ช่วงแรงดันอินพุตร่วมของออปแอมป์: สัญญาณไม่เกินไฟเลี้ยงก็ยังผิดช่วงได้

ออปแอมป์ที่รับไฟเลี้ยงห้าโวลต์ไม่ได้หมายความว่าจะขยายสัญญาณทุกค่าระหว่างศูนย์กับห้าโวลต์ได้อย่างถูกต้อง ภายในมีทรานซิสเตอร์ที่ต้องเหลือแรงดันสำหรับทำงาน แม้แรงดันต่างระหว่างขาอินพุตทั้งสองจะเล็กมาก แต่ถ้าทั้งคู่เลื่อนไปอยู่ใกล้ขอบไฟเลี้ยงเกินช่วงที่กำหนด การป้อนกลับอาจรักษาความสัมพันธ์ของวงจรไม่ได้ การอ่านช่วงแรงดันอินพุตร่วมจึงเป็นคนละขั้นกับการตรวจว่าไฟเลี้ยงอยู่ในพิกัดหรือไม่

แรงดันร่วมและแรงดันต่างบอกคนละเรื่อง

ให้แรงดันขาไม่กลับเฟสเป็น Vp และขากลับเฟสเป็น Vn เมื่ออ้างกับจุดเดียวกัน แรงดันต่างคือ Vp − Vn ส่วนแรงดันร่วมคือ (Vp + Vn) / 2 ในบัฟเฟอร์ที่ทำงานเชิงเส้นและมีป้อนกลับลบ Vp กับ Vn จะใกล้กัน จึงประมาณแรงดันร่วมด้วยแรงดันสัญญาณได้ แต่ความใกล้กันนั้นไม่ได้ยกเลิกข้อกำหนดของแรงดันแต่ละขา รวมทั้งขีดจำกัดแรงดันต่างที่ผู้ผลิตระบุไว้ต่างหาก

ตัวอย่างเชิงตัวเลขที่ไม่ใช่พิกัดอุปกรณ์จริงคือ Vp เท่ากับ 3.001 โวลต์และ Vn เท่ากับ 3.000 โวลต์ ความต่างมีเพียงหนึ่งมิลลิโวลต์ แต่แรงดันร่วมเป็น 3.0005 โวลต์ หากวงจรรับประกันการทำงานถึงสามโวลต์เท่านั้น จุดนี้ก็เลยขอบเขตแล้ว การมองเฉพาะความต่างที่เล็กจึงทำให้พลาดข้อจำกัดสำคัญ ควรแยกแถวบันทึกแรงดันร่วม แรงดันต่าง และไฟเลี้ยงตั้งแต่เริ่มวิเคราะห์

1. 1
   อ่านทั้งสองขา

   ขาบวก 3.001 โวลต์และขาลบ 3.000 โวลต์ อ้างกับจุดเดียวกัน

2. 2
   หาความต่าง

   นำสองค่าลบกันได้ 0.001 โวลต์หรือหนึ่งมิลลิโวลต์

3. 3
   หาค่าร่วม

   เฉลี่ยสองขาได้ 3.0005 โวลต์ จึงเกินขอบสมมติ 3.0 โวลต์แม้ความต่างเล็ก

ตรวจแรงดันสองชนิดแยกกันก่อนใช้สมมติฐานป้อนกลับ

สถานการณ์สมมติ: สัญญาณแกว่งรอบระดับที่สูงเกินไป

สมมติออปแอมป์สำหรับการคำนวณใช้ไฟศูนย์ถึงห้าโวลต์ และมีช่วงอินพุตร่วมที่รับประกัน 0.2 ถึง 3.0 โวลต์ภายใต้เงื่อนไขที่กำหนด เลขชุดนี้สร้างขึ้นเพื่ออธิบายวิธีตรวจ ไม่ใช่สเปกของเบอร์ใด เราต้องการทำบัฟเฟอร์ให้สัญญาณที่มีระดับกลาง 2.8 โวลต์และแอมพลิจูด 0.5 โวลต์ ช่วงอินพุตจริงจึงเป็น 2.3 ถึง 3.3 โวลต์ ส่วนบนเกินขอบเขต 0.3 โวลต์ แม้ทุกขณะยังต่ำกว่าไฟเลี้ยงห้าโวลต์

ถ้าปรับระดับกลางของแหล่งสัญญาณสาธิตเป็น 2.3 โวลต์โดยคงแอมพลิจูดเดิม ช่วงจะเป็น 1.8 ถึง 2.8 โวลต์ เหลือระยะจากขอบบน 0.2 โวลต์ การเปลี่ยนนี้แก้เงื่อนไขอินพุตร่วมของโจทย์ได้ แต่ยังต้องตรวจว่าเอาต์พุตตามช่วงนี้ได้ภายใต้โหลดหรือไม่ ถ้าความคลาดของระดับกลางและแอมพลิจูดรวมกันอาจเพิ่มยอดบนเกิน 0.2 โวลต์ ระยะที่เหลือก็ไม่พอ การผ่านด้วยค่ากลางจึงไม่ใช่การผ่านทุกเงื่อนไข

นำข้อกำหนดไปใช้ก่อนเลือกวงจรขยาย

เริ่มจากวาดช่วงสัญญาณที่ขาออปแอมป์จริง ไม่ใช่ช่วงที่หัวต่อก่อนวงจรลดทอน หากมีตัวแบ่งแรงดันหรือวงจรเลื่อนระดับให้คำนวณผลของโหลดด้วย จากนั้นอ่านว่าช่วงอินพุตระบุเป็นค่าคงที่หรือระยะห่างจากรางไฟ เมื่อไฟเลี้ยงเปลี่ยน ขอบเขตอาจเปลี่ยนตาม และข้อความว่าถึงรางด้านลบไม่ได้แปลว่าถึงรางด้านบวกด้วย ควรใช้ขอบเขตที่รับประกันในอุณหภูมิและแรงดันเลี้ยงที่ต้องการ

