงดันเอาต์พุตจึงตรงกับแรงดันอินพุต
ช่วยปกป้องคุณภาพสัญญาณระหว่างวงจรแต่ละขั้น
ค่าความต้านทานอินพุตสูงหมายความว่าใช้กระแสไฟน้อย
อิมพีแดนซ์เอาต์พุตต่ำทำให้สามารถขับเคลื่อนวงจรส่วนอื่นๆ ได้ดี
โอเปอเรชันแอมพลิฟายเออร์แบบกลับเฟสไม่สามารถทำหน้าที่เป็นตัวติดตามแรงดันได้ มีเพียงโอเปอเรชันแอมพลิฟายเออร์แบบไม่กลับเฟสเท่านั้นที่สามารถทำหน้าที่นี้ได้
ภาพรวมการใช้งาน
คุณใช้ทั้งสองประเภทในหลายๆ โปรเจกต์ ตัวขยายสัญญาณแบบกลับเฟส (inverting op-amp) เหมาะสำหรับการผสมสัญญาณหรือการสร้างตัวกรองแบบแอคทีฟ ส่วนตัวขยายสัญญาณแบบไม่กลับเฟส (non-inverting op-amp) เหมาะกว่าสำหรับอิมพีแดนซ์อินพุตสูงหรือการบัฟเฟอร์สัญญาณ ตารางต่อไปนี้แสดงให้เห็น การใช้งานทั่วไปสำหรับแต่ละประเภท:
ประเภทการใช้งาน | รายละเอียด |
|---|---|
เครื่องขยายเสียง | เพิ่มระดับเสียงให้ดังขึ้นเพื่อคุณภาพเสียงที่ดีขึ้นในอุปกรณ์ต่างๆ |
แอมพลิฟายเออร์รวมสัญญาณ | รวมสัญญาณอินพุตหลายตัวเข้าเป็นสัญญาณเอาต์พุตเดียว |
ตัวกรองที่ใช้งาน | กรองความถี่บางช่วงในสัญญาณ |
แอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัด | ให้ความแม่นยำและเสถียรภาพสูงสำหรับการวัดสัญญาณในเครื่องมือวัด |
คุณจะเห็นวงจรขยายสัญญาณแบบออปแอมป์ได้ทั่วไปในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ คุณเลือกใช้แบบที่เหมาะสมตามความต้องการของวงจรของคุณ หากคุณต้องการอัตราขยายสูง คุณสามารถใช้ได้ทั้งสองแบบ แต่คุณต้องตรวจสอบเฟส อิมพีแดนซ์ และสัญญาณรบกวน ออปแอมป์แบบกลับเฟสเหมาะสำหรับการผสมและการกรองสัญญาณ ส่วนออปแอมป์แบบไม่กลับเฟสเหมาะที่สุดสำหรับการบัฟเฟอร์และอิมพีแดนซ์อินพุตสูง
ตารางอ้างอิงด่วน
ต่อไปนี้เป็นตารางสรุปเพื่อเปรียบเทียบออปแอมป์แบบกลับเฟสและแบบไม่กลับเฟส:
ลักษณะ | วงจรขยายสัญญาณแบบกลับเฟส (Inverting Op-Amp) | ออปแอมป์แบบไม่กลับเฟส |
|---|---|---|
การเชื่อมต่ออินพุต | อินพุตเชิงลบ | อินพุตเชิงบวก |
เฟสเอาท์พุท | เฟสต่างกัน 180° (กลับด้าน) | อยู่ในเฟสเดียวกัน (ไม่กลับเฟส) |
สูตรเพิ่มกำไร | อัตราขยาย = -R2/R1 | อัตราขยาย = 1 + (R2/R1) |
ความต้านทานของอินพุต | ตั้งค่าโดยตัวต้านทานอินพุต | สูงมาก (เกือบไม่มีที่สิ้นสุด) |
