วงจรติดตามแรงดัน (Voltage Follower) หรือที่รู้จักกันในชื่อบัฟเฟอร์ (Buffer) คือวงจรที่ใช้ตัวขยายสัญญาณปฏิบัติการ (Operational Amplifier หรือ Op-amp) โดยมีอัตราขยายแรงดันเท่ากับ 1 ซึ่งหมายความว่าแรงดันเอาต์พุตจะตามแรงดันอินพุต จึงเป็นที่มาของคำว่า "วงจรติดตามแรงดัน" (Voltage Follower)

โดยทั่วไปแล้ว วงจรติดตามแรงดัน (voltage follower) มีวัตถุประสงค์เพื่อแยกหรือแบ่งส่วนต่างๆ ของวงจรออกจากกัน เพื่อไม่ให้เกิดการรบกวนซึ่งกันและกัน

ภาพรวมของแอมพลิฟายเออร์ปฏิบัติการ

วงจรขยายสัญญาณปฏิบัติการ (Operational Amplifier) ​​เป็นวงจรขยายแรงดันไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์อเนกประสงค์ที่มีอัตราขยายสูง มีอินพุตแบบดิฟเฟอเรนเชียล (แบบกลับเฟสและไม่กลับเฟส) และโดยทั่วไปจะมีเอาต์พุตเดียว สามารถใช้งานได้ในรูปแบบต่างๆ รวมถึงแบบกลับเฟสไม่กลับเฟสและแบบติดตามแรงดันไฟฟ้า

คุณสมบัติสำคัญอย่างหนึ่งของออปแอมป์คือ สามารถรักษาระดับแรงดันไฟฟ้าระหว่างขั้วอินพุตทั้งสองให้คงที่ได้เมื่อมีการป้อนกลับเชิงลบ

ในวงจรติดตามแรงดัน (voltage follower) อินพุตที่ไม่กลับเฟสจะเชื่อมต่อกับแหล่งสัญญาณ และเอาต์พุตจะถูกป้อนกลับไปยังอินพุตที่กลับเฟสโดยตรง วิธีนี้ช่วยให้เอาต์พุต "ติดตาม" สัญญาณอินพุตได้ ในขณะเดียวกันก็ให้ประโยชน์ในการจับคู่ความต้านทานระหว่างวงจรแต่ละขั้น

วงจรการกำหนดค่าตัวตามแรงดันไฟฟ้า

ภาพด้านล่างแสดงวงจรติดตามแรงดันทั่วไป (บัฟเฟอร์แบบไม่กลับเฟส) เอาต์พุตเชื่อมต่อโดยตรงกับอินพุตแบบกลับเฟส (-) โดยไม่มีเครือข่ายตัวต้านทานใดๆ ทำให้เกิดวงจรป้อนกลับ การตั้งค่านี้ส่งผลให้วงจรมีอัตราขยายเท่ากับ 1 (อัตราขยายหนึ่งหน่วย) นอกจากนี้ แรงดันอินพุตยังถูกป้อนเข้าที่อินพุตแบบไม่กลับเฟส (+) และเนื่องจากการป้อนกลับ เอาต์พุตจึงสะท้อนอินพุต

ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันไฟฟ้าขาเข้าและขาออก

เนื่องจากอัตราขยายเท่ากับหนึ่ง ความสัมพันธ์ระหว่างอินพุต (V _in ​) และเอาต์พุต (V _out​ ) สามารถอธิบายได้ดังนี้:

วงจรติดตามแรงดันไฟฟ้าไม่ได้ขยายสัญญาณ จุดประสงค์ของวงจรนี้ไม่ใช่เพื่อทำให้สัญญาณแรงขึ้น แต่เพื่อรักษาคุณภาพของสัญญาณขณะที่เคลื่อนจากขั้นหนึ่งไปยังอีกขั้นหนึ่งของวงจร

วงจรป้อนกลับเชิงลบ

นอกจากนี้ ทำไมเอาต์พุตจึงต่อเข้ากับขั้วกลับเฟสของออปแอมป์? การป้อนกลับเชิงลบมีบทบาทสำคัญในวงจรติดตามแรงดัน โดยการป้อนเอาต์พุตกลับไปยังอินพุตกลับเฟสโดยตรง ออปแอมป์จะถูกบังคับให้ปรับเอาต์พุตเพื่อให้ความแตกต่างของแรงดันระหว่างอินพุตเป็นศูนย์