1. จดแรงดันต่ำสุดและสูงสุดของแหล่งสาธิต รวมระดับตรงที่ซ้อนอยู่กับสัญญาณสลับ
2. แปลงช่วงนั้นเป็นแรงดันที่ขาอินพุตทั้งสองตามโครงวงจรที่ใช้ โดยอ้างกับรางไฟจริง
3. เปรียบเทียบกับช่วงอินพุตร่วมและข้อจำกัดแรงดันต่างแยกกัน แล้วตรวจช่วงเอาต์พุตอีกครั้ง
4. เพิ่มความคลาดของแหล่งจ่าย ตัวต้านทาน และระดับอ้างอิงก่อนตัดสินว่าระยะที่เหลือเพียงพอ
5. ทดลองภายในช่วงที่อนุญาตด้วยไฟต่ำและจำกัดกระแส บันทึกอินพุตกับเอาต์พุตพร้อมกัน

1. 1
   ขอบเขตสมมติ

   ไฟเลี้ยงห้าโวลต์ แต่ช่วงอินพุตร่วมที่โจทย์อนุญาตเพียง 0.2 ถึง 3.0 โวลต์

2. 2
   ระดับกลางเดิม

   2.8 บวกลบ 0.5 โวลต์ ได้ยอดบน 3.3 โวลต์ เกินช่วง 0.3 โวลต์

3. 3
   ระดับกลางใหม่

   2.3 บวกลบ 0.5 โวลต์ ได้ช่วง 1.8 ถึง 2.8 โวลต์

4. 4
   ระยะเผื่อบน

   ขอบ 3.0 ลบยอด 2.8 เหลือ 0.2 โวลต์ ต้องรวมความคลาดก่อนรับรอง

ตัวเลขพิกัดเป็นสมมติ ต้องตรวจเอาต์พุตและความคลาดเพิ่มก่อนใช้งาน

คำว่า rail-to-rail ต้องอ่านว่าครอบคลุมขาใด

อุปกรณ์บางตัวมีเอาต์พุตเข้าใกล้รางไฟ แต่ช่วงอินพุตยังจำกัดอยู่ด้านหนึ่ง บางตัวรับอินพุตได้ตลอดช่วงแต่เอาต์พุตต้องเหลือแรงดันตามภาระกระแส จึงไม่ควรย่อข้อกำหนดสองส่วนเป็นคำเดียวแล้วใช้แทนกัน ภาคอินพุตบางโครงสร้างยังมีช่วงเปลี่ยนการทำงานระหว่างคู่ทรานซิสเตอร์ ซึ่งอาจทำให้กระแสไบอัสหรือแรงดันออฟเซ็ตเปลี่ยน แม้ยังอยู่ในช่วงที่อนุญาต ต้องดูกราฟความแม่นยำหากงานไวต่อความเปลี่ยนเล็กน้อยนี้

ช่วงใช้งานที่รับประกันกับขีดจำกัดที่ไม่ให้เสียหายเป็นคนละข้อมูล การที่ขาอินพุตไม่เกิน absolute maximum ไม่ได้เป็นหลักฐานว่าขยายได้แม่น ส่วนการไม่มีความเสียหายหลังทดลองครั้งเดียวก็ไม่รับรองการทำงานนอกช่วง การสาธิตจึงควรออกแบบให้อยู่ภายในช่วงตั้งแต่ต้น และใช้การเปรียบเทียบเชิงคำนวณอธิบายกรณีเกินขอบเขต ไม่จำเป็นต้องบังคับอุปกรณ์จริงออกนอกเงื่อนไขเพื่อให้เห็นอาการ

แยกข้อจำกัดอินพุตออกจากยอดเอาต์พุตที่ถูกตัด

ถ้าเอาต์พุตแบนที่ยอดบน อาจเกิดจากช่วงเอาต์พุต กระแสโหลด หรือข้อจำกัดอินพุตร่วม การดูเอาต์พุตเส้นเดียวไม่พอ ในวงจรไม่กลับเฟสที่มีเกนมากกว่าหนึ่ง อินพุตอาจอยู่กลางช่วงแต่เอาต์พุตไปชนรางก่อน ขณะที่บัฟเฟอร์อาจถูกอินพุตจำกัดก่อนเอาต์พุต วิธีแยกคือคำนวณความต้องการของทั้งสองส่วน และลดแอมพลิจูดหรือเลื่อนระดับภายในพื้นที่ที่ปลอดภัยทีละตัวแปร พร้อมดูว่าเงื่อนไขใดเป็นตัวจำกัดก่อน

ตรวจสอบผลด้วยช่วงและความคลาดที่ระบุได้

สำหรับโจทย์นี้ให้ตรวจซ้ำว่าช่วงใหม่ 1.8 ถึง 2.8 โวลต์อยู่ใน 0.2 ถึง 3.0 โวลต์จริง แล้ววัดจุดล่าง กลาง และบนที่ความถี่ต่ำพอไม่ให้แบนด์วิดท์หรือความเร็วเปลี่ยนแรงดันมาปะปน หากความคลาดเพิ่มเฉพาะบริเวณหนึ่ง ให้ตรวจกราฟออฟเซ็ตตามแรงดันร่วมและโหลดของเครื่องมือ การบันทึกผลควรระบุช่วงที่ตรวจแล้วเท่านั้น ไม่สรุปว่าทุกแรงดันระหว่างรางใช้ได้ และไม่ยกตัวอย่างโต๊ะทดลองนี้เป็นเกณฑ์วินิจฉัยอินพุตกล่องรถรุ่นใด