ซีเอ็มอาร์อาร์ | จุดสูง | โดยทั่วไปแล้วจะสูงกว่าในกรณีส่วนใหญ่ |
สัญญาณรบกวน | มีแนวโน้มที่จะรับเสียงรบกวนได้ง่ายกว่า | เสียงรบกวนต่ำ |
ตัวติดตามแรงดันไฟฟ้า | เป็นไปไม่ได้ | เป็นไปได้ |
การใช้งาน | การผสม การกรอง การรวม | การบัฟเฟอร์, อินพุตสูง Z, เสียง |
ตอนนี้คุณเข้าใจความแตกต่างหลักระหว่างออปแอมป์แบบกลับเฟสและแบบไม่กลับเฟสแล้ว ซึ่งจะช่วยให้คุณเลือกออปแอมป์ที่เหมาะสมกับโครงการของคุณได้ ไม่ว่าคุณจะต้องการอัตราขยายสูง เสียงรบกวนต่ำ หรือคุณสมบัติอินพุตและเอาต์พุตพิเศษก็ตาม
วงจรขยายสัญญาณแบบกลับเฟส Op-Amp
วิธีการทำงาน
คุณใช้วงจรขยายแบบกลับเฟสเมื่อต้องการกลับสัญญาณ สัญญาณอินพุตจะผ่านตัวต้านทานไปยังขั้วลบ ขั้วบวกต่อลงกราวด์ ตัวต้านทานป้อนกลับจะเชื่อมต่อเอาต์พุตกับขั้วลบ นี่คือวิธีที่สัญญาณเคลื่อนที่ในวงจรนี้:
สัญญาณอินพุตจะส่งไปยังอินพุตแบบกลับเฟสโดยใช้ตัวต้านทาน
ตัวต้านทานป้อนกลับเชื่อมต่อเอาต์พุตเข้ากับอินพุตแบบกลับเฟส ทำให้เกิดวงจรป้อนกลับเชิงลบ
กระแสไฟฟ้าที่ขั้วกลับเฟสเป็นไปตามกฎของโอห์ม
กระแสไฟฟ้านี้ยังไหลผ่านตัวต้านทานป้อนกลับเนื่องจากการลัดวงจรเสมือนด้วย
แรงดันเอาต์พุตใช้สูตรนี้: Vout = -Vin × (Rf / Rin) ซึ่งแสดงถึงอัตราขยายและการกลับเฟส
คุณสมบัติทางเทคนิค
มีสิ่งสำคัญบางอย่างเกี่ยวกับแอมพลิฟายเออร์แบบกลับเฟส:
อัตราขยายใช้สูตร -Rf/Rin คุณสามารถกำหนดได้ว่าสัญญาณจะเพิ่มขึ้นมากน้อยเพียงใดโดยการเลือกค่าตัวต้านทาน
อิมพีแดนซ์ขาเข้าและขาออกส่งผลต่อการทำงานของวงจร
สัญญาณรบกวนอาจทำให้สัญญาณของคุณไม่ชัดเจน
วงจรขยายสัญญาณแบบกลับเฟสใช้การป้อนกลับเชิงลบ ซึ่งทำให้สัญญาณเอาต์พุตคงที่และกลับเฟสอยู่เสมอ
ถ้าแบนด์วิดท์ของออปแอมป์แคบเกินไป วงจรอาจไม่เสถียร คุณสามารถแก้ไขได้ด้วยการชดเชยความถี่
ข้อดีและข้อเสีย
ข้อดีของวงจรขยายสัญญาณปฏิบัติการแบบกลับเฟส | ข้อเสียของวงจรขยายสัญญาณปฏิบัติการแบบกลับเฟส |
|---|---|
มีเสถียรภาพมากกว่าแบบที่ไม่กลับเฟส | รับสัญญาณรบกวนได้มากกว่าแบบที่ไม่กลับเฟส |
สามารถเพิ่มอัตราขยายได้สูงโดยการเลือกค่าตัวต้านทานที่เหมาะสม | จำเป็นต้องมีการออกแบบที่ซับซ้อนกว่านี้ |
ทำหน้าที่เป็นเหมือนพื้นเสมือนจริง ทำให้การออกแบบง่ายขึ้น | ไวต่อแรงดันออฟเซ็ตขาเข้า |
