ความรู้พื้นฐาน บางประการ

ความรู้พื้นฐานบางประการ
กฏเกณ์พื้น ฐานที่ควรทราบ
ระหว่างการถ่ายโอนข้อมูล  สัญญาณที่ไหลผ่านระหว่าง   Microprocessor   กับอุปกรณ์ภายนอก สามารถแบ่งได้ 2 หมวดหมู่คือ
ข้อมูล (Data)
สัญญาณควบคุม  (Control signal)  ส่วนใหญ่จะรวมไปถึง output ของ  Microprocessor  สำหรับการเริ่มต้นถ่ายโอนข้อมูล และสัญญาณ interupt จากอุปกรณ์ภายนอก ข้อมูลมักอยู่ในรูป binary ซึ่งใช้รหัส BCD หรืออี่นๆ
Handshaking เป็น การโอนย้าย control information ระหว่าง Microprocessor และอุปกรณ์ภายนอก
Buffer
เป็นวงจรที่ใช้แยกพักสัญญาณต้น ฉบับ จากจุดถึงจุดของ ระบบ   micro computer   ซึ่ง  buffer  อาจมีการช่วยขยายกระแส
หรือปรับระดับแรงดัน การกระทำอาจ เป็นทั้งทางเดียวหรือ สองทาง
ใน  Microprocessor  การ ใช้  buffer  ที่สำคัญคือ input port ซึ่ง  buffer  จะทำการแยกพักข้อมูล  input  จาก  Data Bus  จาก Microprocessor รอจน Microprocessor จะขอเรียกใช้ input data นั้น
ทำไมต้องใช้   Buffer
เนื่องจากใน  MOS chip  จะให้สัญญาณกระแส ที่มีกำลังขับต่ำ สามารถขับ  TTL  ได้ อย่างมากแค่ตัวเดียว
แต่ใน MOS  Microprocessor   ส่วนที่เป็น output port ที่จะต้องไปขับ
อุปกรณ์ภายนอก  อย่างเช่น   LED  ซึ่ง กินกระแสมาก (ประมาณ 1-10 mA) ลำพัง  MOS   Microprocessor   ไม่สามารถ ขับได้โดยตรง จึงต้องอาศัย  buffer  ช่วยขับ
ปกติการใช้  buffer  จะเป็นการใช้  tri-state  buffer   ที่มี 3 output คือ    1,0 และ  High impedance   ซึ่งจะสั่งให้ทำงานหรือ ไม่ทำงานได้โดยสัญญาณ   Control    ซึ่งเมื่อไม่ทำงานจะให้ผลเป็น High-impedance

A/D convertor

ใช้ในการเปลี่ยนรูปสัญญาณ   Analog voltage   ไปเป็น  Digital ในการที่   Microprocessor   จะกระทำการกับข้อมูล  Analog ได้
ข้อมูลนั้นจะต้องผ่าน A/D convertor ก่อนแล้วจึงเข้า Microprocessor .
ต่อไปเราจะอธิบายหลักการทำงาน อย่างสั้นๆ ของ  Chip A/D convertor

A/D Convertor   แปลง  Analog voltage  V_x ซึ่ง มีช่วงจำกัดที่แน่ นอน (โดย ทั่วไปจะอยู่ในช่วง  0- 10 V) ออกเป็นเลขฐานสอง จำนวน 8 bit  ออกทาง  D₇-D₀
เมื่อจะเริ่มการทำงานเปลี่ยนรูปข้อมูล จะมีการใส่สัญญาณ  pulse เข้ามาทาง  pin start  ซึ่งจะทำให้ค่า  DATA VALID  มีค่าเป็น low ค่า low นี้จะคงอยู่ตลอดระหว่างขั้นตอนการแปลง จนกระทั่ง การ แปลงเสร็จสิ้นจึงจะกลับเป็น   high
ส่วน output  จะออกจาก  A/D Convertor  ได้ก็ต่อ เมื่อได้รับสัญญาณ low เข้าที่ขา   output enable   เท่า นั้น
Sample and Hold คือ อะไร
สมมติมีการออกแบบให้แปลงสัญญาณ  Analog   เป็น Digital โดยการใช้   A/D Convertor   ถ้า  Amplitude  ของ สัญญาณนี้มีการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว อาจทำให้ ค่าสัญญาณ Analog  ผิดเพี้ยนได้ อย่างไรก็ตาม ก็เป็นไปได้ที่เช่นกันที่ สัญญาณ Analog ที่เข้ามา จะคงค่าเดิม
ตลอดระหว่างขั้นตอนการแปลง
เพื่อจะจัดการกับปัญหาเหล่านี้ จึงได้นำเอาวงจร sample and hold มาใส่ไว้ที่ภาค  input  ของ  A/D Convertor  วงจรนี้ใช้ switch analog  แบบ electronic  เพื่อการสุ่ม สัญญาณ  analog  และเก็บค่าที่ได้ไว้ในตัวเก็บประจุ จากนั้น A/D Convertor จะทำการ แปลง Voltage ที่เก็บอยู่
ให้เปลี่ยนไปอยู่ในรูปแบบของสัญญาณ Digital นับเป็นการสิ้นสุดการแปลง  จากนั้นจะไปกระบวนการ
สุ่มตัวอย่างอีกครั้ง ทำเช่นนี้ต่อไปเรื่อยๆ ดังนั้น สรุปการทำงานของวงจร sample  and  hold ก็คือการวนไปเรื่อยๆ เริ่มจาก Sample (สุ่มตัวอย่าง) จากสัญญาณ Voltage   จากสัญญาณ  Analog  และ  Hold   คือการเก็บไว้ใน ตัวเก็บ ประจุ เพื่อที่จะทำการแปลงให้เป็นระดับสัญญาณ Digital
Acquisition time และ Aparture time กับวงจร Sample and hold......
          Acquisition  time   คือเวลาที่ใช้ในการเปิด  switch  และ charge ประจุ จนได้ระดับเดียวกับ  Voltage  ในสัญญาณ Analog
          Aperture  time   ตือเวลาที่ใช้ในการปิด  switch  หลังจากสัญญาณที่สุ่ม (Sample)
นั้นถูกแปลงเป็นสัญญาณ Digital เรียบ ร้อยแล้ว ในอุดมคตินั้น เวลาทั้งสองควรจะเป็น  0  เพื่อหลีก เลี่ยงผลกระทบที่อาจเกิดขึ้น

ในรูปเป็น ตัวอย่างของวงจร Sample and hold ใช้ CMOS analog switch 4066 ซึ่งมีความต้านทานต่ำมาก เมื่อตอนเปิดปิด switch จึงมี RC time constant ต่ำ
---เมื่อ switch on ตัวเก็บประจุจะถูก charge อย่างรวดเร็ว จนเท่ากับระดับ สัญญาณ Analog
---เมื่อ switch off จะมีลักษณะเป็น high impidance ตัวเก็บประจุจะสามารถคงค่า voltage ที่ charge อยู่ต่อไปได้อีกนาน
---Non inverting buffer 1374 จะใช้ค่า Voltage ในตัวเก็บประจุ เป็น input ของ A/D Convertor Inverter และ วงจร transistor จะใช้ในการเปลี่ยน logic High จาก +5V ไปเป็น +15V ซึ่งจำเป็นต้องใช้ในการ switch Analog on
ระบบ I/O แบบขนาน
ตัวอย่าง Block diagram ของการ์ด I/O ขนาด 8 บิต จากรูปจะเห็นว่ามีวงจรบางส่วนที่คล้ายกับวงจร
ที่พบในการ์ดหน่วยความจำ เช่น Address bus buffer, Data bus buffer, Address decoding logic ไมโครโปรเซสเซอร์จะใช้สาย ส่งแอดเดรส A0-A7 ส่งค่าแอดเดรสไปให้การ์ ด่าแอดเดรสนี้จะถูกส่งผ่าน
บัฟเฟอร์เข้าไปในวงจรถอดรหัสแอดเดรสของ I/O จากนั้นวงจรถอดรหัสจะทำการถอดรหัสค่าแอดเดรส
ที่ได้ เพื่อดูว่าไมโครโปรเซสเซอร์ต้องการให้ การ์ดทำอะไร เช่น ไมโครโปรเซสเซอร์ทำการอ้างอิง
พอร์ตเบอร์ 00 ของการ์ดนี้ เพื่อทำการรับข้อมูลจากการ์ด หรือ ทำการอ้างอิงพอร์ตเบอร์ 01 ของการ์ดนี้ เพื่อทำการ ส่งข้อมูลไปยังการ์ด หรือทำการอ้างอิงพอร์ตเบอร์ 02 ของการ์ดนี้ เพื่อทำการอ่าน ข้อมูลสถานะจากการ์ด
สาย /IOREAD และสาย /IOWRITE จะมีหน้าที่คล้ายกับสาย /READ และสาย /WRITE ใน หน่วยความจำ แต่จะใช้ในช่วงการทำงานของ I/O จากรูปจะเห็นว่า สัญญาณ /IOREAD และ /IOWRITE จะเข้าไปในการ์ดได้
ก็เมื่อมีสัญญาณส่งมาจากวงจรถอดรหัสแอดเดรส โดยเราจะเห็นได้ว่าสัญญาณ /IOWRITE จะเข้าไปในการ์ด
ได้ก็ต่อเมื่อมีสัญญาณ DATA OUT จาก วงจรถอดรหัสแอดเดรส และสัญญาณ /IOREAD จะเข้าไปในการ์ดได้
ก็ต่อเมื่อมีสัญญาณ DATA IN หรือ สัญญาณ STATUS จากวงจรถอดรหัสแอดเดรส
         Data bus ของไมโครโปรเซสเซอร์เป็นบัสข้อมูล 2 ทิศทางซึ่งจะเชื่อมต่อกับที่พักข้อมูล ของการ์ด I/O
จาก Block diagram จะเห็นว่ามีการ พักข้อมูลอยู่ 2 ที่ ตัว แรกใช้สำหรับเก็บข้อมูลที่เข้ามาในการ์ดซึ่งจะทำงาน
เมื่อมีสัญญาณ /IOREAD เข้ามาใน การ์ด ตัวที่สองใช้ สำหรับเก็บข้อมูลที่ส่งออกนอกการ์ดไปยังอุปกรณ์ I/O ซึ่งจะทำงานเมื่อมีสัญญาณ /IOWRITE เข้า มาในการ์ด
การ์ด I/O แบบขนานนี้มีรีจิสเตอร์ขนาด 2 บิต ซึ่งไมโครโปรเซสเซอร์สามารถทดสอบค่าในรีจิสเตอร์สถานะ
เพื่อตรวจสอบสถานะของพอร์ต I/O ได้ นอกจากนี้ยังมีสายควบคุม 4 เส้นที่เชื่อมระหว่างรีจิสเตอร์สถานะ
กับอุปกรณ์ภายนอกซึ่งจะช่วยในการควบคุมการโอนย้ายข้อมูล ได้แก่ DATA OUT AVAILABLE,
/OUTPUT DATA RECEIVED, /INPUT DATA AVAILABLE, INPUT DATA RECEIVED
เมื่อไมโครโปรเซสเซอร์ส่งข้อมูลไปยังพอร์ต I/O มันจะส่งค่าแอดเดรสไปยังวงจรถอดรหัสแอดเดรส
เพื่อให้การ์ดทำงานในโหมดส่งข้อมูลออก และจะส่งสัญญาณ /IOWRITE ไปด้วยซึ่งขั้นตอนดังกล่าวจะทำให้
เกิดการเคลื่อนย้ายข้อมูลจากบัสของไมโครโปรเซสเซอร์ไปยัง แลตช์ข้อมูลขนาด 8 บิตและจะเกิดการเซต
บิต output ของรีจิสเตอร์สถานะ การเซตบิตนี้จะทำให้สาย DATA OUTPUT AVAILABLE มีค่าเป็น 1 ซึ่งจะบอกข้อมูลภายนอกว่ามีข้อมูลส่งมาจากไมโครโปรเซสเซอร์
เมื่ออุปกรณ์ภายนอกทำการอ่านข้อมูลไปแล้วมันก็จะ ส่งสัญญาณ /OUTPUT DATA RECEIVED ซึ่งจะทำให้เกิดการเคลียร์ ค่าในบิต output ของรีจิสเตอร์สถานะเมื่อ ไมโครโปรเซสเซอร์อ่านค่าในรีจิสเตอร์สถานะ ถ้าพบว่าบิต output ถูกเคลียร์มันก็จะทราบว่า อุปกรณ์ภายนอกได้รับข้อมูลแล้ว
ถ้าอุปกรณ์ภายนอกต้องการส่งข้อมูลไปให้กับไมโคร โปรเซสเซอร์ มันก็จะส่งสัญญาณ /INPUT DATA AVAILABLE สัญญาณนี้ จะไปทำให้เกิดการเคลียร์ค่าในบิต input ของรีจิเตอร์สถานะซึ่ง จะทำให้เกิดการ
ส่งสัญญาณ อินเตอร์รัปต์ไปให้ แก่ไมโครโปรเซสเซอร์ ไมโครโปรเซสเซอร์ จะใช้โปรแกรมพูลลิ่งตรวจสอบ ค่า
ในรีจิเตอร์สถานะของพอร์ตแต่ ละตัวจนกระทั่งพบพอร์ตที่สร้าง สัญญาณอินเตอร์รัปต์ ซึ่งบิต input ของมัน
จะเป็น 0 ไมโครโปรเซสเซอร์จะทำการ อ่านข้อมูล จากพอร์ตโดยจะส่งค่าแอดเดรสไปยังวงจรถอดรหัสแอดเดรส
เพื่อทำให้การ์ดทำงานในโหมดรับข้อมูล และส่งสัญญาณ /IOREAD ไปด้วย ซึ่งขั้นตอนดังกล่าวนี้
จะทำให้เกิดการอ่านข้อมูลจากบัฟเฟอร์รับข้อมูล D0-D7 ไปยังบัสภายในของการ์ด I/O จาก นั้นข้อมูลจะถูกส่งผ่าน bus driver เพื่อไปให้แก่บัสข้อมูลของ ไมโครโปรเซสเซอร์ สัญญาณ /IOREAD ที่ส่งมายังการ์ดนั้นจะทำให้บิต input ของรีจิสเตอร์สถานะมีค่า เป็น 1 ด้วย ซึ่งจะทำให้สาย INPUT DATA RECEIVED มีค่าเป็น 1 อุปกรณ์ภายนอกก็จะตรวจสอบ INPUT DATA RECEIVED นี้ ถ้ามีค่าเป็น 1 ก็แสดงว่าไมโครโปรเซสเซอร์อ่านข้อมูลจากการ์ดไป แล้ว ถ้าเป็น 0 ก็แสดงว่าไมโครโปรเซสเซอร์ยังไม่อ่าน
ข้อมูลจากการ์ด ซึ่งอุปกรณ์ภายนอกต้องเก็บข้อมูล ที่จะส่งไว้ก่อน
เมื่อใดก็ตามที่ไมโครโปรเซสเซอร์ต้องการทราบสถานะของพอร์ต I/O มันก็จะต้องส่งค่าแอดเดรส ไปยังวงจรถอดรหัสเพื่อให้การ์ดทำงานในโหมดอ่านข้อมูลสถานะจากการ์ด และส่ง /IOREAD ไปด้วย ซึ่งขั้นตอนดังกล่าวนี้จะทำให้เกิดการนำข้อมูลในบิต output ของรีจิสเตอร์สถานะไปยังบิต D0 ของบัสภายใน และเกิดการนำข้อมูลในบิต input ของรีจิ สเตอร์สถานะไปยังบิต D7 ของบัสภายใน ข้อมูลดัวกล่าว จะถูก
ย้ายเข้าสู่บัสของไมโครโปรเซสเซอร์ด้วย
เราสามารถทำการเชื่อมต่อพอร์ต I/O แบบขนานกับอุปกรณ์ภายนอกได้โดยอาจใช้สายแบบ multiconductor cable ซึ่งประกอบด้วยสายสำหรับรับ ข้อมูล 8 เส้นสายสำหรับส่งข้อมูล 8 เส้น และสายตอบรับอีกไม่กี่เส้น พอร์ต I/O แบบขนานนี้จะใช้ในระบบที่มี การส่งข้อมูลในระยะใกล้ ๆ ความยาวของสาย และกำลังส่งจะเป็นตัวจำกัดระยะทางในการส่งข้อมูล
ถึงแม้ว่าจะมี การนำวงจร ที่มีกำลังสูง ๆ มาใช้ก็ยังสามารถส่งข้อมูลได้ไกลที่สุดแค่ประมาณ 50 เมตรเท่านั้นทั้งนี้เนื่องมาจาก ค่า capacitance ในสายจะเป็นตัวจำกัดความยาวของสาย โดยเมื่อสายมีความยาว
เพิ่มขึ้นค่า capacitance ก็จะ เพิ่มขึ้นตามไปด้วย และเมื่อค่า capacitance ในสาย สูงกว่าที่วงจรขับจะสามารถ
ส่งข้อมูลผ่านเข้าไปในสายได้ก็จะทำให้ข้อมูลส่งไม่ถึงปลาย ทาง