• ความเสถียร : วงจรป้อนกลับเชิงลบช่วยให้เอาต์พุตติดตามแรงดันไฟฟ้าขาเข้าได้อย่างแม่นยำ ทำให้ได้เอาต์พุตที่เสถียรและถูกต้อง‍
• ข้อดีของวงจรป้อนกลับแบบอัตราขยายหนึ่งหน่วย : วงจรป้อนกลับช่วยให้มั่นใจได้ว่าอัตราขยายแรงดันจะคงอยู่ที่หนึ่ง และการรบกวนใดๆ ในวงจรจะได้รับการแก้ไขอย่างรวดเร็วโดยตัวขยายสัญญาณปฏิบัติการ ทำให้ตัวติดตามแรงดันเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการบัฟเฟอร์สัญญาณ

ทำไมผลลัพธ์จึงไม่กลับด้าน?

แม้ว่าเอาต์พุตของวงจรติดตามแรงดันจะเชื่อมต่อกับอินพุตแบบกลับเฟสของออปแอมป์ ซึ่งอาจดูเหมือนการต่อแบบกลับเฟส แต่เอาต์พุตจะไม่กลายเป็นค่าลบหรือกลับเฟส เนื่องจากมีการลัดวงจรเสมือนที่เกิดจากการป้อนกลับเชิงลบ นอกจากนี้ โปรดสังเกตว่าการป้อนกลับนั้นเชื่อมต่อในลักษณะที่ป้องกันการกลับเฟส

ดังนั้น ตามที่กล่าวไว้ข้างต้น เป้าหมายของออปแอมป์ในวงจรนี้คือการรักษาระดับแรงดันไฟฟ้าของอินพุตทั้งสองให้เท่ากัน

อิมพีแดนซ์อินพุตและเอาต์พุต

สิ่งสำคัญที่ควรทราบคือ วงจรตัวตามแรงดัน (voltage follower circuit) ถูกออกแบบมาเพื่อบัฟเฟอร์สัญญาณเป็นหลัก โดยมีอิมพีแดนซ์อินพุตสูงและอิมพีแดนซ์เอาต์พุตต่ำ

อิมพีแดนซ์อินพุตสูง

วงจรติดตามแรงดันไฟฟ้า (Voltage Follower) มีอิมพีแดนซ์อินพุตสูงมาก หมายความว่ามันไม่ดึงกระแสจากแหล่งสัญญาณที่เชื่อมต่อมากนัก คุณลักษณะนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งเมื่อต้องจัดการกับแหล่งสัญญาณที่มีอิมพีแดนซ์สูง เช่น ไมโครโฟนหรือปิ๊กอัพกีตาร์

โปรดจำไว้ว่า หากแหล่งสัญญาณที่มีอิมพีแดนซ์สูงเหล่านี้เชื่อมต่อโดยตรงกับอินพุตที่มีอิมพีแดนซ์ต่ำ อาจทำให้เกิดการ "โหลดเกิน" ส่งผลให้ความแรงของสัญญาณลดลงและอาจทำให้เสียงผิดเพี้ยนได้ นั่นคือเหตุผลที่วงจรขยายสัญญาณแบบออปแอมป์มีประโยชน์มากในสถานการณ์เหล่านี้

อิมพีแดนซ์เอาต์พุตต่ำ

อิมพีแดนซ์เอาต์พุตต่ำหมายความว่าตัวตามแรงดันสามารถขับเคลื่อนวงจรขั้นอื่นๆ ได้โดยไม่เกิดแรงดันตกคร่อมเอาต์พุตมากนัก แม้ว่าวงจรขั้นถัดไปจะมีอิมพีแดนซ์อินพุตต่ำก็ตาม คุณสมบัตินี้ช่วยให้ตัวตามแรงดันสามารถส่งสัญญาณที่สะอาดและเสถียรไปยังส่วนถัดไปของวงจรได้

การประยุกต์ใช้งานจริงของวงจรติดตามแรงดันไฟฟ้า

ดังนั้น การใช้งานจริงทั่วไปของวงจรติดตามแรงดัน (voltage follower) มีอะไรบ้าง? ด้านล่างนี้คือตัวอย่างการใช้งานวงจรติดตามแรงดันในวงจรบางประเภท