สามารถกลับเฟสเอาต์พุตได้ | โหมดทั่วไปจำกัดช่วงอินพุต |
อิมพีแดนซ์อินพุตสูงและอิมพีแดนซ์เอาต์พุตต่ำ | การกลับเฟสอาจเป็นปัญหาในวงจรบางประเภท |
การใช้งาน
คุณจะเห็น แอมพลิฟายเออร์แบบกลับเฟสในหลายๆ ที่วงจรเหล่านี้ใช้ในอุปกรณ์เสียง ระบบควบคุม และเครื่องมือทางการแพทย์ วงจรขยายสัญญาณแบบกลับเฟสเหมาะสำหรับการผสมสัญญาณ การสร้างตัวกรอง และการรวมสัญญาณเข้าด้วยกัน คุณจะใช้วงจรนี้เมื่อต้องการควบคุมเฟสหรือผสมสัญญาณ
เคล็ดลับการออกแบบ PCB
เมื่อคุณออกแบบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) สำหรับวงจรขยายแบบกลับเฟส ให้รักษาความยาวของเส้นทางเดินสัญญาณให้สั้น ซึ่งจะช่วยลดสัญญาณรบกวน วางตัวต้านทานไว้ใกล้กับขาของออปแอมป์ ใช้แผ่นกราวด์ที่แข็งแรงเพื่อความเสถียรที่ดีขึ้น แยกเส้นทางอินพุตและเอาต์พุตออกจากกันเพื่อป้องกันการป้อนกลับที่ไม่ต้องการ การจัดวางอย่างระมัดระวังจะให้ผลลัพธ์ที่ดีที่สุดจากวงจรขยายแบบกลับเฟสของคุณ
วงจรขยายสัญญาณแบบไม่กลับเฟส Op-Amp
วิธีการทำงาน
คุณใช้ a เครื่องขยายเสียงที่ไม่กลับด้าน เมื่อคุณต้องการให้สัญญาณเอาต์พุตมีเฟสตรงกับสัญญาณอินพุต สัญญาณอินพุตจะเชื่อมต่อกับขั้วบวก ขั้วลบจะเชื่อมต่อกับตัวแบ่งแรงดันที่สร้างจากตัวต้านทานสองตัว เส้นทางป้อนกลับนี้จะกำหนดอัตราขยาย สัญญาณเอาต์พุตจะคัดลอกสัญญาณอินพุต ดังนั้นจึงไม่มีการพลิกกลับเฟส แอมพลิฟายเออร์แบบไม่กลับเฟสใช้เมื่อคุณต้องการให้ทิศทางของสัญญาณคงที่
คุณสมบัติทางเทคนิค
คุณสามารถดูความแตกต่างระหว่างแอมพลิฟายเออร์แบบกลับเฟสและแบบไม่กลับเฟสได้จากตารางนี้:
พื้นฐานของความแตกต่าง | การสลับแอมพลิฟายเออร์ | แอมพลิฟายเออร์แบบไม่กลับด้าน |
|---|---|---|
ความแตกต่างของเฟสระหว่างสัญญาณอินพุตและสัญญาณเอาต์พุต | เฟสต่างกัน 180° | เฟสตรงกัน (0°) |
การกำหนดค่าเทอร์มินัลอินพุต | ป้อนเข้าที่ขั้วลบ | ป้อนเข้าที่ขั้วบวก |
การกำหนดค่าฟีดแบ็ก | แสดงผลตอบรับที่เทอร์มินัลเดียวกับอินพุต | ข้อเสนอแนะที่เทอร์มินัลต่างๆ |
ได้รับการแสดงออก | $$A_v = -frac{R_2}{R_1}$$ | $$A_v = 1 + frac{R_2}{R_1}$$ |
การเพิ่มขั้ว | เชิงลบ | บวก |
ความต้านทานของอินพุต | เท่ากับ R1 | สูงมาก |
