ป้อนกลับลบกำหนดอัตราขยายของออปแอมป์ได้ภายใต้เงื่อนไขใด

กฎว่าอินพุตสองขาของออปแอมป์มีแรงดันเท่ากันเป็นเครื่องมือวิเคราะห์ที่สะดวก แต่ไม่ใช่คุณสมบัติที่เกิดขึ้นทุกครั้งเมื่อจ่ายไฟให้ออปแอมป์ ความใกล้กันของแรงดันเป็นผลจากวงจรป้อนกลับลบที่ทำงานอยู่ในขอบเขตเหมาะสม หากเอาต์พุตชนราง อินพุตเกินช่วง หรือวงจรสั่น กฎนี้อาจใช้ไม่ได้ การเริ่มจากเหตุผลของป้อนกลับช่วยให้แยกความผิดพลาดด้านการต่อวงจรออกจากข้อจำกัดของชิ้นส่วน

ออปแอมป์พยายามลดความต่างระหว่างอินพุตอย่างไร

ออปแอมป์แบบป้อนกลับแรงดันมีอัตราขยายเปิดวงสูง ความต่างเล็กน้อยระหว่างขาบวกกับขาลบจึงทำให้เอาต์พุตเปลี่ยนมาก เมื่อนำเอาต์พุตส่วนหนึ่งกลับไปขาลบในทิศที่ต้านความต่างเดิม เอาต์พุตจะปรับจนความต่างลดลงภายใต้เงื่อนไขเสถียรภาพ ในแบบจำลองอุดมคติที่อัตราขยายเปิดวงอนันต์และไม่มีออฟเซ็ต ความต่างนั้นเข้าใกล้ศูนย์ แต่ของจริงยังเหลือความต่างเล็กน้อยเพื่อสร้างเอาต์พุต

ขาอินพุตไม่ได้ถูกลัดวงจรเข้าหากันจริง แม้แรงดันใกล้กันก็ไม่ได้แปลว่ากระแสไหลจากขาหนึ่งไปอีกขาหนึ่งได้ตามต้องการ และอินพุตจริงมีกระแสไบอัสกับโครงสร้างป้องกันของตัวเอง คำว่าเสมือนจึงบอกผลของการควบคุม ไม่ใช่การเชื่อมต่อทางกายภาพ การต่อเอาต์พุตกลับผิดไปยังขาบวกอาจเปลี่ยนเป็นป้อนกลับบวกและทำให้เอาต์พุตวิ่งไปทางขอบแทนการขยายเชิงเส้น

1. 1
   เกิดความต่าง

   อัตราขยายเปิดวงสูงทำให้ความต่างระหว่างขาบวกและขาลบมีผลต่อเอาต์พุตมาก

2. 2
   เอาต์พุตย้อนกลับ

   เครือข่าย Rf และ Rg ส่งเอาต์พุตส่วนหนึ่งกลับเข้าขาลบ

3. 3
   ต้านความต่างเดิม

   เมื่อป้อนกลับเสถียรและอินพุตเอาต์พุตอยู่ในช่วงทำงาน ความต่างสองขาจะเหลือน้อย

แรงดันสองขาใกล้กันเป็นผลของวงจรที่ยังทำงานเชิงเส้น ไม่ใช่ขาสองขาถูกลัดถึงกัน

สถานการณ์สมมติ: ขยายสัญญาณสองเท่าบนรางห้าโวลต์

สมมติเลือกออปแอมป์ที่รองรับไฟ 5 โวลต์และช่วงอินพุตเอาต์พุตตามโจทย์ ต่ออินพุต 1.00 โวลต์เข้าขาบวก ต่อ Rf = 10 กิโลโอห์มจากเอาต์พุตกลับขาลบ และ Rg = 10 กิโลโอห์มจากขาลบลงศูนย์โวลต์ การแบ่งแรงดันทำให้ขาลบรับครึ่งหนึ่งของเอาต์พุต หากป้อนกลับทำงาน ขาลบต้องใกล้ 1.00 โวลต์ เอาต์พุตจึงใกล้ 2.00 โวลต์ สูตรคือ G = 1 + Rf / Rg

กระแสผ่าน Rg ในแบบจำลองคือ 1 / 10000 = 0.10 มิลลิแอมป์ และผ่าน Rf เท่ากันเมื่อไม่คิดกระแสอินพุต แรงดันคร่อม Rf จึงหนึ่งโวลต์ ทำให้เอาต์พุตสูงกว่าอินพุตหนึ่งโวลต์ วิธีตรวจด้วยกระแสนี้ช่วยยืนยันทิศการต่อ ไม่ใช่จำสูตรอย่างเดียว ถ้าขยายอินพุตเป็น 2.8 โวลต์ สูตรจะขอเอาต์พุต 5.6 โวลต์ ซึ่งเกินรางจ่าย 5 โวลต์ วงจรจริงจึงทำตามสูตรไม่ได้

อัตราขยายจริงขึ้นกับกำลังป้อนกลับที่ยังเหลือ

ถ้าใช้อัตราขยายเปิดวง A ที่มีค่าจำกัด และสัดส่วนเอาต์พุตที่กลับเข้าขาลบเป็น β อัตราขยายปิดวงของโครงสร้างนี้คือ A / (1 + Aβ) เมื่อ Aβ สูงมากจึงเข้าใกล้ 1 / β สมมติ A = 1000 และ β = 0.5 จะได้ 1000 / 501 หรือประมาณ 1.996 แทนสองพอดี ตัวเลขนี้เป็นแบบจำลองคงที่เพื่อแสดงผลของอัตราขยายจำกัด ไม่ใช่การระบุคุณสมบัติออปแอมป์รุ่นใด