การปรับสภาพสัญญาณและการบัฟเฟอร์

ดังที่เราได้กล่าวไปแล้วก่อนหน้านี้ วงจรติดตามแรงดันไฟฟ้า (voltage follower) ถูกนำมาใช้ในวงจรเซนเซอร์เพื่อให้แน่ใจว่าค่าความต้านทานสูงของเซนเซอร์จะไม่ส่งผลกระทบต่อวงจรในขั้นตอนถัดไป

ตัวแปลงสัญญาณอนาล็อกเป็นดิจิทัล (ADC)

นอกจากนี้ ยังมักใช้เพื่อบัฟเฟอร์สัญญาณอินพุตของตัวแปลงสัญญาณอนาล็อกเป็นดิจิทัล (ADC) ในวงจรที่แสดงด้านบน แรงดันไฟฟ้าอินพุตจะถูกบัฟเฟอร์ด้วยตัวขยายสัญญาณปฏิบัติการ (op-amp) ก่อนที่จะเชื่อมต่อกับ ADC การตั้งค่าบัฟเฟอร์นี้เป็นวิธีการทั่วไปในการขับเคลื่อนอินพุตของ ADC เนื่องจากเป็นการแยก ADC ออกจากขั้นตอนก่อนหน้า ทำให้มั่นใจได้ว่า ADC จะได้รับสัญญาณที่มีเสถียรภาพและมีความต้านทานต่ำโดยไม่ทำให้แหล่งกำเนิดโหลดเพิ่มขึ้น

การกำหนดค่านี้ยังช่วยลดข้อผิดพลาดที่อาจเกิดขึ้นและปรับปรุงความแม่นยำของการอ่านค่า ADC โดยการรักษาความสมบูรณ์ของสัญญาณ

การจับคู่ความต้านทานในวงจรเสียง

ในระบบเสียง วงจร Voltage Follower ใช้เพื่อจับคู่แหล่งสัญญาณที่มีอิมพีแดนซ์สูง (เช่น ไมโครโฟน) กับโหลดที่มีอิมพีแดนซ์ต่ำ (เช่น เครื่องขยายเสียง) โดยไม่ส่งผลกระทบต่อคุณภาพของสัญญาณ วงจรเหล่านี้มักเรียกว่า "Pre-Amplifier Buffers" หรือ "Line-Level Audio Buffers"

ตัวติดตามแรงดันไฟฟ้าในตัวกรองอนาล็อก

วงจรติดตามแรงดันไฟฟ้ามักถูกรวมเข้ากับวงจรกรองแบบอนาล็อก เช่น ตัวกรองความถี่ต่ำหรือตัวกรองความถี่สูง เพื่อแยกส่วนต่างๆ ของสัญญาณในขณะที่ยังคงรักษาความสมบูรณ์ของสัญญาณที่ผ่านการกรองไว้

รูปแบบขั้นสูงของตัวติดตามแรงดันไฟฟ้า

ถึงแม้ว่าวงจรติดตามแรงดันไฟฟ้าพื้นฐานจะมีอัตราขยายเท่ากับ 1 แต่ก็ยังมีวงจรขั้นสูงและการปรับปรุงอื่นๆ อีก คุณสามารถศึกษาและเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับวงจรต่างๆ เหล่านี้ได้

บัฟเฟอร์พร้อมเกน

การเพิ่มตัวต้านทานเข้าไปในวงจรป้อนกลับจะช่วยปรับเปลี่ยนบัฟเฟอร์เพื่อให้ได้อัตราขยายเล็กน้อย ในขณะที่ยังคงรักษาคุณสมบัติความต้านทานอินพุตสูงและความต้านทานเอาต์พุตต่ำไว้ได้

บัฟเฟอร์แบบเรียงซ้อน

ในบางการใช้งาน การต่อวงจรติดตามแรงดันไฟฟ้าหลายตัวแบบอนุกรมสามารถช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพโดยรวมได้ เช่น ลดอิมพีแดนซ์เอาต์พุตโดยรวม หรือเพิ่มความสมบูรณ์ของสัญญาณในระยะทางไกล