การเชื่อมต่อแบบ ขนานอยู่มี 2 แบบที่พบในระบบ PC ได้แก่

การเชื่อมต่อแบบ centronics
การเชื่อมต่อแบบ SCSI (Small Computer System Interface)

การเชื่อมต่อแบบ centronics นั้นได้ชื่อเรียกมาจากบริษทผลิต เครื่อง printer ที่นำการเชื่อมต่อ แบบนี้มาใช้ การเชื่อมต่อแบบนี้จะส่งข้อมูลได้ใน 2 ทิศทางแต่โดยส่วนใหญ่จะถูกนำมาใช้ในการส่งข้อมูลจาก คอมพิวเตอร์
ไปยังพรินเตอร์ และใช้วงจรขับแบบ TTL ซึ่งจะทำให้สายมีความยาวไม่เกิน 10 ฟุต
การเชื่อมต่อแบบ SCSI เป็นการเชื่อมต่อแบบขนานที่นิยมนำมาใช้ในการเชื่อมต่อ ระหว่างคอมพิวเตอร์กับ อุปกรณ์สำรองข้อมูล โดยยังไม่มีมาตรฐานในการเชื่อมต่อที่ระบุอย่างชัดเจน จากรูปจะมีสายส่งข้อมูล 2 ทิศทาง
จำนวน 8 เส้น

ระบบ I/O แบบอนุกรม

สายส่งข้อมูลแบบขนานที่ใช้สำหรับเชื่อมต่อระหว่างพอร์ต I/O กับอุปกรณ์ภายนอกจะมีความยาว
ได้ เพียงไม่กี่เมตรเท่านั้น ถ้าเราต้องการส่งข้อมูลระยะทางไกล ๆ เราก็จะต้องนำวงจรขับพิเศษมาใช้ และสายส่งข้อมูลที่ใช้จะมากกว่าแบบอนุกรม 8 เท่า การส่งข้อมูลแบบอนุกรมจึงใช้กันอย่างกว้างขวาง

การเชื่อมต่อแบบอนุกรมและ UART

การแปลงข้อมูลแบบขนานเป็นข้อมูลแบบบอนุกรม เริ่มแรกข้อมูลแบบขนานจะถูกเก็นไว้ใน shift register จากนั้นเราจะใช้ สัญญาณนาฬิกาในการเลื่อนค่าในรีจิสเตอร์ออกมาทีละบิต โดย LSB จะถูกเลื่อนออกมาก่อน การแปลงข้อมูลแบบอนุกรมไปเป็นข้อมูลแบบขนาน ข้อมูลแบบอนุกรมจะถูกเลื่อนเข้าไปเก็บใน shift register หลังจากที่ได้มีการเลื่อนข้อมูลทุก บิตเข้าไปใน shift register แล้ว ข้อมูลใน shift register ก็จะถูกนำออกมา
แบบขนานเพื่อนำไปให้กับไมโครโปรเซสเซอร์

อุปกรณ์ที่เรา นำมาใช้ในการแปลงข้อมูล คือ UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter)
เป็นวงจร LSI ซึ่งนอกจากจะมี หน้าที่ในการแปลงข้อมูลแล้ว มันยังมีหน่วยควบคุม และหน่วยตรวจสอบ
การทำงานด้วย ในการส่งข้อมูลขนาด 8 บิต แบบอนุกรมจะต้อง มี Start bit (มีค่าเป็น 0) เพื่อ บอก UART ว่า
มีข้อมูลกำลังเข้ามา และ Stop bit (มี ค่าเป็น 1) เพื่อบอก UART ว่าข้อมูลส่งหมดแล้ว ซึ่งจะทำให้ข้อมูล ที่ส่งออกไป
มีขนาด 10 บิต เราเรียกความเร็วในการส่งข้อมูลของ UART ว่า baud rate ซึ่งจะ บอกจำนวนบิตที่ส่งออกไป ในเวลา 1 วินาที เช่น การส่งข้อมูลด้วยอัตรา 1200 ก็คือการส่งตัวอักขระขนาด 10 บิตได้ 120 ตัว ใน 1 วินาที

Baud Rate
Bytes/Second
110
10
150
15
300
30
600
60
1200
120
2400
240
4800
480
9600
960
19200
1920
38400
3840
จากตารางจะเห็นว่าในการส่งข้อมูลด้วยอัตรา 110 จะมีรูปแบบต่างจากอัตราอื่น ๆ คือ จะใช้ Stop bit 2 บิต ดังนั้นจึงต้องส่งข้อมูลที่มีขนาด 11 บิต

บิตที่ 8 ของข้อมูลจะนำมาใช้ในการตรวจสอบความผิดพลาดของข้อมูล ซึ่งเราเรียกบิตนี้ว่า Parity bit ถ้าใช้พาริตี้คู่ UART จะทำการเซตหรือเคลียร์บิตที่ 8 เพื่อให้ข้อมูลทั้ง 8 บิต มีเลข 1 จำนวนคู่ตัว
เมื่อ UART รับข้อมูลมา UART ก็จะตรวจสอบความถูกต้องของข้อมูลโดยดูจาก Parity bit ถ้าข้อมูลมีค่าพาริตี้ ไม่ตรงตามที่ กำหนดบิตพาริตี้ในรีจิเตอร์สถานะ ของ UART ก็จะถูกเซตเพื่อแสดงว่าข้อมูลที่รับมาผิด พลาด
และโปรแกรมที่ทำการรับข้อมูลนั้นก็จะขอให้มีการส่งข้อมูลมา ใหม่

การใช้พาริตี้นี้จะสามารถตรวจสอบความผิดพลาด ได้เพียง 50 เปอร์เซ็นต์ของความผิดพลาดทั้ง หมด
ทั้งนี้เนื่องจากมันจะจับความผิดพลาดได้เฉพาะกรณีที่ข้อมูล นั้นเกิดข้อผิดพลาดเป็นจำนวนคี่บิต ถ้าข้อมูลนั้น
เกิดความผิดพลาดเป็นจำนวนคู่บิตก็จะไม่ทำให้ค่าพาริตี้เปลี่ยนแปลง ความผิดพลาดก็จะไม่ถูกตรวจพบ UART ยังสามารถตรวจสอบ framing error ได้ framing error จะเกิดขึ้นเมื่อ UART ได้รับ ข้อมูลที่มี Start bit และ Stop bit ใน ตำแหน่งที่ไม่ถูกต้อง

จากรูปแสดง Block diagram ของ UART อย่างคร่าวๆ สามารถแบ่งได้เป็น 4 ส่วนใหญ่ ๆ ได้แก่
ส่วนที่ทำหน้าที่ส่ง ข้อมูล
ส่วนที่ทำหน้าที่รับข้อมูล
ส่วนที่กำหนดสถานะ
ส่วนที่เป็นวงจรควบคุม
ส่วนที่มีหน้าที่ในการส่งข้อมูลของ UART แบ่ง ออกได้เป็น 2 ส่วน คือ transmitted-data output buffer
กับ รีจิสเตอร์ส่งข้อมูล (transmit register) โดยรีจิสเตอร์ส่งข้อมูลจะมีหน้าที่เลื่อนข้อมูลส่งออกไปยัง
เส้นส่งข้อมูลอนุกรม โดยเริ่มจาก Start bit ตามด้วย D0-D7 และ Stop bit ถ้า สัญญาณ data input strobe เปลี่ยนจาก 1 เป็น 0 ข้อมูลขนาด 8 บิตที่จะส่ง จะถูกนำไปเก็บใน transmitted-data output buffer และถ้าสัญญาณ data input strobe เปลี่ยนจาก 0 เป็น 1 การส่งข้อมูลจะเริ่มขึ้น
ส่วนที่ทำหน้าที่รับข้อมูลของ UART จะ เหมือนเป็นภาพสะท้อนของส่วนที่ทำหน้าที่ส่งข้อมูล เมื่อมี Start bit เข้ามา ข้อมูลที่เข้ามาทางเส้นรับข้อมูลจะถูกเลื่อนเข้าไปเก็บในรีจิสเตอร์รับ ข้อมูล (receive register) จนครบ เมื่อมีสัญญาณ data output strobe ข้อมูลในรีจิสเตอร์นี้จะถูกนำไปเก็บใน บัฟเฟอร์รับข้อมูล (received-data output buffer) ทั้งรีจิสเตอร์ส่งข้อมูลและรีจิสเตอร์รับ ข้อมูลจะได้รับสัญญาณนาฬิกาขนาด 16 หรือ 64 เท่าของ baud rate
รีจิสเตอร์สถานะของ UART จะมีบิตบอก สถานะดังต่อไปนี้
          OR (Over Run)                     บิตนี้จะมีค่าเป็น 1เมื่อข้อมูลใหม่เข้ามาทับข้อมูลเก่า
โดย ที่ข้อมูลเก่ายังไม่ได้ถูกนำไปเก็บในบัฟเฟอร์รับข้อมูล
          FE (Framing Error)                 บิตนี้จะมีค่าเป็น 1 ถ้า UART ไม่พบ Stop bit ซึ่งอาจเป็นเพราะว่า
                                                    UART ไม่ได้อ่าน  Start bit ในตำแหน่ง ที่ถูกต้อง
          PE (Parity Error)                    บิตนี้จะมีค่าเป็น 1 เมื่อ UART พบว่าข้อมูลที่ได้รับมีพาริตี้ไม่ ถูกต้อง
         TBE (Transmit Buffer Empty)   บิตนี้จะมีค่าเป็น 1 เมื่อ UART ได้ทำการส่งข้อมูลออกไปแล้ว ซึ่ง ทำให้ เราสามารถนำข้อมูลชิ้นต่อไป ที่จะส่ง เก็บ ลงในบัฟเฟอร์ส่งข้อมูลได้
         DA (Data Available)                บิตนี้จะมีค่าเป็น 1 เมื่อ UART ได้รับข้อมูลใหม่เข้ามา และ ไมโครโปรเซสเซอร์
สามารถ ทำการอ่านข้อมูลนี้ได้ โดยส่งสัญญาณ data output strobe