เมื่อความถี่เพิ่ม อัตราขยายเปิดวงและเฟสเปลี่ยน ทำให้ความคลาดและเสถียรภาพต้องพิจารณาใหม่ วงจรที่ถูกต้องสำหรับแรงดันตรงจึงไม่ได้รับรองว่าจะขยายสัญญาณเร็วได้เหมือนกันทุกความถี่ นอกจากนี้ความเร็วเปลี่ยนเอาต์พุต กระแสขับโหลด และความจุโหลดอาจเป็นข้อจำกัดก่อนตัวต้านทานด้วย การออกแบบจริงต้องเลือกออปแอมป์ที่รองรับอัตราขยายและโหลดในช่วงใช้งาน

1. 1
   อัตราขยาย

   G = 1 + 10 / 10 = 2 เมื่ออยู่ในขอบเขตการทำงาน

2. 2
   อินพุต 1 โวลต์

   เอาต์พุตใกล้ 2 โวลต์ ขาลบจากตัวแบ่งอยู่ใกล้ 1 โวลต์

3. 3
   ตรวจด้วยกระแส

   กระแสผ่าน Rg ประมาณ 0.10 มิลลิแอมป์ ทำให้แรงดันคร่อม Rf อีก 1 โวลต์

4. 4
   อินพุตสูงเกิน

   อินพุต 2.8 โวลต์ขอเอาต์พุต 5.6 โวลต์ เกินราง 5 โวลต์ จึงรักษาความสัมพันธ์เดิมไม่ได้

ตัวอย่างสมมติไฟเลี้ยง 5 โวลต์ Rf และ Rg อย่างละ 10 กิโลโอห์ม

วิธีนำไปใช้ประกอบและตรวจวงจรขยายพื้นฐาน

1. ตรวจขาไฟเลี้ยง อินพุต และเอาต์พุตจากรหัสจริง พร้อมอ่านว่าอุปกรณ์รองรับไฟเลี้ยงและอัตราขยายที่เลือกหรือไม่
2. คำนวณเอาต์พุตสูงสุดต่ำสุดจากช่วงอินพุต แล้วตรวจว่าทั้งอินพุตร่วมและเอาต์พุตอยู่ในขอบเขตที่ผู้ผลิตรับรองภายใต้โหลด
3. ต่อป้อนกลับไปยังขาลบตามแบบวงจร และจัดตัวเก็บประจุบายพาสตามข้อแนะนำผู้ผลิต
4. เริ่มทดสอบด้วยแรงดันคงที่ในช่วงกลางของการทำงานและโหลดเบา วัดแรงดันขาบวก ขาลบ และเอาต์พุต
5. ขยับอินพุตทีละระดับในขอบเขตออกแบบ แล้วคำนวณความชันเอาต์พุตต่ออินพุต แยกความคลาดอัตราขยายออกจากออฟเซ็ต

ข้อผิดพลาดของการใช้กฎแรงดันเท่ากันโดยไม่ดูขอบเขต

หากเอาต์พุตติดใกล้รางจ่ายและขาอินพุตต่างกัน ไม่ควรรีบสรุปว่าไอซีเสีย ให้ตรวจว่าเอาต์พุตที่สูตรต้องการเกินความสามารถหรือไม่ และมีการต่อป้อนกลับครบหรือเปล่า ออปแอมป์ที่ระบุเอาต์พุตใกล้รางก็ยังมีระยะเผื่อตามโหลด ไม่ใช่ถึงรางพอดีทุกกระแส ขณะเดียวกันช่วงอินพุตร่วมเป็นข้อกำหนดอีกชุดหนึ่ง ต่อให้เอาต์พุตตามสูตรไม่เกินราง อินพุตอาจออกนอกช่วงได้

การใช้ตัวต้านทานค่าสูงมากช่วยลดกระแสในเครือข่ายป้อนกลับ แต่เพิ่มผลของกระแสไบอัสและสัญญาณรบกวน ส่วนค่าต่ำมากทำให้เอาต์พุตต้องจ่ายกระแสเพิ่ม ต้องเลือกอย่างสัมพันธ์กัน บทนี้อธิบายวงจรป้อนกลับแรงดันพื้นฐาน ไม่ควรย้ายค่าเครือข่ายตามสูตรเดียวไปยังออปแอมป์ป้อนกลับกระแส ซึ่งผู้ผลิตอาจกำหนดตัวต้านทานป้อนกลับเพื่อเสถียรภาพโดยเฉพาะ

ตรวจสอบผลจากความชัน ออฟเซ็ต และการตอบสนอง

ใช้จุดอินพุตอย่างน้อยสองจุดที่ไม่ชนขอบเพื่อหาอัตราขยายจากผลต่างเอาต์พุตหารผลต่างอินพุต หากความชันใกล้สองแต่ทุกจุดเลื่อนเท่ากัน อาจมีออฟเซ็ตหรือจุดอ้างอิงคลาด หากความชันเริ่มลดเมื่อเข้าใกล้ราง ให้ตรวจขอบเขตเอาต์พุตและโหลด การเห็นอินพุตสองขาใกล้กันพร้อมเอาต์พุตตามสมการสนับสนุนว่าป้อนกลับกำลังทำงาน แต่การยืนยันสัญญาณเปลี่ยนตามเวลายังต้องตรวจรูปคลื่นและการสั่นเพิ่มเติมในขอบเขตความถี่ที่ต้องใช้