การใช้งาน | วงจรขยายสัญญาณแบบทรานส์รีซิสแตนซ์ วงจรอินทิเกรเตอร์ | วงจรที่มีอิมพีแดนซ์อินพุตสูง, วงจรติดตามแรงดันไฟฟ้า |
ข้อดีและข้อเสีย
วงจรขยายสัญญาณแบบไม่กลับเฟสมีข้อดีอยู่บ้าง และก็มีข้อเสียอยู่บ้างเช่นกัน ตารางต่อไปนี้แสดงข้อเสียเหล่านั้น:
ข้อดี | จุดด้อย |
|---|---|
ความต้านทานอินพุตสูง | การออกแบบทำได้ยากขึ้นเล็กน้อยเนื่องจากการตั้งค่าฟีดแบ็ก |
รักษาเฟสสัญญาณเดิมไว้ | |
เหมาะอย่างยิ่งสำหรับสัญญาณและบัฟเฟอร์ที่มีความไวสูง |
การใช้งาน
ออปแอมป์แบบไม่กลับเฟสใช้ใน วงจรเซ็นเซอร์และบัฟเฟอร์เสียงนอกจากนี้ยังใช้เป็นวงจรติดตามแรงดันไฟฟ้าด้วย วงจรเหล่านี้ต้องการอิมพีแดนซ์อินพุตสูงและไม่มีการเปลี่ยนแปลงเฟส คุณจะพบแอมพลิฟายเออร์แบบไม่กลับเฟสในเครื่องมือวัดและระบบปรับสภาพสัญญาณ ช่วยป้องกันสัญญาณอ่อนและเชื่อมต่อวงจรขั้นต่างๆ เข้าด้วยกัน
เคล็ดลับการออกแบบ PCB
คำแนะนำ: การออกแบบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ที่ดีจะช่วยให้วงจรขยายสัญญาณแบบไม่กลับเฟสทำงานได้ดีและมีเสถียรภาพ
ติดตั้งตัวเก็บประจุบายพาสไว้ใกล้กับขาจ่ายไฟของออปแอมป์เพื่อลดสัญญาณรบกวน
ตรวจสอบอัตราขยายแบบวงจรเปิดระหว่างขาเอาต์พุตและขาอินพุต เพราะเป็นตัวจำกัดอัตราขยายของคุณ
ใช้แนวทางในการระบายความร้อนในวงจรขยายสัญญาณกำลังสูง
ควรแยกชิ้นส่วนอนาล็อกและดิจิทัลออกจากกัน เพื่อป้องกันสัญญาณรบกวนจากวงจรดิจิทัล
การเลือกการกำหนดค่า Op-Amp ที่เหมาะสม
ปัจจัยการออกแบบ
ก่อนเลือกใช้วงจรขยายสัญญาณแบบออปแอมป์ คุณควรพิจารณาหลายๆ อย่าง อิมพีแดนซ์อินพุตและอัตราขยายมีความสำคัญมาก วงจรแบบกลับเฟสจะให้กำลังขยายโดยใช้ตัวต้านทานป้อนกลับและตัวต้านทานอินพุต ส่วนวงจรแบบไม่กลับเฟสจะให้กำลังขยายมากกว่าเล็กน้อยเพราะสูตรบวกเพิ่มเข้าไป ซึ่งอาจทำให้เกิดปัญหาได้หากคุณไม่ตรวจสอบค่าตัวต้านทาน คุณต้องแน่ใจว่าอัตราขยายเหมาะสมกับสิ่งที่คุณต้องการ สัญญาณรบกวนและเฟสก็มีความสำคัญเช่นกัน ออปแอมป์แบบกลับเฟสจะกลับเฟสของสัญญาณ ส่วนออปแอมป์แบบไม่กลับเฟสจะรักษาเฟสให้คงที่ ลองคิดดูว่าแต่ละวงจรเปลี่ยนแปลงสัญญาณและความเสถียรอย่างไร การเลือกที่ดีจะช่วยให้ออปแอมป์ของคุณทำงานได้ดี