หลังจากที่ข้อมูลในรีจิสเตอร์สถานะของ UART ถูกนำไปเก็บในบัฟเฟอร์รับข้อมูลแล้ว เราก็สามารถ เคลื่อนย้ายข้อมูลนี้เข้าไปยังแอกคิวมูเลเตอร์ของ ไม่ได้ ซึ่งทำให้เราสามารถตรวจสอบสถานะของ UART ได้
รีจิสเตอร์ควบคุมการทำงานของ UART ทำให้ เราสามารถกำหนดโหมดในการทำงานของ UART ได้ บิตควบคุมจำนวนข้อมูลทั้งสองบิต จะช่วยให้เราสามารถเลือกจำนวนของข้อมูลจริงที่รับมาว่าเป็น 5 บิต 6 บิต
7 บิต หรือ 8 บิต โดยเราจะใช้ข้อมูลจริงขนาด 5 บิตในการส่งข้อมูลของเครื่องโทรพิมพ์ ข้อมูลขนาด 6 บิต
ใช้ในการส่งข้อมูลที่มีการย่อขนาด ข้อมูลขนาด 7 บิตใช้ในการส่งข้อมูลรหัสแอสกี ข้อมูลขนาด 8 บิตใช้ เมื่อไม่มีการบิตพาริตี้
บิตควบคุมคู่/คี่จะใช้ในการกำหนดพาริตี้ที่ใช้ว่าเป็นพาริตี้คู่ หรือคี่
บิตสตอปของวงจรควบคุมจะกำหนดจำนวน Stop bit ที่ใช้ในการส่งข้อมูลโดยการส่งข้อมูล
ด้วยอัตรา 110 จะต้องใช้ Stop bit 2 บิตเสมอ บางครั้งอาจมีบิตควบคุมพิเศษเพิ่มเข้ามาซึ่งทำให้เรา
สามารถเลือกใช้ Stop bit จำนวน 1.5 บิต ซึ่งจะใช้ในการส่งข้อมูลมาตรฐานแบบเก่าขนาด 5 บิต
บ่อยครั้งที่ UART ถูกนำมาใช้ร่วมกับไอ ซีพิเศษที่ทำหน้าที่สร้างสัญญาณที่มี baud rate เป็น 16 หรือ
64 เท่า ของ baud rate มาตรฐานทั้ง หมดสัญญาณมาตรฐานนี้จะถูกสร้างมาจากวงจรกำเนิดสัญญาณแบบ
คริสตรอล ดังนั้นจึงทำให้ baud rate ที่ได้มีอัตราคงที่และเที่ยงตรงบ่อยครั้ง ที่วงจรสร้างสัญญาณจะรับ
สัญญาณอินพุตจากวงจรหารสัญญาณนาฬิกา วงจรสร้างสัญญาณ baud rate ที่สามารถโปรแกรมได้
จะทำให้เราสามารถใข้ โปรแกรมเพื่อควบคุมการทำงานของ UART ให้มี baud rate ตาม ที่ต้องการได้
การส่งข้อมูลของ UART จะเป็นแบบอะซิงโครนัส คือ การส่งข้อมูลของ UART จะไม่ขึ้นกับไมโคร โปรเซสเซอร์ โดย UART และไมโครโปรเซสเซอร์จะมีวงจรสร้างสัญญาณนาฬิกาของมัน เอง แต่ถ้าเราพบว่า UART และไมโคร โปรเซสเซอร์ใช้สัญญาณนาฬิกาจากวงจรเดียวกันก็ไม่ได้หมายความว่า UART และไมโครโปรเซสเซอร์ทำงาน ร่วมกันแบบเข้าจังหวะ แต่การทำเช่นนี้ก็เพื่อเป็นการลดวงจรที่ใช้สร้างสัญญาณนาฬิกา เวลาระหว่างเวิร์ดข้อมูล แต่ละตัวที่รับเข้ามาจะไม่แน่นอน
ในการส่งข้อมูลที่เป็นรหัสแอสกีเราจะพบว่าระหว่างบิตแต่ละบิตจะ เป็นแบบซิงโครนัส
แต่เวลาระหว่างตัวอักขระจะเป็นแบบอะซิ งโครนัส ไมโครโปรเซสเซอร์จะทำการอ่านข้อมูลจาก UART ที่รับ ข้อมูลแบบอะซิงโครนัสได้อย่างไรและไมโครโปรเซสเซอร์ทราบได้อย่างไรว่า UART จะรับข้อมูลใหม่เมื่อไรในเมื่อเวลาในการรับตัว อักขระแต่ละตัวไม่แน่นอน คำตอบก็คือไมโครโปรเซสเซอร์จะ ทำการตรวจสอบค่าในรีจิสเตอร์สถานะของ UART เป็นช่วง ๆ ซึ่งถ้ามันพบว่า บิต DA (Data Available) เป็น 0 ไมโคร โปรเซสเซอร์ก็จะตรวจสอบค่าในรีจิสเตอร์สถานะต่อไปจนกว่า DA จะ เป็น 1 ถ้าบิต DA เป็น 1 มันก็จะ ทำการอ่านข้อมูลจาก UART จากนั้นเราก็จะนำบิต DA ไปสร้างสัญญาณอินเตอร์รัปต์ของ ไมโครโปรเซสเซอร์ และเมื่อไม่ได้รับสัญญาณ อินเตอร์รัป ต์มันก็จะเรียกใช้โปรแกรมสนองการอินเตอร์รัปต์ ซึ่งจะมีคำสั่งในการอ่านข้อมูลใน UART มาเก็บไว้ ในแอกคิวมูเลเตอร์

แอมปลิฟลายเออร์

แอมปลิฟลายเออร์

แอมปลิฟลายเออร์หรือเครื่องขยายเป็นเครื่อง ใช้สำหรับเพิ่มโวลเต็จหรือกระแส

หรือกำลังของสัญญาญไฟฟ้า

การขยายสัญญาณไฟฟ้าทั้งสามแบบเรียกว่า เกนหรืออัตราการขยาย เกนหาได้จาก

การคำนวณโดยใช้ระดับสัญญาณอินพุทและ ระดับสัญญาณเอ้าพุท

เกน = (สัญญาณเอ้าพุท) / (สัญญาณอินพุท)

เกน เป็นอัตราส่วน ทำให้ไม่ต้องมีหน่วย สัญลักษณ์ที่ใช้กันทั่วของเกน คือ A และมี

ตัวห้อย เป็น i v และ p เพื่อกำหนดชนิดของสัญญาณ

Ai = อัตราขยายกระแส

Av = อัตราขยายโวลเต็จ

Ap = อัตราขยายกำลัง

สัญลักษณ์สามเหลี่ยมตะแคงใช้แทนอุปกรณ์ทั้งหมดที่ ประกอบเป็นเครื่องขยายหรือ

แอมปลิฟลายเออร์

การใช้ BJT เป็นแอมปลิฟลายเออร์สำหรับ สัญญาณขนาดเล็ก

ทรานซิสเตอร์นอกจากจะไบอัสให้ต่อวงจรเต็มและตัด วงจรขาดทำหน้าที่เป็นสวิตช์แล้ว

ยังสามารถไบอัสให้ต่อวงจรเป็นบางส่วนได้ ขึ้นอยู่กับสัญญาณอินพุท ซึ่งอธิบายด้วยกราฟคุณลักษณะ

เอ้าพุทและโหลดไลน์ได้

จากการเลือกดีซีไบอัสขาเบสที่เหมาะสมจะทำให้สามารถ ไบอัสหลาย ๆ จุดบนโหลดไลน์ให้

ทรานซิสเตอร์ทำงานได้เป็นอย่างดี

เช่น

ถ้า I_B = 0 ทำให้ I_C = 0 ทรานซิสเตอร์ตัดวงจรขาด V_CE = 10V

ถ้า I_B = 5uA ทำให้ I_C = 3mA ทรานซิสเตอร์ต่อวงจรบ้าง V_CE = 7V

ถ้า I_B = 10uA ทำให้ I_C = 5mA ทรานซิสเตอร์ต่อวงจรบ้าง V_CE = 5V

ถ้า I_B = 15uA ทำให้ I_C = 7mA ทรานซิสเตอร์ต่อวงจรบ้าง V_CE = 3V

จะเห็นว่ากระแสเอ้าพุทถูกควบคุมด้วยกระแสอินพุท โดยไม่มีสัญญาณเข้าทางอินพุท

เรียกว่า จุดสงบ(quiescence หรือ Q) จุด Q จะอยู่ที่ใดที่หนึ่งบนเส้นโหลดไลน์ จากล่างสุด

ที่ V_CE = 10V I_C = 0A ถึงบนสุดที่V_CE = 0V I_C = 10mA

การเลือกจุด Q มีหลักการ ที่ว่า เครื่องขยายจะต้องมีการเพี้ยนของสัญญาณน้อยที่

สุด สัญญาณเอ้าพุทจะ ต้องเหมือนสัญญาณอินพุทมากที่สุดเพียงแต่ใหญ่กว่า ที่แน่ ๆ คือ

สัญญาณจะต้องสวิงขึ้นและลงทั้งสองทางได้อย่างสะดวก จุดที่ดีที่สุดคือจุดกึ่งกลางของ

เส้นโหลดไลน์

V_CEQ = V_CC / 2

เมื่อทรานซิสเตอร์ถูกไบอัสที่จุดกึ่งกลางเส้นโหลดไลน์ เรียกว่า การไบอัสคลาสเอ

V_CEQ = 5V I_C = 5mA

วงจรเครื่องขยายพื้นฐาน

วงจรแบ่งแรงดันไฟฟ้า R₁ และ R₂ ทำหน้าที่ให้

V_BE คงที่ เป็นผลให้ I_B คงที่ด้วย I_C จะถูกกำหนด

โดย I_B และ h_FE ได้

I_C = h_FE x I_B

Vout ก็คือ V_CE ถูกกำหนดโดยโวลเต็จตกคร่อม R_C

เกิดจากการใหลของกระแส I_C

V_CE = V_CC - (I_CR_C)

เมื่อ I_C = 0A , V_CE = V_CC

V_CE = +10V ที่จุด x

เมื่อ V_CE = 0V

I_C = V_CC / R_C = 10V / 1k = 10mA ที่จุด y

ตำแหน่ง Q อยู่ที่กลางเส้น โหลดไลน์ที่มี V_CEQ = 5V ถ้าทรานซิสเตอร์

มีค่า h_FE(min) = 250 แล้ว

I_C = 5mA

I_B = I_C / h_FE

= 5 x 10^-3 / 250

= 20uA

ทำให้ได้ I_BQ = 20uA

R₁ และ R₂ จะต้องเลือกให้ สามารถคงค่า I_BQ ที่ 20uA ที่

ไม่มีสัญญาณ

I_BQ = 20uA

I_CQ = 5mA

V_CEQ = 5V

V_CE = V_CC - (I_CR_C)

= 10 - (5 x 10^-3 x 1k)

= 10 - 5

= 5V

ถ้าใส่สัญญาณเข้าทางอินพุท เมื่อสัญญาณอินพุทเป็นบวกเพิ่มขึ้น ทำให้ I_B เพิ่มขึ้น

จุด Q จะเลื่อนขึ้นตามเส้น ไปสู่จุด y ทำให้ I_C เพิ่มขึ้น ค่า I_CR_Cเพิ่มขึ้น

และทำให้ V_CE ลดลง

ตรวจสอบความคิด

ขณะที่สัญญาณอินพุทเพิ่มขึ้นทางด้านเอ้าพุทจะลดลง สมมุติว่าสัญญาณเข้าทำให้ค่า

I_B เพิ่มขึ้นเป็น 30uA ทำให้ค่า I_C เพิ่มขึ้นเป็น 30uA x 250 =

7.5mA จะได้ค่าโวลเต็จตก คร่อม R_C เป็น

I_CR_C = 7.5 x 10^-3 x 1k

= 7.5V

จะได้ V_CE = 10 - 7.5

= 2.5V

เมื่อสัญญาณอินพุทไปทางลบ I_B ลดลง จุด Q เคลื่อนลงไปหาจุด x

ทำให้ค่า I_C ลดลง ค่า I_CR_C ลดลง ค่า V_CE เพิ่มขึ้น

ต่อมาเมื่อ Vin เป็นบวก I_B และ I_C สูงขึ้น V_CE ลดลง พอ Vin เป้น

ลบ I_B และ I_C ลดลง V_CE เพิ่มขึ้น

---

ตรวจสอบความเข้าใจ 7

เครื่องขยายทรานซิสเตอร์อิมิตเตอร์ร่วมคลาสเอ มีตัวต้านทานโหลดที่ขาคอลเลค-

เตอร์ 2.2k ถ้ากระแสคอลเล็คเตอร์เป็น 2mA ภาย ใต้เงื่อนใข Q และ แหล่งจ่ายไฟดีซี 12V หา

ก Q เอ้าพุทโวลเต็จ

ข เอ้าพุทโวลเต็จที่จะสวิงได้สูงสุดก่อนจะเกิดการผิดเพี้ยน

ค กระแสเอ้าพุทที่จะสวิงได้สูงสุดก่อนจะเกิดการผิดเพี้ยน

ง กระแส เบส Q เมื่อค่า h_FE เป็น 120

---

อินพุทและเอ้าพุทคาปา ซิเตอร์

จากที่กล่าวมาเป็นการไบอัสที่ไม่มีสัญญาณเข้ามาเลย หรือไบอัสคงที่ แต่ถ้า

มีการใส่สัญญาณดีซีผสมเข้ามาด้วย สัญญาณดีซีนี้จะทำให้จุดทำงานของ ทรานซิสเตอร์

เลื่อนไป และเปลี่ยนแปลงจุดไบอัสไป

ไม่มีดีซี มีเอซี 10mV

มีทั้งเอซีกับดีซีเข้ามา เอซี 10mV กับ ดีซี 1V

ถ้าสัญญาณเอ้าพุทอยู่ ทางซีกบวก

สัญญาณซีกบวกนี้ มีการสวิงจากจุด +5V เป็นสัญญาณเอซีเอ้าพุทจริงเป็น

สัญญาณเอซีนี้ มีการสวิงจากจุด 0V ดังนั้นทำให้ทางด้านอินพุทและเอ้าพุท

ของวงจรขยายจำเป็นต้องแยกสัญญาณเอซีออกจากไฟดีซี ให้มีเพียงสัญญาณเอซีเท่า

นั้นผ่านไปได้ อุปกรณ์ที่นิยมใช้มากที่สุดสำหรับงานนี้คือ คาปาซิเตอร์

การส่งต่อสัญญาณ(คับปลิ้ง)ด้วยคาปาซิเตอร์

คาปาซิเตอร์เป็น อุปกรณ์ที่ตอบสนองต่อสัญญาณ หมายความว่าสัญญาณที่ผ่าน

คาปาซิเตอร์มากหรือ น้อยขึ้นอยู่กับ

1 ความจุของคาปาซิเตอร์

2 ความถี่ของสัญญาณ

ความต้านทานของคาปาซิเตอร์ต่อ ไฟเอซี คือ X_C

X_C = 1 / 2 p f C W

ตัวอย่างเช่นคาปาซิเตอร์ความ จุ 10uF คำนวณหาความต้านทานต่อไฟฟ้าเอซีที่

ความถี่ 1Hz และ 10kHz

ที่ 1 Hz X_C = 16kW

10kHz X_C = 1.6W

แสดงว่าคาปาซิเตอร์ 10uF นำสัญญาณ 10kHz ได้เป็นอย่างดี แต่จะเป็นตัว

ต้านทานค่าสูงสำหรับสัญญาณ 1Hz

ตรวจสอบความคิด

สำหรับไฟดีซีมีความถี่ 0Hz จะ มีความต้านทานต่อไฟฟ้าดีซี เป็น อนันต์ ¥ W

---

คาปาซิเตอร์มี คุณสมบัติตามสัญญาณดังนี้

1 ทำงานเหมือนตัดวงจร สำหรับสัญญาณดีซี ความต้านทานมีค่าอนันต์

2 มีความต้านทานต่ำมากสำหรับสัญญาณเอซีความถี่สูง ความต้านทานน้อย

3 มีความต้านทานสูงสำหรับ สัญญาณเอซีความถี่ต่ำ ความ ต้านทานมาก

จะต้องเลือกขนาดของคาปาซิเตอร์ให้ มีความต้านทานต่ำสำหรับสัญญาณย่านความถี่

ที่ใช้งานกับเครื่องขยายนั้น ๆ

คาปาซิเตอร์จะยอมให้ สัญญาณเอซีผ่านได้ แต่ป้องกันไม่ให้ส่วนที่เป็นดีซีผ่านไปได้

จึงได้ชื่อ 2 อย่างพร้อมกันคือ คาปาซิเตอร์คับ ปลิง กับ คาปาซิเตอร์บลอคกิ้ง

การควบคุมอุญหภูมิใน ตัวทรานซิสเตอร์

ขณะทรานซิสเตอร์ถูกไบอัสให้ทำงานมีกระแสคอลเล็คเตอร์ กระแสอิมิตเตอร์ และ

กระแสเบส ระหว่างเบสกับคอลเล็คเตอร์ไบอัสแบบรีเวอร์ส จะมีกระแสใหลตาม การควบคุมของ

กระแสเบส แต่ในตัวทรานซิสเตอร์มีประจุพาหะรองอยู่ด้วยทำให้เกิดกระแสรั่วใหลอันเป็นสิ่งที่

