ในการออกแบบวงจรส่วนใหญ่ ออปแอมป์เป็นหนึ่งในส่วนประกอบที่นิยมใช้กัน ออปแอมป์หรือออปแอมป์แบบขยายสัญญาณเป็นอุปกรณ์เชิงเส้นที่มีคุณสมบัติสำคัญต่อการขยายสัญญาณ DC ออปแอมป์มักถูกใช้อย่างกว้างขวางในการปรับสภาพสัญญาณ การกรองสัญญาณ และการดำเนินการทางคณิตศาสตร์ เช่น การบวก การลบ การอินทิเกรต และการหาอนุพันธ์ วงจรที่นิยมใช้ออปแอมป์แบบขยายสัญญาณ ได้แก่ บัฟเฟอร์ วงจรขยายสัญญาณ วงจรปรีแอมป์ และวงจรปรับสมดุล

เมื่อออกแบบวงจรโดยใช้ออปแอมป์ ควรทำความคุ้นเคยกับคุณลักษณะของออปแอมป์เสียก่อน การทราบคุณลักษณะของออปแอมป์จะช่วยให้เข้าใจและเลือกใช้อุปกรณ์ต่างๆ ได้อย่างถูกต้อง เพื่อช่วยนักออกแบบวงจรและผู้ที่สนใจ จึงมีการพัฒนากฎเกณฑ์ในการออกแบบวงจรโดยใช้ออปแอมป์โดยพิจารณาจากคุณลักษณะของออปแอมป์ กฎเกณฑ์เหล่านี้มักเรียกกันว่า “กฎทอง”

นี่คือกฎทองของเครื่องขยายเสียงปฏิบัติการ:

1) เกนวงเปิดแบบอนันต์

อัตราขยายแบบวงเปิดคืออัตราขยายของออปแอมป์ที่ไม่มีสัญญาณป้อนกลับเชิงบวกหรือเชิงลบ โดยทั่วไปอัตราขยายแบบวงเปิดของออปแอมป์จะมีค่าเป็นอนันต์ แต่ค่าจริงโดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 20,000 ถึง 200,000

ในกรณีส่วนใหญ่ คุณสมบัติอัตราขยายแบบวงเปิดของออปแอมป์จะไม่ถูกนำมาพิจารณาในการออกแบบวงจร แต่เมื่อต้องจัดการกับวงจรที่มีความแม่นยำสูง จำเป็นต้องให้ความสำคัญกับเรื่องนี้มากขึ้น อัตราขยายแบบวงเปิดส่งผลกระทบต่อความแม่นยำของ DC และความคลาดเคลื่อนของอัตราขยายในวงจรของคุณ อัตราขยายแบบวงเปิดยังส่งผลกระทบต่อผลผลิตแบนด์วิดท์ของอัตราขยายด้วย

กฎทั่วไปก็คือ ยิ่งค่าเกนวงเปิดสูงเท่าใด ประสิทธิภาพของวงจรของคุณก็จะดีขึ้นเท่านั้น

2) ไม่มีกระแสไหลผ่านอินพุตทั้งสอง

อิมพีแดนซ์อินพุตของออปแอมป์ คืออัตราส่วนของแรงดันไฟฟ้าอินพุตต่อกระแสอินพุต และถือว่ามีค่าเป็นอนันต์ ด้วยอิมพีแดนซ์อินพุตที่สูงมากนี้ กระแสไฟฟ้าใดๆ ที่ไหลจากแหล่งจ่ายจะถูกป้องกันไม่ให้เข้าสู่วงจรอินพุตของเครื่องขยายเสียง แม้ว่าในทางอุดมคติจะถือว่าอิมพีแดนซ์อินพุตของออปแอมป์มีค่าเป็นอนันต์และไม่มีกระแสไหลเข้าภายใน แต่ออปแอมป์จริงมีกระแสไฟฟ้ารั่วไหลเข้าตั้งแต่ไม่กี่พิโคแอมป์ไปจนถึงไม่กี่มิลลิแอมป์

ตามที่คุณอาจสังเกตเห็นในบทเรียน op-amp คุณลักษณะนี้ใช้ในการหาสูตรค่าเกนของการกำหนดค่า op-amp ที่แตกต่างกัน

3) ความต่างศักย์ระหว่างพินอินพุตเป็นศูนย์

การป้อนกลับเชิงลบคือกระบวนการเชื่อมต่อเอาต์พุตกลับ ในลักษณะที่จะยกเลิกสัญญาณอินพุตบางส่วน ในทางกลับกัน เครื่องขยายเสียงของเรายังปรับปรุงคุณสมบัติต่างๆ เช่น ความเป็นเส้นตรง ความเรียบของการตอบสนอง และความสามารถในการคาดการณ์