คำแนะนำ: ควรตรวจสอบค่าอิมพีแดนซ์อินพุตเสมอ วงจรขยายสัญญาณแบบไม่กลับเฟส (non-inverting op-amp) มีค่าอิมพีแดนซ์อินพุตสูงกว่ามาก ซึ่งช่วยปกป้องสัญญาณอ่อนได้
การตัดสินใจเกี่ยวกับการสมัคร
การจัดเรียงวงจรขยายสัญญาณแบบ Op-amp แต่ละแบบเหมาะกับงานที่แตกต่างกัน ตารางด้านล่างแสดงให้เห็นว่าการจัดเรียงแบบใดเหมาะสมกับงานแต่ละประเภท:
การกำหนดค่า Op-Amp | Key Features | การใช้งาน |
|---|---|---|
แอมพลิฟายเออร์ดิฟเฟอเรนเชียล | ทำให้ความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้ามากขึ้น และลดสัญญาณรบกวน | การวัดด้วยเซ็นเซอร์, เครื่องมือวัด, วงจรอนาล็อกความแม่นยำสูง |
ตัวติดตามแรงดันไฟฟ้า | อิมพีแดนซ์อินพุตสูง อิมพีแดนซ์เอาต์พุตต่ำ | การเชื่อมต่อเซ็นเซอร์ ระบบเก็บข้อมูล การแยกส่วนเวที |
เลือกใช้ออปแอมป์แบบกลับเฟสเมื่อต้องการผสมสัญญาณหรือสร้างตัวกรอง ใช้ออปแอมป์แบบไม่กลับเฟสสำหรับการบัฟเฟอร์และรักษาความปลอดภัยของสัญญาณ เลือกอุปกรณ์ให้เหมาะสมกับโครงการของคุณเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่ดีที่สุด
ผลกระทบ PCB
การเลือกใช้ออปแอมป์ของคุณจะส่งผลต่อวิธีการทำงานของคุณ ออกแบบ PCB ของคุณการออกแบบวงจรแบบกลับเฟสต้องใช้ความระมัดระวังเพื่อลดสัญญาณรบกวน ควรวางตัวต้านทานไว้ใกล้กับขาของโอปแอมป์ และควรใช้สายสัญญาณที่สั้น ส่วนวงจรแบบไม่กลับเฟสช่วยให้ใช้สายสัญญาณที่ยาวกว่าได้เนื่องจากมีความต้านทานอินพุตสูงกว่า ควรแยกส่วนอนาล็อกและดิจิทัลออกจากกันเพื่อป้องกันการรบกวน การออกแบบ PCB ที่ดีจะช่วยให้โอปแอมป์ทำงานได้ดีและทำให้การสร้างวงจรทำได้ง่ายขึ้น ควรวางแผนการจัดวางวงจรโดยพิจารณาจากรูปแบบการทำงานของโอปแอมป์ที่คุณเลือกเสมอ
เครื่องมือออกแบบและแนวปฏิบัติที่ดีที่สุด
เครื่องมือออกแบบ PCB
คุณต้องการ เครื่องมือที่ดีในการสร้าง วงจรออปแอมป์ที่แข็งแรง Altium Designer มีคุณสมบัติที่เป็นประโยชน์มากมาย ทำงานได้ดีสำหรับโครงการ PCB ขนาดใหญ่หลายชั้น Cadence Allegro ช่วยในการออกแบบที่รวดเร็วและงาน RF ตรวจสอบว่าสัญญาณของคุณดีหรือไม่ LTspice ช่วยให้คุณทดสอบวงจรออปแอมป์ก่อนที่จะสร้าง เครื่องมือเหล่านี้ช่วยให้คุณค้นหาปัญหาได้ตั้งแต่เนิ่นๆ และแก้ไขการออกแบบของคุณ การใช้ซอฟต์แวร์ PCB ระดับมืออาชีพช่วยประหยัดเวลาและช่วยให้คุณหลีกเลี่ยงข้อผิดพลาด