ไม่ต้องการเพราะกระแสนี้ทำให้เกิดความร้อนขึ้นใน ตัวทรานซิสเตอร์ เมื่อมี กระแสคอลเล็คเตอร์

ใหลมาก ทำให้กระแสอิมิตเตอร์ใหลมาก ความร้อนจะเพิ่มขึ้น ความร้อนนี้จะทำให้กระแสรั่วใหล

เพิ่มขึ้น ทำให้จุดทำงานที่เลือกไว้เลื่อนขึ้นไปตามเส้นโหลดไลน์ และลงเมื่ออุณหภูมิอันเกิดจาก

ความร้อนลดลง ในการควบคุมความร้อนที่เกิดขึ้น ทำให้ต้องมีตัวระบายความร้อนสำหรับตัว

ทรานซิสเตอร์ไม่ร้อนมากเกินไป แต่ไม่สามารถหยุดความร้อนที่เกิดขึ้นนี้ ได้

วิธีทั่ว ๆ ไป ใช้ตัวต้านทานต่อที่ขาอิมิตเตอร์เป็น R_E

R₁ และ R₂ ทำให้ไบอัสโวลเต็จขาเบส V_B

มีค่าคงที่ ทำให้ค่า I_B นิ่ง ค่า V_BE มีค่า ประมาณ 0.6V สำหรับ

ซิลิคอนทรานซิสเตอร์

ถ้า I_E = I_C

แล้ว V_BE = R_EI_C

ถ้า V_B = 1.6V

และ V_E = 1.0V

V_BE = V_B - V_E

= 0.6V

จากกระแสรั่วใหลในตัว ทรานซิสเตอร์ทำให้ I_C เพิ่มขึ้น I_E เพิ่มขี้น V_E เพิ่มขึ้นด้วย

เช่น เพิ่มเป็น 1.1V ทำให้

V_BE = 1.6 - 1.1

= 0.5V

นั่นคือ V_BE ลดลง

ทำให้ I_B ลดลง ต่อไป ก็ I_C ลดลงด้วย ทำให้จุดทำงานคงที่

ในทำนองเดียวกันกระแสรั่วใหลลด ลงและ I_C ตกลง ทำให้ V_E จะ

ต้องลดลง เป็นผลให้ V_BE เพิ่มขึ้น ทำ ให้จุดทำงานเดิมอยู่คงที่ต่อไป ด้วยวิธีนี้

ทำให้จุดทำงานคงที่อยู่ในช่วงอุณหภูมิที่กว้างขึ้น วงจรจะทำงานมี เสถียรภาพมากขึ้น

การควบคุมอุญหภูมิใน ตัวทรานซิสเตอร์ภายใต้เงื่อนใขของสัญญาณ

เมื่อวงจรทำงานโดยมีสัญญาณป้อนเข้าทางอินพุท กระแสเบสจะเปลี่ยนแปลง

ไปตามสัญญาณอินพุท กระแสคอลเล็คเตอร์จะเปลี่ยนไปด้วย ทำให้กระแสผ่าน R_Eเปลี่ยน

เป็นผลให้ V_E ขึ้น ๆ ลง ๆ ตามกระแสเอ้าพุท

เมื่อ V_E เพิ่มขึ้น V_BE ลดลง และเมื่อ V_E ลดลง V_BE

เพิ่มขึ้น ทำให้เพิ่มความมั่นคงทางอุณหภูมิของทรานซิสเตอร์ขึ้น เมื่อสัญญาณเอซี ไปทำให้ V_E

แปรไปจะทำให้อัตราการขยายของทรานซิสเตอร์ลดลง

เพื่อป้องกันไม่ให้กระแสเอซีใหลผ่าน R_E ในขณะที่กระแสดีซีใหลผ่าน

R_E โดยใช้คาปาซิเตอร์ทำ หน้าที่บายพาส R_E และทำใหัสัญญาณ

เอซีเป็น 0V ทำให้ C_E มีชื่อว่า บายพาสหรือดีคับปลิ้งคาปาซิเตอร์ และเลือกให้มี

ความต้านทานต่อสัญญาณเอซีต่ำ ๆ

ตรวจสอบความคิด

ไม่มีดีซีใหลผ่าน C_E เพราะคาปาซิเตอร์กั้นกระแส ไฟฟ้าตรง

---

ความสำคัญของดีคับปลิ้งคาปาซิเตอร์

ถ้าไม่มีคาปาซิเตอร์ตัว นี้จะทำให้เอซีต้องใหลผ่าน R_E ร่วมกับดีซี

ที่ทำหน้าที่รักษาสมดุลย์ทาง อุณหภูมิให้แก่ทรานซิสเตอร์ อัน เป็นผลให้อัตราการขยายสัญญาณ

เอซีของทรานซิสเตอร์ลดลง

คาปาซิเตอร์ที่ต่อ ขนานกับ R_E จะมีค่าความต้านทานต่อไฟฟ้าเอซี

ความถี่สูงน้อย แต่ความถี่ต่ำมาก ถ้าจะให้ ค่าความต้านทานนี้น้อยลงสำหรับความถี่ต่ำจะต้องใช้

คาปาซิเตอร์ที่มีค่า มาก ๆ เช่นถ้าใช้ C_E 100uF จะมีค่าเพียง

X_C ที่ 1kHz = 1.59 W

กราฟคุณสมบัติเฉพาะของแอมปลิฟายเออร์

สำหรับเครื่องขยายกำลังต่ำ สิ่งที่ต้องสนใจคือ

อัตราการขยาย จำนวนการเพิ่มขึ้นจากสัญญาณอินพุท

สำหรับเครื่องขยายสัญญาณกำลังต่ำ A_i และ A_v เป็น

อัตราขยายกระแสและอัตราการขยายโวลเต็จ สำหรับเอซี ถ้าตัวห้อยเป็นอักษรเล็ก แทน

เครื่องขยายสัญญาณกำลังต่ำ ถ้าตัวห้อยเป็นอักษรใหญ่ แทนเครื่องขยายดีซี หรือดีซี

ไบอัส

h_FE = อัตราการขยายกระแสดีซีฟอร์เวอร์ส

h_fe = อัตราการขยายกระแสเอซี

เมื่อป้อนสัญญาณอินพุทเข้าไปในเครื่องขยายกำลังต่ำ จะทำให้ค่าดีซีไบอัสเปลี่ยน

ไป ทำให้จุด Q เลื่อนไปด้วย แต่เป็นการเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อย เมื่อสัญญาณที่เข้าไปมี

ขนาดเล็ก ๆ

A_i = กระแสที่เปลี่ยนไปทางเอ้าพุท / กระแสที่เปลี่ยนไปทางอินพุท

= dI_C / dI_B

= I_c / I_b

เมื่อ d คืออักษรกรีกชื่อเดลต้าแทนการเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อย

I_C คือกระแสเอ้าพุทกำหนด โดยการไบอัส

I_C คือกระแสอินพุทกำหนดโดยการไบอัส

ทำนองเดียวกัน ได้

A_v = โวลเต็จที่เปลี่ยนไปทางเอ้าพุท / โวลเต็จที่เปลี่ยนไปทางอินพุท

= dV_CE / dV_BE

= V_ce / V_be

ระดับการผิดเพี้ยนของสัญญาณ ขนาดของสัญญานอินพุทสูงสุด

ก่อนที่สัญญาณเอ้าพุทจะ เพี้ยนไป เป็นการง่ายมากถ้า สัญญาณอินพุทมีขนาดแรงมากไปกว่าที่

จะทำให้สัญญาณเอ้าพุทสวิง พอดีจากจุด Q ถึงจุดสูงสุดหรือต่ำสุด ส่วนที่เกินพอดีจะถูกขลิบ

ออกไป

เช่น สัญญาณอินพุท 40mVp-p ทำ ให้ได้เอ้าพุทไม่มีการเพี้ยนดังรูปบน เมื่อสัญญาณ

อินพุทเพิ่มเป็น 45mV จะทำให้สัญญาณเอ้าพุทโต ขึ้นส่วนที่เกินจะถูกขลิบไปดังรูปล่าง

แบนด์วิธของสัญญาณ ความกว้างของย่านความถี่ที่เครื่องขยายสามารถทำงานได้

เครื่องขยายในอุดมคตินั้นสามารถขยายสัญญาณได้ขนาด เท่ากันทุกความถี่

เช่น ถ้า A_V = 100, Vin = 10mV แล้ว Vout = A_V x Vin = 1V

ที่ f = 0Hz ได้ Vout = 1V

f = 10Hz ได้ Vout = 1V

f = 1MHz ได้ Vout = 1V

จะได้กราฟเป็น

แต่ความจริงไม่เป็นเช่นนี้ สัญญาณเอ้าพุทจะมีขนาดเปลี่ยนไปตามความถี่ของสัญญาณอินพุท

เหมือนหูคนได้ยินเสียงช่วง 20Hz ถึง 20kHz ช่วงความถี่เรียกว่า แบนด์วิธ หรือ ย่านความถี่ หมายถึง

จุดที่ความถี่ของสัญญาณด้านต่ำไปทำให้เครื่องขยาย สามารถขยายสัญญาณได้ต่ำกว่า 70.7 % ถึง จุดที่

ความถี่ของสัญญาณด้านสูงไปทำให้เครื่องขยายสามารถ ขยายสัญญาณได้ต่ำกว่า 70.7 %

อัตราการขยายที่ความถี่ปานกลาง = 100

70.7 % ของ 100 = 70.7

f₁ = จุดตัดที่ความถี่ต่ำ

f₂ = จุดตัดที่ความถี่สูง

สำหรับเครื่องขยายเสียง f₁ และ f₂ ประมาณ 20Hz ถึง 20kHz

ตามความสามารถรับฟังได้ของคน

ความต้านทานทางอินพุทและ เอ้าพุท ความต้านทานที่มองเข้าไปใน

เครื่องขยาย และระหว่างขั้วเอ้าพุท

เครื่องขยายจะมีขั้วอินพุท 2 ขั้ว และขั้วเอ้าพุท 2 ขั้ว ระหว่างขั้วอินพุทจะเหมือนมีตัวต้านทาน

ต่ออยู่ เป็น Rin ระหว่างขั้วเอ้าพุทจะเหมือน มีตัวต้านทานต่ออยู่ Rout เมื่อต่อเครื่องกำเนิด สัญญาณเข้า

ที่ขั้วทั้งสองของอินพุท Rin จะต่อขนานกับ เครื่องกำเนิดสัญญาณ และลำโพงก็จะต่อขนานกับ Rout ด้วย

มีความสำคัญมากเพราะตัวต้านทานทั้งสองต่อขนานกัน ความต้านทานรวมจะต้องน้อยกว่า

ค่าความต้านทานของตัวต้านทานที่มีค่าน้อยที่สุด

เช่น เครื่องกำเนิดสัญญาณมีความต้านทานเอ้าพุทเป็น 5k และ Rin ของเครื่องขยายเป็น

500 โอห์ม ได้ความต้านทานรวมเป็น

R_T = (Rs x Rin) / (Rs + Rin)

= (5000 x 500) / 5500

= 454 W

จะทำให้เกิดการโหลดสัญญาณจากเครื่องกำเนิดสัญญาณ มากขึ้นจน อาจจะหยุดทำงานได้

เช่น เครื่องขยายมี Rout เป็น 120 โอห์ม ลำโพงมีความต้านทานของคอยล์เป็น 8 โอห์ม

R_T = (120 x 8) / (120 + 8)

= 7.5 โอห์ม

ทำให้เกิดกระแสใหลเกิน ในเครื่องขยายและพังไปได้ หรือ อย่างน้อยก็ทำให้เกิดการเพี้ยน

ของสัญญาณ

จึงเป็นสิ่งจำเป็นที่จะต้องรู้ความต้านทานอินพุท และความต้านทานเอ้าพุทของเครื่องขยาย