เมื่อเพิ่มฟีดแบ็กเชิงลบให้กับออปแอมป์ ขาอินพุตจะเหมือนกัน หมายความว่า แรงดันไฟฟ้าใดๆ ก็ตามที่มีอยู่ในอินพุตที่ไม่กลับเฟสก็จะมีอยู่ในอินพุตที่กลับเฟสด้วยเช่นกัน

ในตัวอย่างการกำหนดค่าออปแอมป์แบบอินเวิร์ตด้านล่าง เราจะเห็นว่าอินพุตที่ไม่อินเวิร์ตเชื่อมต่อกับกราวด์ อินพุตที่ไม่อินเวิร์ตจะถูกตั้งค่าเป็น 0V ซึ่งหมายความว่าอินพุตอินเวิร์ตก็อยู่ที่ 0V เช่นกัน

อีกตัวอย่างหนึ่งคือการกำหนดค่าออปแอมป์แบบไม่กลับเฟส (non-inverting) ที่มีแรงดันไบอัสจ่ายให้กับอินพุตแบบไม่กลับเฟส วงจรแบบไม่กลับเฟสจะถูกไบอัสโดยวงจรแบ่งแรงดัน โดยไบอัสอินพุตแบบไม่กลับเฟสที่ครึ่งหนึ่งของ VCC ซึ่งหมายความว่าแรงดันที่อินพุตแบบกลับเฟสจะเท่ากับครึ่งหนึ่งของ VCC เช่นกัน

คุณลักษณะของออปแอมป์นี้สามารถนำมาใช้ได้จริงในการตรวจสอบออปแอมป์ว่ายังใช้งานได้ดีหรือเสีย คุณสามารถสร้างวงจรบัฟเฟอร์แหล่งจ่ายไฟเดี่ยวโดยใช้ออปแอมป์ที่จะทดสอบ เนื่องจากเป็นวงจรแหล่งจ่ายไฟเดี่ยว จึงต้องสร้างกราวด์เสมือน ซึ่งทำได้โดยการใช้ตัวแบ่งแรงดันที่อินพุตแบบไม่กลับเฟสของออปแอมป์ (ดูวงจรด้านล่าง) หลังจากสร้างวงจรแล้ว ให้วัดระดับแรงดันที่ขั้วอินพุตทั้งสองของออปแอมป์ ควรอ่านค่าได้เท่ากันหรือใกล้เคียงกัน ในกรณีนี้ ระดับแรงดันที่อินพุตควรใกล้เคียง 4.5V หากแรงดันที่อินพุตไม่ใกล้เคียงกัน ออปแอมป์อาจเสียหรือเสียหาย หรืออาจสร้างวงจรผิด ดังนั้นคุณอาจต้องตรวจสอบอีกครั้งก่อน

โดยสรุป นี่คือ “กฎทอง” ของ op-amp:

1. อ็อปแอมป์มีเกนแบบวงเปิดอนันต์ ในทางอุดมคติ หมายความว่าความต่างศักย์ไฟฟ้าใดๆ ที่ขั้วอินพุตทั้งสองจะส่งผลให้แรงดันเอาต์พุตมีอนันต์ แต่ในออปแอมป์จริง แรงดันเอาต์พุตจะถูกจำกัดด้วยแรงดันของแหล่งจ่ายไฟ เนื่องจากแรงดันเอาต์พุตไม่สามารถเป็นอนันต์ได้ เกนจึงไม่สามารถเป็นอนันต์ได้เช่นกัน
2. ไม่มีกระแสไหลผ่านอินพุตทั้งสองของออปแอมป์ ซึ่งหมายความว่าออปแอมป์ไม่ได้โหลดแหล่งจ่ายกำลังขับและไม่ส่งผลต่อแรงดันไฟฟ้าขาเข้า
3. ในวงจรที่มีสัญญาณป้อนกลับเชิงลบ ความต่างศักย์ระหว่างอินพุตแบบอินเวิร์ทติ้งและแบบไม่อินเวิร์ทติ้งจะเป็นศูนย์ การเพิ่มสัญญาณป้อนกลับเชิงลบลงในวงจรออปแอมป์จะช่วยรักษาคุณลักษณะของออปแอมป์ให้คงที่ นอกจากนี้ เมื่อใช้สัญญาณป้อนกลับเชิงลบ ค่าเกนของออปแอมป์จะถูกควบคุมและคำนวณ

ตอนนี้คุณได้เรียนรู้สิ่งเหล่านี้แล้ว คุณจะสามารถเป็นนักออกแบบวงจรที่ดีขึ้นโดยใช้ op-amp และยังสามารถแก้ไขปัญหาวงจรที่เกี่ยวข้องกับ op-amp ได้ดีขึ้นอีกด้วย