การเพิ่มประสิทธิภาพวงจร
คุณสามารถปรับปรุงวงจรออปแอมป์ของคุณให้ดียิ่งขึ้นได้โดยทำตามขั้นตอนง่ายๆ ดังนี้:
ควรแยกสัญญาณนาฬิกาไปไว้ในเลเยอร์อื่นที่ไม่ใช่เลเยอร์สัญญาณอนาล็อก เพื่อป้องกันสัญญาณรบกวนไม่ให้ส่งผลกระทบต่อออปแอมป์
ใช้การต่อสายดินแบบดาวเพื่อป้องกันสัญญาณรบกวนดิจิทัลไม่ให้ไปถึงส่วนที่เป็นอนาล็อก
ลองใช้การส่งสัญญาณแบบดิฟเฟอเรนเชียลสำหรับอินพุตแบบอนาล็อกเพื่อลดสัญญาณรบกวน
เลือกใช้ชิ้นส่วนที่เหมาะสม ชิ้นส่วน SMD ช่วยลดค่าความเหนี่ยวนำและความจุส่วนเกินได้
ใช้รูปแบบไมโครสตริปหรือสไตรป์ไลน์เพื่อรักษาสัญญาณให้สะอาด
หากการออกแบบของคุณเกิดความร้อนสูง ควรเพิ่มแผ่นระบายความร้อนหรือท่อระบายความร้อนเข้าไป
ตรวจสอบให้แน่ใจว่าการออกแบบของคุณมีเสถียรภาพ ตรวจสอบเส้นทางอินพุตและเอาต์พุตเพื่อหาการสั่นไหว
เดินสายจ่ายไฟให้ดี เพื่อให้แอมป์ปฏิบัติการของคุณได้รับแรงดันไฟฟ้าที่เสถียร
ควรแยกชิ้นส่วนอนาล็อกและดิจิทัลออกจากกันเพื่อลดการรบกวน
ใช้แผ่นกราวด์ที่แข็งแรงเพื่อเป็นเส้นทางที่ปลอดภัยสำหรับกระแสไฟฟ้าไหลกลับ
คำแนะนำ: การออกแบบอย่างรอบคอบจะช่วยให้วงจรขยายสัญญาณปฏิบัติการของคุณทำงานเงียบและมีประสิทธิภาพ
ความร่วมมือในการประกอบ
คุณจะได้ผลลัพธ์ที่ดีที่สุดเมื่อทำงานร่วมกับทีมประกอบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) การสื่อสารที่ดีระหว่างการออกแบบและการประกอบจะช่วยให้คุณหลีกเลี่ยงข้อผิดพลาดได้ หากคุณแบ่งปันไฟล์การออกแบบตั้งแต่เนิ่นๆ ทีมประกอบสามารถตรวจสอบปัญหาต่างๆ เช่น ความไม่ตรงกันของตำแหน่งขาชิ้นส่วนได้ การทำงานเป็นทีมนี้สามารถป้องกันปัญหาการบัดกรีและความล่าช้าก่อนที่จะเกิดขึ้นได้ เมื่อคุณพูดคุยกับผู้ผลิตและผู้ประกอบ คุณจะมั่นใจได้ว่าการออกแบบของคุณตรงตามความต้องการด้านความปลอดภัยและคุณภาพ การทำงานร่วมกันจะช่วยให้คุณสร้างวงจรขยายสัญญาณปฏิบัติการ (op-amp) ที่เชื่อถือได้และตรงกับเป้าหมายของคุณ
คุณได้เรียนรู้ความแตกต่างหลักระหว่างออปแอมป์แบบกลับเฟสและแบบไม่กลับเฟสแล้ว ตารางด้านล่างแสดงให้เห็นว่าแต่ละประเภทเปลี่ยนแปลงเฟส อินพุต และการใช้งานอย่างไร:
ลักษณะ | วงจรขยายสัญญาณแบบกลับเฟส (Inverting Op-Amp) | ออปแอมป์แบบไม่กลับเฟส |
|---|---|---|
กะระยะ | การเลื่อนเฟส 180 องศา | การเลื่อนเฟส 0 องศา |
การกำหนดค่าอินพุต | สัญญาณไปยังอินพุตแบบกลับเฟส | สัญญาณไปยังอินพุตที่ไม่กลับเฟส |
ความต้านทานของอินพุต | อิมพีแดนซ์อินพุตต่ำลง | ความต้านทานอินพุตสูง |
การใช้งาน | แอมพลิฟายเออร์แบบกลับเฟสและรวมสัญญาณ | ตัวติดตามแรงดันไฟฟ้า, บัฟเฟอร์ |
ลองคิดดูว่าคุณต้องการให้วงจรของคุณทำอะไร คุณต้องการขยายสัญญาณ เปลี่ยนแปลงสัญญาณ หรือคงสัญญาณไว้เหมือนเดิมหรือไม่ คำนวณดูว่าคุณต้องการอัตราขยายเท่าใด ตรวจสอบความต้องการของวงจรของคุณก่อนที่จะเลือกการตั้งค่า ใช้เครื่องมือออกแบบ PCB ที่ดี ปฏิบัติตามคำแนะนำ ขั้นตอนที่ชาญฉลาดเพื่อให้ได้มาซึ่ง ผลลัพธ์ที่ดีที่สุด
คำถามที่พบบ่อย
ความแตกต่างหลักระหว่างออปแอมป์แบบกลับเฟสและแบบไม่กลับเฟสคืออะไร?
สำหรับออปแอมป์แบบกลับเฟส (inverting op-amp) คุณต้องต่อสัญญาณอินพุตเข้ากับขั้วลบ ส่วนออปแอมป์แบบไม่กลับเฟส (non-inverting op-amp) คุณต้องใช้ขั้วบวกสำหรับสัญญาณอินพุต แบบกลับเฟสจะทำให้เฟสของเอาต์พุตพลิกกลับ ส่วนแบบไม่กลับเฟสจะทำให้เฟสของเอาต์พุตเหมือนกับเฟสของอินพุต
ควรใช้ตัวติดตามแรงดันไฟฟ้าเมื่อใด?
ใช้ตัวตามแรงดัน (voltage follower) เมื่อต้องการบัฟเฟอร์สัญญาณ การจัดวางแบบนี้ให้ค่าความต้านทานอินพุตสูงและความต้านทานเอาต์พุตต่ำ ช่วยป้องกันสัญญาณที่อ่อนแอ และยังเชื่อมต่อวงจรขั้นต่างๆ โดยไม่สูญเสียความแรงของสัญญาณ
การกำหนดค่าแบบใดเหมาะสมกว่าสำหรับการใช้งานที่ต้องการเสียงรบกวนต่ำ?
วงจรขยายสัญญาณแบบไม่กลับเฟส (Non-inverting op-amps) ให้สัญญาณรบกวนต่ำกว่า วงจรป้อนกลับในโครงสร้างนี้ช่วยลดสัญญาณรบกวนได้ สำหรับสัญญาณที่มีความไวสูง ควรเลือกใช้การกำหนดค่าแบบไม่กลับเฟส
เคล็ดลับ: ทำให้ลายวงจรบนแผ่น PCB สั้นลง วิธีนี้จะช่วยลดสัญญาณรบกวนได้มากยิ่งขึ้น
คุณคำนวณอัตราขยายสำหรับแต่ละการกำหนดค่าอย่างไร?
นี่คือตารางอ้างอิงด่วน:
องค์ประกอบ | สูตรเพิ่มกำไร |
|---|---|
วงจรขยายสัญญาณแบบกลับเฟส (Inverting Op-Amp) | อัตราขยาย = -R2 / R1 |
ออปแอมป์แบบไม่กลับเฟส | อัตราขยาย = 1 + (R2 / R1) |
คุณเลือกค่าความต้านทานเพื่อตั้งค่าอัตราขยาย