เพื่อจะได้นำไปต่อใช้งานได้อย่างถูกต้อง

การทดสอบแอมปลิฟลายเออร์สำหรับสัญญาณขนาดเล็ก

หลังจากสร้างเสร็จแล้วจะต้องมีการทดสอบ รายการที่จะทดสอบ คือ

- อัตราการขยาย

- ระดับสัญญาณที่มีการเพี้ยน

- แบนด์วิธ

- ความต้านทานอินพุท และความต้านทานเอ้าพุ ท

อัตราการขยาย

ได้แก่อัตราการขยายโวลเต็จ

A_v = Vout / Vin

ขบวนการ

1 ต่อแหล่งจ่ายไฟที่พอเหมาะให้แก่เครื่องขยาย

2 ต่อเครื่องกำเนิดสัญญาณแบบไซน์ 1kHz 20mVp-p เข้าทางอินพุท

ตรวจสอบความคิด

ที่ต้องใช้ 1kHz เพราะความ สะดวก หาคาปาซิเตอร์คับปลิ้งง่าย ปรับสโคปให้นิ่ง

ได้ดี และเป็นความถี่มาตรฐานของเครื่องขยายเสียง

---

3 ดู Vin และ Vout จากสโคป เพิ่มลด Vin จน Vout ไม่ เพี้ยน

4 บันทึกค่าที่วัดได้แบบพีคทูพีคจากสโคปแล้วคำนวณหา A_v

ระดับการผิดเพี้ยนของสัญญาณ

1 วงจรคงเหมือนเดิม เครื่องมือต่าง ๆ ต่อเหมือนกับการหาอัตราการขยาย

2 ขณะดูสัญญาณเอ้าพุทเพิ่ม สัญญาณอินพุทจนสัญญาณเอ้าพุทเริ่มเพี้ยนไปจาก รูปไซน์

ลดสัญญาณอินพุทจนสัญญาณเอ้าพุทปกติ วัด Vin

3 ค่า Vin ขณะนี้คือสัญญาณอินพุทสูงสุดก่อนที่จะเกิดการเพี้ยนของสัญญาณเอ้าพุท

แบนด์วิธของสัญญาณ

ได้แก่ย่านความถี่ของสัญญาณที่เครื่องขยายสามารถทำ งานได้ โดยอัตราการ

ขยายสัญญาณลดลง 70.7 % จากค่ากลางแบนด์

ในการตรวจสอบ จะต้องวัดอัตราการขยายจากการใช้สัญญาณความถี่ต่ำ 10

Hz ถึงสัญญาณความถี่สูง 1 MHz แล้วนำไปเขียนกราฟ ระหว่างความถี่ของสัญญาณกับ

อัตราการขยายตอบสนอง

จากกราฟมุมด้านบนและด้านล่างของความถี่คือ f₁ กับ f₂

ทำให้หาแบนด์วิธได้ เป็น

B = f₂ - f₁

ถ้า f₁ = 25Hz

และ f₂ = 980kHz

แล้ว B = 980kHz - 25Hz

= 980kHz

วิธีดำเนินการทดสอบ

1 ติดตั้งเครื่องและเครื่องขยายเหมือนกับการหา อัตราการขยาย

2 ตั้ง Vin ให้ต่ำกว่าระดับสูงสุดไม่เพี้ยน เช่น Vin(max) = 50mV ก่อนเพี้ยน ก็ตั้งที่ 20mV

3 เตรียมตาราง

ความถี่

Vin

Vout

A_v = Vout / Vin

10Hz

20mV

24mV

1.2

30Hz

20mV

30mV

1.5

4 ทดลองจนสามารถนำค่าที่ได้ไปเขียนกราฟระหว่างความ ถี่กับอัตราการขยายได้

ตรวจสอบความคิด

ในการทดลองจะทำเฉพาะบริเวณที่มีการเปลี่ยนแปลง อัตราการขยายให้มี

จำนวนจุดเพิ่มขึ้น

---

5 วัดจนเสร็จ คำนวณ A_v แล้วเขียนกราฟ

การเขียนกราฟ

เนื่องจากย่านความถี่กว้างมากตั้งแต่ระดับ Hz ไปถึงระดับ kHz จนถึงระดับ

MHz ถ้าใช้กระดาษกราฟแบบลิ เนียร์หรือแบบช่องละหน่วยหว้างเท่ากันจะทำให้ ต้องใช้

กระดาษกราฟใหญ่มาก มีกระดาษกราฟอีกแบบหนึ่งที่มีสเกลหรือความกว้างของช่องเป็น

แบบล๊อกด้านนอนกับแบบ ลิเนียร์ด้านตั้ง แบบล๊อกจะมีความกว้างของช่องตอนต้นกว้าง

ตอนปลายแคบลง แบ่งเป็นตอน ๆ เรียกว่า ไซเกิล เช่น 10Hz - 90Hz เป็น ไซเกิลแรก

100Hz - 900Hz เป็นไซเกิลที่สอง 1kHz - 9kHz เป็นไซเกิลที่สาม ฯลฯ

ความต้านทานทางอินพุทและ เอ้าพุท

ความต้านทานทางอินพุท

1 ตั้งวอลลุ่มอินพุท เป็น 0 โอห์ม

2 ตั้งเครื่องกำเนิดสัญญาณให้มีความถี่เป็น 1kHz แบบไซน์ ปรับให้ได้ Vin เท่าโวลเต็จ

สูงสุดก่อนเพี้ยน

3 วัด Vout

4 เพิ่มค่าวอลลุ่มอินพุท จน Vout มีค่าตกลงเป็นครี่งหนึ่ง ก่อนเพิ่มค่าวอลลุ่ม

5 ค่าความต้านทานของวอลลุ่มขณะ นี้ ประมาณเท่ากับความต้านทานอินพุทของเครื่องขยาย

ความต้านทานทางเอ้าพุท

1 ปลดวอลลุ่มและสายสโคปด้านเอ้าพุทออก

2 ต่อเครื่องกำเนิดสัญญาณเข้าอินพุทและปรับค่า สัญญาณอินพุทจนได้ค่าสัญญาณเอ้าพุท

เหมาะสม ที่ความถี่ 1kHz

3 ต่อวอลลุมแบบไวร์วาล์วหรือแบบขดลวดและปรับจนได้ค่า Vout ลดลงเหลือครึ่ง ของ

เดิม

4 ค่าความต้านทานของวอลลุ่มจะ แทนค่าความต้านทานเอ้าพุทของเครื่องขยาย

ปฏิบัติการที่ 15

การทดสอบเครื่องขยายเสียงกำลังต่ำ

อุปกรณ์และเครื่องมือ

BC108

R 56k, 12k, 4.7k, 1k

10uF 2 ตัว

100uF

สโคป 2 แกน

แหล่งจ่ายไฟ

เครื่องกำเนิดสัญญาณ

กระดาษกราฟ 6 ไซเกิล ล๊อก/ลิเนียร์

ดิจิตอลมัลติมิเตอร์

วิธีทดลอง

1 ต่อวงจร

2 ต่อแหล่งจ่ายไฟและแหล่งกำเนิดสัญญาณ ใช้สโคปวัด Vin และ Vout

3 ขณะไม่จ่ายสัญญาณเข้าเครื่องขยาย วัดและบันทึกค่า ดีซีไบอัสโวลเต็จที่ ขาเบส

ขาคอลเล็คเตอร์ ขาอิมิตเตอร์ เทียบกราวนด์

4 ป้อนสัญญาณจากเครื่องกำเนิดสัญญาณความถี่ 1kHz แบบไซน์

5 จากที่กล่าวมาแล้วแต่ต้น หาสิ่งต่อไปนี้

ก อัตราขยาย ข ระดับสัญญาณเพี้ยน ค แบนด์วิธ

ง ความต้านทานอินพุท จ ความต้านทานเอ้าพุท

ผลการทดลอง

เขียนรายละเอียดเฉพาะของเครื่องขยาย รวมทั้งกราฟผลตอบสนองต่อความถี่ของ

เครื่องขยาย

---

ฟีดแบคหรือการป้อนย้อนกลับ

เป็นการเอาบางส่วนของสัญญาณเอ้าพุทป้อนให้อินพุท

รูป ก เป็นเครื่องขยายที่ไม่มีการป้อนย้อนกลับเลย เป็นเครื่องขยายวงเปิด

มี Vs = Vin

รูป ข เป็นเครื่องขยายเดิมแต่มีการป้อนย้อนกลับ ได้แก่วงจรตัวต้านทาน

ลดสัญญาณเอ้าพุทมา ป้อนให้อินพุทของเครื่องขยาย ทำให้สัญญาณอินพุทมีสัญญาณ

ป้อนย้อนกลับผสมอยู่ด้วย

Vs = อินพุทเข้าสู่ระบบ

Vin = อินพุทเข้าเครื่องขยาย

Vout = เอ้าพุทออกจากเครื่องขยาย

b = ส่วนที่ป้อนย้อนกลับหรือฟีดแบ๊ค

สัญญาณส่วนที่ป้อนย้อนกลับหรือฟีดแบ๊ค คือ

bVout

ทำให้ได้สัญญาณอินพุทของเครื่องขยาย Vin เป็น

Vin = Vs + bVout

การป้อนย้อนกลับทางบวกและทางลบ

เมื่อสัญญาณป้อนย้อนกลับเป็นbVout ถ้าเป็นสัญญาณบวก

คือ +bVout แล้ว

Vin = Vs + (+bVout)

Vin = Vs + bVout

ทำให้สัญญาณอินพุทเพิ่มขึ้น ซึ่งเป็นผลของการป้อนย้อนกลับทางบวกหรือโพซิทีพฟีด แบ๊ค

แต่ถ้าค่า bVout เป็นลบ -bVout แล้ว

Vin = Vs + (-bVout)

Vin = Vs - bVout

ทำให้สัญญาณอินพุทลดลง ซึ่งเป็นผลของการป้อนย้อนกลับทางลบหรือเนกาทีพฟีดแบ๊ค

จากตอนก่อน ๆ เรื่องอุณหภูมิของอุปกรณ์เพิ่มขึ้นทำให้สัญญาณเอ้าพุทเพิ่ม

แต่เนกาทีพฟีดแบ๊คโวลเต็จจะไปลบอินพุทโว ลเต็จทำให้ขนาดของอินพุทโวลเต็จลดลง ทำ

ให้เอ้าพุทลดลง เป็นผลให้วงจรทำงานมีเสถียรภาพยิ่งขึ้น

การป้อนย้อนกลับด้วยสัญญาณ

เครื่องขยายใช้สำหรับขยายสัญญาณสลับ เช่น สัญญาณความถี่เสียง ซึ่งจะต้อง

มีสัญญาณย้อนกลับเพื่อปรับปรุงคุณภาพของสัญญาณเอ้าพุท ตามรูปข้างล่าง ก แสดงกรณี

การป้อนย้อนกลับเอซีทางบวก รูป ข เป็นรูปคลื่นที่เกิดขึ้น

จะเห็นว่าสัญญาณป้อนย้อนกลับมีเฟสตรงกับสัญญาณ อินพุท Vs ทำให้ Vin เพิ่ม

ขึ้น เป็นผลให้สัญญาณเอ้าพุท Vout เพิ่มขึ้น

ตรวจสอบความคิด

ถ้า Vout เพิ่ม ทำให้ bVout เพิ่ม Vin เพิ่ม เป็นผลให้ Vout เพิ่ม

ก็ทำให้ Vout เพิ่ม แล้วไปเพิ่ม bVout อีกครั้ง ทำให้การขยายไม่มีเสถียรภาพ

ในที่สุด จึงจำเป็นต้องใช้อย่างระมัดระวังเป็นอย่างมาก หรือเป็นสิ่งที่ควรหลีกเลี่ยงในการ

ใช้เครื่องขยาย

---

ทางด้านการป้อนย้อนกลับทาง ลบ ในรูป ก ข้างล่าง และรูปคลื่นในรูป ข

สัญญาณฟีดแบ๊คมีเฟสก ลับกันหรือ แอนตี้เฟส กับ Vin หรือมีเฟสต่างกัน

180 องศา ระหว่างอินพุท กับ เอ้าพุท เนกาทีพฟีดแบ๊คทำให้ Vin ลดลง เป็นผลให้ Vout ลดลง

ตามไปด้วย ดังรูปข้างบน ข

ตรวจสอบความคิด

ถ้า Vout ลดลงแล้วฟีดแบ๊คจะลดลงทำให้ Vin ลดลงด้วย เป็นผลให้ Vout ลดลง

ต่อไปจนเป็น 0 แล้วกลับข้างเป็นป้อนย้อนกลับทางบวกใช่หรือไม่

ไม่เป็นเช่นนั้นเพราะ bVout ไปทำ

ให้ Vin ลดลง แล้วไปทอน Vout ลง และไปทอน bVout ด้วย

ทำให้ Vin ค่อย ๆ สูงขึ้น การ ป้อนย้อนกลับทางลบเป็นเหตุให้อัตราการขยายคงที่ เป็นที่ต้อง

การของเครื่องขยายโดยทั่วไป

---

ข้อควรคำนึงถึง

การป้อนย้อนกลับทางบวกทำให้เครื่องขยายทำงานไร้ เสถียรภาพจึงควรระวังป้องกัน

การป้อนย้อนกลับทางลบทำให้เครื่องขยายทำงานมี เสถียรภาพเพิ่มคุณภาพนิยมใช้มาก

ผลกระทบของการป้อนย้อนกลับทางลบ

อัตราการขยาย

การป้อนย้อนกลับทางลบทำให้อัตราการขยายลดลง ขณะที่สัญญาณเข้าคงเดิม

แบนด์วิธ

เมื่ออัตราการขยายลดลงแบนด์วิธ จะขยายกว้างขึ้น การป้อนย้อนกลับทางลบทำ

ให้เครื่องขยายมีแบนด์วิธ กว้างขึ้น หรือเครื่องขยาย ทำงานกับสัญญาณความถี่ต่ำและสูง กว่า

เดิม เป็นที่ต้องการของนักออกแบบวงจรขยาย

อินพุทและเอ้าพุทอิมพีแดนซ์

การต่อตัวต้านทาน คาปาซิเตอร์ เข้าที่วงจรทั้งอินพุทและเอ้าพุท ย่อมทำให้ความ

ต้านทานอินพุทและเอ้าพุทเปลี่ยน แปลง การต่ออุปกรณ์เข้าไป นี้สามารถต่อได้ทั้งอนุกรม

