Op-Amp คืออะไร ? EP.3 (วงจรขยายแบบกลับเฟส inverting Amplifier)

สวัสดีครับยินดีต้อนรับทุกท่านเข้าสู่ช่อง ZimZimDIY สำหรับวันนี้ เป็น EP.3 ของวงจร ออปแอมป์ ซึ่งวงจร ที่ผมจะพูดถึง ก็คือ วงจรขยายแบบไม่กลับเฟส หรือ Inverting Amplifier ข้อสังเกตุ จากวงจรนี้ ก็คือ input+ เขาจะต่อลงกราวด์ ส่วน R fb เขาจะต่อจาก Output วกกับมาที่ input - และ สัญญาณขาเข้า เขาจะต่อ ผ่าน R1 ไปหา Input- ด้วยเช่นกัน ตอนนี้ ถ้าหากมี สัญญาณอะไรก็ตาม ที่วิ่งเข้ามาที่ input มันจะถูกขยาย และกลับเฟสออกมาที่ Output 180 องศา ทันทีครับ ดังนั้นเขาจึงเรียก วงจรนี้ ว่าเป็นวงจรขยายแบบกลับเฟส เดี๋ยวเรา ลองมาวิเคาะห์วงจรนี้ คร่าวๆกันดูนะครับ เริ่มต้นจาก กฎข้อที่2 ที่เขาบอกว่าOpamp พยายามจะรักษาแรงดันไฟ ให้เท่ากันอยู่ เสมอๆ ในเมื่อ input+ ของ opamp เชื่อมต่อ ลงกราวด์ ไปแล้ว จึงทำให้ตัวมันเอง.....พยายาม ที่จะทำให้ Input- ด้านบนของมันเนี่ยะ กลายเป็นกราวด์ ด้วยเหมือนกัน ด้วยวิธีการใด วิธีการหนึ่ง ซึ่งตรงจุดนี้ เขาจะเรียกมันว่า เป็นจุดกราวด์เสมือน ครับ.... ก็คือถ้าสังเกตุ มันไม่ได้มีการต่อลงกราวด์จริงๆ (VIRTUAL GROUND) แต่เมื่อ วัดเทียบกับกราวด์ ในขณะที่มันทำงานอยู่ มันกลับมีแรงดัน = 0V อย่างน่าเหลือเชื่อเลย ซึ่งถือว่าแปลกมากๆ แต่ยังไม่หมดนะครับ ต่อไป กฎข้อที่1 เขาบอกว่า มันไม่มีกระแสไฟ ไหลเข้าหรือ ออก จาก input ทั้ง2 อีก เพราะฉะนั้น ก็สรุปว่า ถ้าผมป้อนสัญญาณเข้าไป สัญญาณ มันก็จะวิ่งผ่าน ตัวต้านทาน R1 ออกมา แต่สัญญาณ กลับไม่สามารถวิ่งผ่าน input- ของ opamp ได้ เพราะว่า เจอกับกฎข้อที่ 1 ดักเอาไว้ และ มิหนำซ้ำ ตรงจุดนี้ ยังเป็นจุด กราวด์เสมือน อีกด้วย ทำให้มันกลาย เป็นจุดที่สัญญาณของเราอยู่ดีๆ มันก็หายไปเอง อย่างน่าลึกลับ ถ้าใช้ ออสซิโลสโคปวัด ก็ไม่มีรูปคลื่น ออกมา นี้ก็คือ พฤติกรรม แปลกๆ อย่างหนึ่งที่ ยากจะ จินตนาการ ของวงจร Opamp ครับ แต่ถ้าผมพาเพื่อนๆ มองมันเป็นภาพ 3 มิติ ผมคิดว่าเพื่อนๆน่า จะเข้าใจ คอปเซ็บโดยรวมของมัน มากยิ่ง ขึ้นครับ นี่คือช่อง Physics Videos by Eugene Khutoryansky ฟิสิก วิดีโอ บาย ยูจีน คูทอเรียนสกี้ เขาทำ อนิเมชั่น เอาไว้ค่อนข้างน่าสนใจเลยครับ ในตอนแรกนะครับ เมื่อไม่มีสัญญาณเข้ามา สังเกตุว่าทุกๆส่วนแทบ จะเป็น กราวด์ทั้งหมด แต่ตรงจุดกราวดเสมือน มัน จะคล้ายๆกับ เครื่องเล่นของเด็ก นั่นก็คือ ม้ากระดกครับ มีความสูงเท่ากันกับกราวด์ เปรียบเสมือน มีแรงดันเท่ากับ กราวด์ แต่ ตรงแกน กลางเป็นอิสระ สามารถโยกหรือหมุนได้ เมื่อสัญญาณขาเข้ามีแรงดันติดลบ แรงดันตรงจุดนี้ จะไม่เพิ่ม แต่มันจะกลายเป็นจุดหมุนแทน ซึ่งมันจะทำให้มัน สามารถยกสัญญาณ output ขึ้นได้ เป็นแรงดันไฟบวก และ เมื่อสัญญาณขาเข้าเป็นบวก ม้ากระดก ก็กลับทิศ ดึงสัญญาณ Output ลงเป็นแรงดันไฟลบ โดยที่้ ตัวมันเอง อยู่นิ่งๆ เป็นแค่กราวด์ไป และยิ่งถ้าเราใส่ตัวต้านทาน FB ตรงนี้เยอะมากเท่าไหร่ ก็เสมือนว่าเรา เพิ่มแขนขาให้มันยาวขึ้นไปอีก มันก็สามารถงัดแรงดัน Output ออกมาได้มากยิ่งขึ้น ผมคิดว่า อธิบายประมาณนี้ เพื่อนๆก็น่าจะพอนึกภาพออก แล้วใช่ไหมครับ งั้นเดี๋ยวเรามา วิเคาะห์ หาผลลัพท์ จากการคำนวณ โดยใช้ทฎษฎี กฎของโอห์ม กันดู นะครับ สมมุติว่าผม ป้อนแรงดันไฟ 1V Dc เข้าไป เมื่อผ่าน R1 ค่าสัก 1k Ohm ละกันนะครับ เราจะได้ กระแสไหลผ่านตรงจุดนี้ 1mA แต่ กระแสไม่สามารถไหลเข้า input- ไปได้ มันจึงไหลต่อไปข้างบน และกระแส 1mA ไหล ผ่านตัวต้านทาน 10k ohm ตามกฎของโอห์ม ถ้ามีกระแส 1mA ไหลผ่าน R10k ohm ก็จะมีแรงดันตกคร่อม R ตรงนี้ที่ 10V ครับ โดย ขั้วบวกจะอยู่ตรงนี้ และ ขั้วลบจะ อยู่ตรงนี้ เมื่อ เราต่อขั้วบวกของมัน ชนกับกราวด์ เราก็จะได้ แรงดันติดลบออกมา เท่ากับ -10V ก็สรุปได้ว่า เมื่อนป้อน input ตรงนี้ 1V จะได้แรงดัน -10V ออกมา ที่ Output ครับ หรือถ้าคิดตามสูตรสมการ สำเร็จก็คือ AV = -Rf ส่วนด้วย R1 AV = -10k ส่วนด้วย 1k หารกัน ได้ -10 คำตอบก็คือ -10 เท่าครับ คำตอบเหมือน กฎของโอห์มเป๊ะ แต่ใช้สูตรที่ง่ายกว่า ถ้าหากมาดูในวงจรจริง วงจรนี้อัตราการขยายประมาณ 3เท่า ผมจะป้อนไฟบวกประมาณ 1V dc ไปที่ input- ถ้าตามสูตร แรงดันที่ออกมา จะต้องติดลบ และอยู่ราวๆ -3V นะครับ นี่ครับ ไฟออกมา -3.2V จริงๆด้วยครับ และถ้าผมกลับกัน ป้อนไฟลบ เข้าไป มันจะต้องกลายเป็นไฟบวกครับ นี่ครับ มันก็กลับเฟสเป็นไฟบวก 3.2V จริงๆเช่นกัน ก็สรุปได้ว่า เป็นสูตรที่ใช้งานได้จริงครับ มีเกณฑ์อัตราการขยาย และ สัญญาณออกมากลับเฟส 180 องศา แต่ในวงจรนี้ ข้อที่ไม่ค่อยจะดีของมันก็คือ 1. ได้อัตราการขยายที่น้อยกว่าวงจร non-inverting amplifier 2. input มีค่า Impedance ที่ต่ำกว่า เนื่องจากสัญญาณขาเข้าเชื่อมต่อผ่านตัวต้านทานโดยตรง ซึ่งก็อาจจะทำให้ มันเกิดการ โหลดสัญญาณขาเข้า ทำให้สัญญาณตก ไปพอสมควรนะครับ เดี๋ยวเรื่อง impedance. ผมจะคลิปอธิบาย แยกย่อย ออกมาอีกทีดีกว่าครับ สำหรับคลิปนี้ผมขออธิบายไว้เท่านี้ก่อน ขอบคุณเพื่อนๆทุกท่านที่ติดตามรับชมครับ