และขนาน การต่อทั้งสองนี้มีผลต่อความต้านทานอินพุทและ เอ้าพุทต่างกันมาก ทำ ให้ไม่อาจ

จะบอกอย่างง่าย ๆ ได้ว่าการป้อนย้อนกลับทางลบมีผลเปลี่ยนแปลงความต้านทานอินพุท

และเอ้าพุทอย่างไร

เสถียรภาพของอัตราการขยาย

การป้อนย้อนกลับทางลบสามารถยกระดับความมีเสถียรภาพ ของอัตราการ

ขยายให้สูงขึ้น

สัญญาณรบกวนและความผิดเพี้ยน

จากการทอนอัตราการขยายลงการป้อนย้อนกลับทางลบทำให้ การรบกวน

และการผิดเพี้ยนจากเครื่องขยายลดลงตามไปด้วย

การป้อนย้อนกลับทาง เอ ซี และ ดี ซี

ในตอนต้นใช้การป้อนย้อนกลับทางลบดีซีรักษา เสถียรภาพทางอุณหภูมิของ

วงจรขยายแล้วใช้คาปาซิเตอร์บาย พาสหรือดีคับปลิ้งคาปาซิเตอร์ป้องกันการป้อน ย้อน

กลับเอซี ทำให้น่าเป็นไปได้ที่จะมีการป้อนย้อนกลับทั้งเอซีและดีซี

รูป (ก) bVout เป็นสัญญาณโวลเต็จนำมาจากเอ้าพุทโวลเต็จ Vout ป้อนกลับแบบ อนุกรมกับ Vs

รูป (ข) bVout เป็นสัญญาณโวลเต็จนำมาจากกระแสเอ้าพุท Iout ป้อนกลับแบบ อนุกรมกับ Vs

รูป (ค) bVout เป็นสัญญาณกระแสนำมาจากเอ้าพุทโวลเต็จ Vout ป้อนกลับแบบขนานกับ Vs

รูป (ง) bVout เป็นสัญญาณกระแสนำมาจากกระแสเอ้าพุท Iout ป้อนกลับแบบขนานกับ Vs

รูป (ก) มีเฉพาะการป้อนย้อนกลับทางลบดีซีเท่านั้น

รูป (ข) มีบางส่วนเป็นการป้อนย้อนกลับทางลบเอซี

รูป (ค) มีเฉพาะการป้อนย้อนกลับทางลบเอซีเท่านั้น

ปฏิบัติการที่ 16

การป้อนย้อนกลับทางลบ

อุปกรณ์และเครื่องมือ

ทรานซิสเตอร์เอ็นพีเอ็น

R 56k, 12k, 2.7k, 1k

C 0.1uF 2 ตัว, 100uF

สโคป 2 บีม

แหล่งจ่ายไฟ

เครื่องกำเนิดสัญญาณ

กระดาษกราฟเซมิล๊อก(log/lin) 6 ไซเกิล

วิธีทดลอง

1 ต่อวงจร

2 ต่อแหล่งจ่ายไฟ ต่อเครื่องกำเนิดสัญญาณ ต่อสโคปวัด Vs กับ Vout ตรวจ วงจร

3 อาศัยวิธีการในตอนที่แล้วทดสอบสิ่งต่อไปนี้

ก อัตรา การขยายโวลเต็จ(A_v)

ข การ ตอบสนองต่อความถี่(เขียนกราฟระหว่าง (A_v) กับ ความถี่)

ค จากกราฟ ผลตอบสนองต่อความถี่ จงหาแบนด์วิธ ของเครื่องขยาย

4 ปลดคาปาซิเตอร์ขาอิ มิตเตอร์ออก ทำให้เกิดเอซีเนกาทีพฟีดแบ๊คแล้วทำการทดลองเขียน

กราฟผลตอบสนองต่อความถี่บนแกนเดียวกันกับกราฟในข้อ 3

ผลการทดลอง

เปรียบเทียบการทดลองทั้งสองข้างต้น แล้วอธิบายผลจากการป้อนย้อน

กลับทางลบต่ออัตราการขยายและแบนด์วิธ ของเครื่องขยาย

---

ตรวจสอบความคิด

จากผลของการป้อนย้อนกลับทางลบทำให้อัตราการขยายของ เครื่องขยาย

ลดลง ทำให้จำเป็นใช้เครื่องขยายหลาย ๆ ภาค เพื่อให้ได้อัตราการ ขยายและแบนด์วิธ

ที่ต้องการ

แอมปลิฟลายเออร์ใช้ทรานซิสเตอร์ไม่จำกัดขั้วหรือเฟท

จังชั่น เฟท

จากบทที่แล้วจะเห็นว่าเจเฟททำ งานในระบบบีบแชลแนลให้กว้างและแคบด้วย

โวลเต็จที่ป้อนให้ขาเกต การ ใช้ให้ทำงานเป็นเครื่องขยายจะต้องไบอัสให้อยู่ระหว่างจุดตัด

และจุดต่อวงจรไฟฟ้าภายใต้ภาวะสงบ ตามรูปข้างล่าง

สำหรับเครื่องขยายคลาสเอ จุด Q ที่เหมาะสมควรจะเป็น V_GS = -3V

ทำให้ได้ V_DSQ = +5V และ I_DQ = 10mA ต่อสัญญาณอินพุทเครื่องขยาย

ทำให้จุด Q เลื่อนตามเส้น โหลดไลน์เหมือน BJ ทรานซิสเตอร์ ภายใต้การป้อนสัญญาณเข้า

ที่อินพุท ทำให้ได้อัตราการขยายโวลเต็จเป็น

A_v = Vds / Vgs

= dV_DS / dV_GS

= การเปลี่ยนแปลงเอ้าพุทโวลเต็จ / การเปลี่ยนแปลงอินพุทโวลเต็จ

อัตราการขยายกระแสเป็น

Ai = Id / Ig

= dI_D / dI_G

= การเปลี่ยนแปลงกระแสเอ้าพุท / การเปลี่ยนแปลงกระแสอินพุท

แต่กระแสเกตของเฟทมี ค่าน้อยมาก ทำให้ค่าอัตราการขยายกระแสของเฟทไม่ได้

มีการคำนึงถึง

วงจรขยายสำหรับ เอ็นแชลแนล เฟท แสดงเป็นรูปข้างล่าง

การไบอัส

จากเรื่องจุด Q บนโหลดไลน์ ทำให้ต้องเลือก V_GS (เช่น -3V) หมายความว่า

ในภาวะดีซีขาเกตจะต้องมีโว ลเต็จ -3V เทียบกับขาซอส

ตรวจสอบความคิด

การทำไฟลบให้แก่เกตนอกจากจะใช้แบตเตอรี่บวกเป็น กราวนด์ แล้วยังสามารถ

ใช้วิธีทำให้ขาเกตเป็น 0V โดย ต่อ R_G ลงกราวนด์ แล้ว ใช้ R_S ต่อจากกราวนด์ไปยังขาซอส

เมื่อมีกระแสใหลจาก การไบอัสจะทำให้ขาซอสเป็นบวกเมื่อเทียบกับกราวนด์ เป็นผลให้

ขาเกตมีศักย์ไฟฟ้าเป็นลบเมื่อเทียบกับขาซอสได้ เหมือนกัน จึงทำให้ R_S เป็นไบอัสรีซิสเตอร์

---

ตรวจสอบความคิด

R_G ทำหน้าที่ต่อเกตลงกราวนด์เพื่อทำให้ขาเกตมีศักย์ไฟฟ้า

เป็น 0V น่าจะต้อง R ค่าต่ำ ๆ แต่จากคุณสมบัติของเฟทขา เกตมีกระแสน้อยมาก ๆ ทำให้

ใช้ R ค่ามาก ๆ ก็ทำให้กระแสต่ำ ๆ นี้ลงกราวนด์ได้หมด ที่ต้องใช้ R ค่า มาก ๆ ก็เพราะว่า

ถ้าใช้ R ค่าน้อย ๆ จะเป็นโหลดสำหรับเครื่องกำเนิดสัญญาณที่มาต่อเข้าทางอินพุท

---

ตรวจสอบความคิด

อีกเหตผลหนึ่งในการ ใช้เฟทคือต้องการให้ความต้านทานอินพุทสูง ๆ จึงจำ

เป็นต้องใช้ R_G ค่าสูง ๆ

---

คาปาซิเตอร์ C₁และ C₂

เป็นคาปาซิเตอร์คับ ปลิ้ง มีหน้าที่กั้นไฟฟ้ากระแสแต่ยอมให้ไฟฟ้ากระแสสลับผ่าน

ได้ นั่นคือจะต้องมีความต้านทานต่อเอซีสัญญาณความถี่ที่ทำงานต่ำ ๆ

คาปาซิเตอร์ C₅

เป็นดีคับปลิ้งคาปาซิเตอร์หรือ คาปาซิเตอร์บายพาสสัญญาณเอซีไม่ให้ใหลผ่าน

R₅ ถ้ามีสัญญาณ เอซีผ่าน R₅ แล้วจะทำให้เกิดการป้อน

ย้อนกลับทางลบ ไปลดอัตราการขยายเป็นจำนวนมาก

เฟทมีเสถียรภาพทางอุณหภูมิมาก BJ ทรานซิสเตอร์มาก เพราะมีประจุพาหะรอง

น้อยที่สุด จึงไม่มีความจำเป็นต้องใช้ R₅ เป็นตัวรักษาอุณหภูมิของเฟทให้

คงที่ ทำให้สามารถใช้เฟททำงานได้เกือบเต็ม ที่

BJ ทรานซิสเตอร์โมเดล

กระแสเอ้าพุทของ เครื่องขยาย I_cขึ้นอยู่กับกระแสอินพุท I_b ที่เข้าสู่เครื่องขยาย

แต่ความจริงนั้นสัญญาณอินพุทโว ลเต็จเป็นผู้เปลี่ยนแปลงกระแสอินพุท แล้วเลยไปเปลี่ยน

แปลงกระแสเอ้าพุทตามลำดับ พูดได้ว่ากระแสเอ้าพุทเปลี่ยนตาม อินพุทโวลเต็จ ทำให้ใช้

โมเดลง่าย ๆ แทนทรานซิสเตอร์ได้

ทฤษฏีทางไฟฟ้าที่เป็นพื้นฐานในเรื่องนี้คือทฤษฏีเทเวนิน และ ทฤษฏีนอร์ตัน

วงจรเสมือนเทเวนิน

บรรดาตัวต้านทานที่ต่อกันแบบอนุกรมและขนานในวงจร ไฟฟ้า สามารถแทน

ได้ด้วยแหล่งโวลเต็จของ ตัวต้านทานภายใน R₀ ป้อนให้แก่ตัวต้าน ทานแทน

ตัวเดียว(R_eq รูป ก ข้างล่างแสดงกลุ่มตัวต้านทานต่อกันเป็นวงจรไฟฟ้า

รูป ข เป็นวงจรเสมือนเทเวนิน

ถ้า R₀ มีค่า น้อยเทียบกับ R_eq วงจรเสมือนสามารถลดรูปลง

เป็นวงจรในรูป ค ได้

ความต้านทานอินพุทของทรานซิสเตอร์มักจะกำหนดมาจาก โรงงานในคู่มือ

ในตัวย่อ h_ie (ความต้านทานอินพุทในโหมดอิมิตเตอร์ร่วม)

หมายความว่าด้านอินพุทของทรานซิสเตอร์สามารถแทนได้ ด้วยแหล่งโวลเต็จ

Vin ป้อนให้แก่ตัวต้านทานตัวเดียว Rin ดังรูปข้างล่าง

วงจรเสมือนนอตัน

บางวงจรแทนด้วยเครื่องกำเนิดกระแสค่าคงที่ป้อนให้ แก่ตัวต้านทานเสมือน

รูป ก เป็นวงจรเดิม รูป ข เป็นวงจรเสมือนนอร์ตัน

ทรานซิสเตอร์ทำงานกับกระแส(IC) กำหนดโดย h_fe และกระแสอินพุท I_b

h_fe = I_c / I_b

I_c = h_fe x I_b

จึงเป็นการสะดวกที่จะแทนวงจรเอ้าพุทของทรานซิสเตอร์ด้วยวงจรเสมือน

นอร์ตัน ที่เครื่องกำเนิดกระแสคงที่ป้อนให้แก่ความต้านทานเอ้าพุ ท(R_o ของทรานซิสเตอร์

หมายความว่าสามารถใช้วงจรเสมือนเทเวนิน และ นอร์ตันแทน วงจร

ทรานซิสเตอร์ได้ โดยแสดงเป็นตัวต้านทานอินพุท Rin และแหล่งกำเนิดกระแส

ตามปกติค่า R_o มี ค่าสูงมากจนละทิ้งเสียได้ ทำให้ได้

วงจรเสมือนข้างบน

ค่าต่าง ๆ ที่ใช้ในการตัดสินใจ

กระแสอินพุทจะถูกกำหนดโดย Vin(V_be) ทำให้สามารถ

ใช้ความสัมพันธ์ของ I_c จาก V_be ได้ ในเทอมของ

ความนำผ่านฟอร์เวอส์ของ อุปกรณ์ บางครั้งเรียกว่า มูชวลคอนดัคแตนซ์ หรือความ

นำร่วม ได้เป็นฃ

gm = I_c / V_be

มีหน่วยเป็น A V^-1 เรียกว่า ซีเมน(Siement, S)

ค่า gm สำหรับทุก ๆ กระแสขาคอลเล็คเตอร์เป็นมิ ลลิแอมแปร์ของทรานซิสเตอร์

มีค่าเป็นจำนวนเท่าของ 40mS

ถ้า gm = 40mS

I_c = 1mA

ในทางปฏิบัติ จะได้ว่า

gm = I_c / 25 (mS) เมื่อ I_c เป็น mA

ตัวอย่าง ถ้า I_c = 1mA , gm = 1/25 = 40mS

I_c = 8mS, gm = 8/25 = 320mS

จุดสำคัญของทรานซิสเตอร์โมเดลอยู่ที่วงจรสมบูรณ์ และคาดหมายอัตรา

การขยายโวลเต็จได้

R₁ และ R₂ รวมกันเป็นความ ต้านทานอินพุท

ของทรานซิสเตอร์ h_ie ผนวกกันเป็นความ ต้านทานอินพุทรวม Rin ความ

ต้านทานเอ้าพุทคิดจากตัวต้านทานโหลด R_C ทำให้สามารถหาอัตราขยาย

โวลเต็จ A_v ได้โดยประมาณเป็น

A_v = -gm x R_C

เครื่องหมายลบหมายถึงสัญญาณเอ้าพุ ทต่างเฟสกับอินพุท 180 องศา

ตัวอย่างที่ 1 เครื่องขยายใช้ทรานซิสเตอร์ต่อแบบอิมิตเตอร์ร่วม ตัวต้านทานคอลเล็คเตอร์

โหลดเป็น 3.9k ภายใต้เงื่อนใขสัญญาณทำให้ I_C เปลี่ยนแปลง d I_C = 5mA

คำนวณอัตราการขยายโวลเต็จ A_v

gm = I_c / 25

I_C = d I_C

gm = 5 / 25

= 200mS

R_c = 3k9

A_v = -gm x R_C

= 200 x 10^-3 x 3.9 x 10³

= -780

ตัวอย่างที่ 2 เครื่องขยายมีสัญญาณเอ้าพุท Vout 5Vp-p ถ้าความต้านทานโหลดที่ ขา c R_c เป็น 1k หา gm

ถ้า Vout = 5Vp-p

dV_CE = 5Vp-p

V_cc = 5Vp-p

I_c = V_cc / R_c

= 5V /1000

= 5mA

gm = I_c / 25

= 5 / 25

= 200mS

A_v = -gm x R_c

= -200mS x 1000

= -200

ปฏิบัติการที่ 17

BJT ทรานซิสเตอร์โมเดล

อุปกรณ์และเครื่องมือ

BC108

R 56k, 12k, 4k7, 1k

C 10uF 2 ตัว

C 100uF

สโคป 2 บีม

เครื่องกำเนิดสัญญาณ

แหล่งจ่ายไฟ

วิธีทดลอง

1 ต่อวงจรจ่ายไฟเข้าวงจร

2 ต่อสโคปเพื่อวัด Vin และ Vout

3 ต่อเครื่องกำเนิดสัญญาณปรับให้ได้ 1kHz ขนาดสัญญาณไม่ทำให้เอ้าพุทเพี้ยน

4 คำนวณ อัตราขยายโวลเต็จ A_v = Vout / Vin

5 ทดลองใหม่สักสองครั้งด้วยค่า Vin ที่แตกต่างกัน ความถี่เท่าเดิมที่เอ้าพุทไม่เพี้ยน

ผลการทดลอง

1 คำนวณค่า A_v จากสูตร A_v = -gm x R_c

แล้วเปรียบเทียบกับค่าจริง

2 ให้เหตุผลของความแตกต่างกันของค่าทั้งสอง

---

เฟทโมเดล

เฟททำงานด้วยอินพุทโวลเต็จอยู่แล้ว ทำให้สามารถใช้ค่า gm ได้โดยตรง

โดยไม่ต้องเปลี่ยนกระแสอินพุทเป็นโวลเต็จอินพุท

โมเดลของเฟทภายใต้มี สัญญาณ มี R_ds เป็นความต้านทานล

ปรากฏระหว่างขาเดรนกับขาซอส แหล่งกำเนิดกระแส(gmV_gs ผลิต

กระแส I_d ควบคุมด้วยอินพุทโวลเต็จ

I_d = gm x V_gs

และ Vin = V_gs

ตรวจสอบความคิด

เฟทโมเดลไม่มี Rin แสดง เลยเพราะว่าเฟทมีความต้านทานอินพุทสูงมาก ๆ

จนละเสียได้ ในวงจรเครื่องขยายจริง Rin จะประกอบด้วย R_G ที่ส่ง

ผลไปถึง Rout ทำให้เกิดความต้านทานรวมเอ้าพุทของทรานซิสเตอร์ R_ds

และความต้านทานโหลดขาเดรน R_D

---

ด้วยวิธีเหมือนเครื่องขยายไช้ BJT อัตราขยายโวลเต็จ คือ

A_v = -gm x R_D

ตัวอย่าง เครื่องขยายคลาสเอใช้เฟทเบอร์ BF245A จงหาอัตราการขยาย

โวลเต็จ ถ้าใช้ตัวต้านทานโหลดขาเดรนเป็น

ก 4k7 ข 12k ค 18k

ก จาก A_v = -gm x R_D

- gm = 3mS(min) ได้จากคู่มือ

A_v = - 3 x 10^-3 x 4.7 x 10³

= - 14.1

ข A_v = - 3 x 10^-3 x 12 x 10³

= -36

ค A_v = - 3 x 10^-3 x 18 x 10³

= -54

สิ่งที่ควรคำนึงถึงคือ ค่าที่คำนวณได้จะแตกต่างจากค่าที่ทดลองวัดจริง เนื่องจาก

การประกอบวงจร ค่าของอุปกรณ์ที่ไม่ตรง และค่าบางค่าที่ใช้คำนวณเป็นค่าโดยประมาณ

งานต่าง ๆ ที่ใช้แอมปลิฟลายเออร์

จูนแอมปลิฟลายเออร์

จากทรานซิสเตอร์โมเดลจะเห็นว่าอัตราการขยายโวลเต็จถูกควบคุมโดยตัวต้านทาน

โหลดขาเดรนหรือขาคอลเล็ค เตอร์

A_v = -gm x R_C

A_v = -gm x R_D

ถ้าแทนตัวต้านทานนี้ด้วยวงจรจู นแบบขนานแล้วความต้านทานของโหลด

จะเปลี่ยนแปลงไปตามความถี่ วงจรจูนประกอบด้วย C และ L ที่มีความถี่กำทอน ของ

วงจรต่อสัญญาณ โดย

f_O = 1 / 2pÖLC Hz

ที่ความถี่นี้อิมพีแดนซ์หรือความต้านทานต่อไฟฟ้า กระแสสลับของวงจรมีค่าสูงสุด

เช่น C = 0.1uF และ L = 1mH

f_O = 1 / 6.28 Ö 0.1 x 10^-6 x 1 x 10^-3

= 15.923 kHz

ที่ความถี่นี้ความต้านทานโหลดมีค่าสูงสุดและค่า A_vมีค่ามากที่สุด ที่

ความถี่สูงหรือต่ำกว่านี้อัตราการขยายจะต่ำกว่า ถ้ากราฟตอบสนองต่อความถี่มีแบนด์วิธแคบ

มาก ๆ จะเรียกว่าเครื่องขยายมีความสามารถคัดเลือกได้ดี เครื่องขยายแบบนี้เรียกว่า จูนแอม

ปลิฟลาย

จูนแอมปลิฟลายใช้สำหรับขยายสัญญาณที่มีความถี่ที่ต้องการความถี่หนึ่ง ความถี่

อื่น ๆ จะถูกตัดไป เช่น ในภาคจูนเนอร์ของเครื่องรับวิทยุ

เคอเรนท์แอมปลิฟลายเออร์

ถ้าต่อวงจรทรานซิสเตอร์แบบคอ ลเล็คเตอร์หรือเดรนร่วม เรียกว่า อิมิตเตอร์โฟโลเวอร์

หรือ ซอสโฟโลเวอร์ จะมีอัตราขยายโวลเต็จต่ำมาก แต่จะมีอัตราการขยายกระแสสูง

วงจรนี้ใช้สำหรับจ่ายกระแสให้โหลดที่ต้องการกระแส สูงกว่าวงจรธรรมดาจะจ่ายให้ได้

วงจรนี้มีลักษณะดังนี้

1 ความต้านทาน อินพุทสูง เอ้าพุทต่ำ

2 ไม่กลับเฟสของสัญญาณ

3 ขยายกระแสของสัญญาณ

Tr1 ไม่สามารถจะขับลำโพงให้ดังได้ด้วยตนเอง Tr2 ทำหน้าที่เป็นตัวกลางคอยปะทะกับ

โหลดแทน Tr1 เรียกว่า บัพเฟอร์แอมปลิฟลาย

การออกแบบแอมปลิฟลายเออร์สำหรับสัญญาณขนาดเล็ก

การออกแบบทางทฤษฏี จะต้องมีการทดลองสร้างและทดสอบ แล้วแก้ใขส่วนที่ยังไม่เป็น

ที่ต้องการ จนกว่าจะทำงานได้ตามจุดประสงค์ที่วางไว้

เทคนิคการออกแบบ 4

เครื่องขยาย 1

วงจรเครื่องขยายคลาสเออิมิตเตอร์ร่วม มีรายละเอียดเฉพาะดังนี้

1 แหล่งจ่ายไฟ 12V d.c.

2 อัตราการขยายโวลเต็จ -120 เมื่อ Vin 50Vp-p แบบไซน์ 1kHz

3 แบนด์วิธ 500Hz ถึง 20kHz

จากรายละเอียดเฉพาะข้างต้นจะต้องมีการทดสอบต่อไป นี้

1 ระดับโวลเต็จดีซี

2 ระดับสัญญาณก่อนเพี้ยน

3 ความต้านทานอินพุทและเอ้าพุท

---

ขั้นตอนการออกแบบ

จุดเริ่มต้น

เขียนวงจรใส่สิ่งที่รู้อยู่แล้ว แล้วขวนขวายหาสิ่งที่ยังไม่รู้

1 หา Vout

Vin = 50mVp-p ที่ 1kHz

A_v = 120

A_v = Vout / Vin

Vout = A_v x Vin

= 120 x 50 x 10^-3

= 6V

Vout จะเป็น 6Vp-p

dV_CE = 6.0V

ดังนั้น V_CE จะเปลี่ยนอยู่ระหว่าง ±3V

การเปลี่ยนแปลงโวลเต็จเอ้าพุ ททำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงกระแสเอ้าพุท dI_C

จากการเปลี่ยนแปลงของกระแสอินพุท dI_B จากการกระทำ ของ Vin

2 กำหนด Q เอ้าพุ ทโวลเต็จที่เหมาะสม V_C

จากกำหนดให้ +V_CC = 12V, ได้ V_C = V_CC / 2 = 6V

นั่นคือ V_C = V_CEQ + V_E

3 กำหนดค่า V_E

V_E จะต้องมีค่าน้อย เมื่อเทียบกับ V_CEQ ให้ V_E = 1V

4 ต่อไปคำนวณ ณ จุด Q คงที่

มี V_E = 1V และ V_C = 6V

V_CEQ = V_C - V_E

= 6 - 1

= 5V

V_CEQ + V_E = V_CC - I_CQR_C

I_CQR_C = V_CC - (V_CEQ + V_E)

= 12 - (5 + 1)

= 6V

5 กำหนดค่า I_CQ

ขึ้นอยู่กับทรานซิสเตอร์ที่นำมาใช้ สำหรับสัญญาณขนาดเล็ก ใช้ทรานซิสเตอร์

เบอร์ BC108 ก็ได้ จาก คู่มือ

I_C(max) = 100mA

ต่อไปกำหนดค่า I_CQ ที่ทรานซิสเตอร์ทำงานได้อย่างสะดวก เช่น 10mA

6 คำนวณค่า R_C

I_CQ x R_C = 6.0V

R_C = 6.0V / 10mA

= 600 โอห์ม

ค่าใกล้เคียงที่สุดคือ 560 โอห์ม

ถ้า R_C = 560 โอห์ม I_CQ จริงเป็น

I_CQ = 6.0V / 560

= 10.7 mA

7 คำนวณค่า R_E

V_E = 1.0V

R_E = V_E / I_EQ

= 1.0V / 10.7mA

= 93.5

ค่าที่ใกล้เคียงที่สุดคือ 100 โอห์ม

8 คำนวณค่า I_BQ

I_BQ = I_CQ / h_FE

h_FE = 100 - 800

ใช้ค่าต่ำสุด I_BQ = 10.7mA /110

= 97.2uA

ตอนนี้พร้อมที่จะหา R₁ และ R₂ สำหรับไบอัสให้ขา B

ของทรานซิสเตอร์ เป็นค่ากระแสเบส และโวลเต็จเบสคงที่

9 หาเบสโวลเต็จ V_B

V_B = V_E + V_BE

V_E = 1.07V

V_BE = 0.6V

V_B = 1.07 + 0.6

= 1.67V

10 กำหนดค่า I₁ เป็นกระแสที่ใหลผ่านโวลเต็จดีไวเดอร์ R₁

และ R₂ กฏมีว่า I₁ มีค่ามากกว่า I_BQ เกิน 10 เท่า

I_BQ = 97.2uA

I₁ = 97.2uA x 10

= 972uA

ประมาณ 1mA

11 คำนวณค่า R₂

V_B = 1.67V

I₁ = 1mA

R₂ = 1.67V / 1mA

= 1.67k

ค่า R₂ ที่ใกล้เคียงที่สุด คือ 1.5k

12 คำนวณค่า R₁

R₁ = (V_CC - V_B) / 1mA

= (12 - 1.67) / 1mA

= 10.33k

ค่า R₁ ใกล้เคียงที่สุดคือ 10k

13 กำหนดค่าคับปลิงคาปาซิเตอร์ ความถี่ต่ำที่สุดคือ 500Hz ความต้านทาน

ของคาปาซิเตอร์จะต้อง มีค่าต่ำที่สัญญาณความถี่ 500 Hz เช่น 10uF

Xc = 1 / 2 pfC

= 1 / 6.28 x 500 x 10 x 10^-6

= 31.8 โอห์ม

C₁ และ C₂ มีค่า 10uF

14 กำหนดค่าดีคับปลิ้งคาปาซิเตอร์ C_E เพื่อรักษาอัตราขยาย

ที่ความถี่ต่ำ ค่าความต้านทานของ C_E ที่ความถี่ต่ำสุดจะต้องมีค่าต่ำ ๆ เช่น

ที่ 500Hz

Xc(100uf) = 1 / 6.28 x 500 x 100 x 10^-6

^{= 3.18 โอห์ม}

^{เป็นค่าที่ต่ำมาก ต่ำกว่าค่า R}_E ^{เหมาะ สมที่จะใช้งาน}

^{15 เขียนวงจรสมบูรณ์มีค่า ต่าง ๆ ที่ได้ครบ}

^{16 ตรวจสอบอัตราการขยายโดย ใช้ทรานซิสเตอร์โมเดล}

^{dV_CE = 6V}

^{V_ce = 6V}

^{การเปลี่ยนแปลงกระแส dI_C เป็น}

^{dI_C = V_cc / 560}

^{= 10.7 mA}

^{ดังนั้น I}_C ^{จะเพิ่มขึ้น 5.35mA แล้วลดลง 5.35mA จากจุด Q มีค่า}

^10.7mA

^{I_c = 10.7mA}

^{gm = I_c / 25}

^{= 10.7 / 25}

^{= 428mS}

^A_v ^{= -gm x R_c}

^{= -428 x 10-3 x 560}

^{= -240}

^{มีค่าเป็น 2 เท่าของอัตราการขยายที่ กำหนดไว้ คือ 120}

^{การต่อวงจรและทดสอบ}

^{1 ต่อวงจรป้อนไฟเข้า วัดไบอัสโวลเต็จที่ V}_CE^{, V}_B ^{และ V}_E ^{เทียบ กับ}

^{กราวนด์ เปรียบ เทียบกับที่ได้จากการคำนวณ}

^{2 จากการวัด ทำให้สามารถปรับอัตราการขยายได้โดยปรับค่าเอซีเนกาทีฟฟีดแบ๊ค คาปาซิเตอร์}

^C_E^{เป็น ตัวป้องกันการป้อนย้อนกลับทางลบ ถ้าค่า R}_E^{เปลี่ยนไป จนทำให้เกิด}

^{การป้อนย้อนกลับทางลบ อัตราขยายจะลดลง ใส่ R}_E1 ^{แล้วปรับค่า R}_E1 ^{จนได้}

^A_v ^{= 120}

^{3 ปรับค่า R}_C ^{ทำให้ A}_v ^{เปลี่ยนไปได้ด้วย}

^{4 การใส่โหลด เช่น ใช้ตัวต้านทานต่อคร่อมเอ้าพุทของวงจร จะทำให้อัตราการขยาย}

^{เปลี่ยนแปลง เรียกว่า R}_L ^{ซึ่ง จะเสมือนต่อขนานกับ R}_C ^{ไปทำให้อัตราการขยาย}

^{ของเครื่องขยายเปลี่ยนไป สังเกตได้จากจอสโคป}

^{5 ถ้า R}_L ^{= 560 โอห์ม จะทำให้ได้ ค่าความต้านทานทางออกรวมของ R}_C

^{กับ R}_L ^{ต่อกันแบบขนาน = 560 / 2 = 280 โอห์ม}

^{จาก A}_v ^{= - gm x R}_รวม

^{= - 428 x 10-3 x 280}

^{= - 120}

^{การปรับปรุงเหล่านี้เกิดจากการสร้างและทดสอบจากการออกแบบ}

^{การเขียนรายงาน}

^{ในรายงานควรจะมีสิ่งต่อไปนี้}

^{1 รายละเอียดเฉพาะจากการออกแบบ}

^{2 ให้เหตุผลในการใช้ตัวต้านทานแต่ละตัว}

^{3 รายการทดสอบควรจะมี}

^{ก อัตราขยาย ที่ย่านความถี่ที่ต้องการ}

^{ข ระดับ สัญญาณก่อนเพี้ยน}

^{ค กราฟอัตรา การขยายต่อความถี่ต่าง ๆ}

^{ง แบนด์วิธ}

^{จ ความต้าน ทานอินพุทและความต้านทานเอ้าพุท}

^{4 รายการที่มีการปรับปรุงวงจรให้เครื่องขยายมีคุณสมบัติตรง รายละเอียดเฉพาะ}

^{5 วงจรที่ปรับปรุงเสร็จเรียบร้อยแล้ว}

^{6 สิ่งที่น่าสนใจของวงจร และปัญหาที่เกิดขึ้น}

^{เทคนิคการออกแบบ 5}

^{เครื่องขยาย 2}

^{เครื่องขยายคลางเอวงจรคอม มอนซอสมีรายละเอียดเฉพาะดังนี้}

^{1 ใช้เอ็นแชลแนลเจเฟท}

^{2 แหล่งจ่ายไฟ 10V d.c.}

^{3 อัตราการขยายโวลเต็จ -8 เมื่อ Vin 100mVp-p ที่ 1kHz แบบไซน์}

^{4 แบนด์วิธ 10Hz ถึง 20kHz}

^{เพื่อให้เป็นไปตามรายละเอียดเฉพาะจะต้องมีการเขียนรายงาน ประกอบด้วย}

^{ก ระดับโวลเต็จดีซี}

^{ข ระดับ สัญญาณก่อนเพี้ยน}

---

^{การออกแบบแอมปลิฟลายเออร์ใช้เฟท}

^{เจเฟทซอร์สร่วมแอมปลิฟลายเออร์}

^{จุด Q จะอยู่ที่เกตซอสโวลเต็จเป็น ลบสำหรับเอ็นแชลแนล หรือเป็นบวกสำหรับ}

^{พีแชลแนล อัตราการขยายโวลเต็จประมาณ A}_v ^{= -gmR_D เมื่อ gm เป็น ค่าความนำผ่าน}

^{ค่า gm ในคู่มือแสดงเป็น Y}_fs ^{หรือ gfs จะมีค่าต่ำสำหรับเจเฟท เช่น 2N3819 มี Y}_fs

^{(min) เป็น 2000uS ถ้าตัวต้าน ทานขาเดรน R}_D ^{เป็น 5k อัตราการขยายโวลเต็จ เป็น}

^A_v ^{= -2000 x 10-6 x 5000}

^{= - 10}

^{เครื่องขยายวงจรซอสร่วมจะมีอัตราการขยายต่ำกว่าวงจร อิมิตเตอร์ร่วม}

^{ขั้นตอนการออกแบบ}

^{จุดเริ่มต้น}

^{เขียนวงจรเท่าที่รู้จากที่กำหนดให้}

^{1 คำนวณค่า Vout}

^A_v ^{= Vout / Vin}

^{Vin = 100mV}

^A_v ^{= 8}

^{Vout = Vin x A}_v

^{= 100mV x 8}

^{= 800mVp-p}

^{มีการแกว่งของสัญญาณน้อยมากเพียง ±400mV จากจุด Q จึงไม่}

^{ต้องกังวลเรื่องการเพี้ยน ทำให้การไบอัสแบบคลาสเอกระทำได้ทุกจุดบนเส้นโหลดไลน์}

^{2 เลือกอุปกรณ์}

^{จะต้องเลือก -V}_GSQ ^{เพื่อกำหนดจุด Q หา ได้จากคู่มือที่บอก}

^{รายละเอียดเฉพาะของอุปกรณ์ที่มี}

^I_D^{(max) = 10mA}

^V_DD ^{= 10V}

^{มีเฟทให้ เลือกมากมาย แต่จะเลือกเบอร์ 2N3819}

^{3 หาค่า - V}_GS

^{เฟทเบอร์ 2N3819 มีค่า V}_GS ^{สูง สุดเป็น 8V ที่ทำให้เฟทตัด}

^{วงจร ค่า Q ที่ น่าใช้เป็น 3V นั่นคือ}

^V_GSQ ^{= -3.0V}

^{4 หาค่า R}_D

^{ตัวต้านทาน R}_D ^{ต่ออัตราการขยายและกระแสเดรน I}_D

^A_v ^{= 8}

^{gm = 2mS(min)}

^A_v ^{= -gm x R}_D

^R_D ^{= A}_v ^{/ gm}

^{= 8 / 2 x 10-3}

^{= 4000 โอห์ม}

^{ค่าใกล้เคียงที่สุดคือ 3.9k}

^{5 คำนวณค่า I}_D

^V_D ^{= V}_DD ^{/ 2}

^{= 5V (สำหรับการไบอัสแบบคลาสเอ)}

^I_D^R_D ^{= V}_DD ^{- V}_D

^{= 10 - 5}

^{= 5V}

^{ถ้า R}_D ^{= 3.9k}

^I_DQ ^{= 5.0V / 3.9k}

^{= 1.28mA}

^{6 คำนวณค่า R}_s

^{I_sR_s = 3V(ตัวต้านทานซอส R}_s ^{มีผล ต่อการไบอัสเกตมาก)}

^{ถ้า I}_s ^{= I}_D ^{= 1.28mA}

^{R_s = 3V / 1.28mA}

^{= 2.34k}

^{ค่าใกล้เคียงที่สุดคือ 2.2k}

^{7 หาค่า R}_G

^R_G ^{ใช้ทำให้ขาเกตเป็น 0V เพื่อ ให้การไบอัสขาเกตกับซอสถูกต้อง}

^{ปกติจะใช้ค่าสูงมาก ๆ เช่น 1M}

^R_G ^{= 1M}

^{8 หาค่า Cin, Cout, Cs}

^{คล้าย ๆ กับเครื่องขยายอิมิตเตอร์ร่วม จะต้องให้มีความต้านทานต่อสัญญาณ}

^{ความถี่ที่ต้องการน้อย ๆ จึงให้ Cin, Cout มีค่าเป็น 10uF ดีคับปลิ้งคาปาซิเตอร์ Cs มีค่า}

^100uF

^{9 เขียนวงจรสมบูรณ์จากทฤษฏีใส่ค่าให้ครบ}

^{สร้างเครื่องขยายตามวงจรที่เขียน แล้วทดสอบปรับให้ได้ตามรายละเอียดเฉพาะ}

^{ที่กำหนด กับ Vin 100mV ที่ 1kHz ค่า R}_s ^{เป็น ค่าประมาณสามารถใช้ปรับค่า}

^{อัตราการขยายได้}

^{ถ้ามีโหลดมาต่อที่เอ้าพุทจะ ทำให้อัตราการขยายเปลี่ยนไป ตามความต้านทานขาเดรน}

^{ที่ต่อขนานกันระหว่าง R}_D ^{กับ R}_L

^{ใช้วิธีการทำรายงานเหมือนกับ BJT ทรานซิสเตอร์}

^{มอสเฟทแอมปลิฟลายเออร์}

^{ชนิดดีปลีชั่น}

^{มอสเฟททำงานได้ทั้งโหมดดีปลีชั่นและ โหมดเอนฮานเมนท์ นั่นคือสามารถไบอัส}

^{ให้ขาเกตเป็น 0V ได้ V}_GS ^{สวิงขี้นไปทางบวกและลงไปทางลบ ทำให้สัญญาณ}

^{อินพุท เป็น d V}_GS^(V_gs)

^{ชนิดเอ็นฮานเมนต์}

^{อุปกรณ์นี้ไบอัสแบบเอ็นฮานเมนต์}

^{การจัดวงจรไฟฟ้า}

^{ใช้เทคนิคเดิมเขียนวงจรได้เป็น}

^{ปฏิบัติการที่ 18}

^{เครื่องขยาย 2 ภาค}

^{อุปกรณ์และเครื่องมือ}

^BC108

^2N3819

^{R 270, 820, 1k, 2 x 4k7, 2 x 10k, 12k, 56k, 220k, 1M}

^{C 220pF, 2 x 1uF, 4.7uF, 10uF, 100uF}

^{สโคป 2 บีม}

^{แหล่งจ่ายไฟ}

^{เครื่องกำเนิดสัญญาณ}

^{กระดาษกราฟแบบ ล๊อก/ลิเนีย 6 ไซเกิล}

^{ดิจิตอลมิเตอร์}

^{วิธีทดลอง}

^{1 ต่อวงจร ภาคที่สองจะต้องมี C}_E^{ต่ออยู่เพื่อไม่ให้มีการป้อนย้อนกลับทางลบ}

^{2 ตรวจสอบวงจรให้ทำงานแล้ว วัด บันทึกค่าต่อไปนี้}

^{ก ระดับ สัญญาณก่อนเพี้ยนที่ 1kHz}

^{ข อัตราการ ขยายโวลเต็จของแต่ละภาคและรวมทั้งสองภาค ที่ 1kHz}

^{3 ขณะไม่มีสัญญาณ วัดโวลเต็จที่ จุด 1 - 6 ในเครื่องขยายและวัดการกินกระแสของวงจร}

^{4 วัดค่าอัตราการขยายที่ความถี่ต่าง ๆ ที่จำเป็นแล้วเขียนกราฟอัตราการขยายตอบสนอง}

^{ต่อความถี่ต่าง ๆ}

^{5 ทำให้เกิดการป้อนย้อนกลับทางลบโดยปลด C}_E ^{ออก ทำตามข้อ 4 บน}

^{กระดาษกราฟแกนเดียวกันฃ}

^{6 ต่อ C}_E ^{ตั้งอินพุทที่ 1kHz จะเกิดอะไรขึ้น ถ้า R}_L

^{ก ถูกปลดออก}

^{ข เปลี่ยนค่า เป็น 1k}

^{ผลการทดลอง}

^{1 ใช้กราฟผลตอบสนองต่อความถี่ กำหนดแบนด์วิธ ของเครื่องขยายเมื่อมีและไม่มี}

^{การป้อนย้อนกลับ}

^{2 สังเกตความสัมพันธ์ระหว่างการป้อนย้อนกลับกับอัตราการ ขยายโวลเต็จ}

^{3 เกิดอะไรขึ้นกับอัตราการขยายของเครื่องขยายเมื่อมีโหลด}

^{4 เขียนรายละเอียดวิธีการป้อนย้อนกลับทางลบให้แก่วงจร}

^{เขียนรายงานที่มีรายละเอียดเฉพาะและข้อมูลที่บันทึก}

---

^{ทบทวนเรื่องแอมปลิฟลายเออร์}

^{- อุปกรณ์กระตุ้นได้ BJT หรือ เฟท ใช้เป็นตัวขยายโวลเต็จ กระแส และกำลังได้}

^{- อัตราขยายหาได้จาก}

^A_v ^{= อัตราขยายโวลเต็จ = Vout/Vin}

^A_i ^{= อัตราขยายกระแส = Iout/Iin}

^{A_p = อัตราขยายกำลัง = Pout/Pin}

^{- ดีซีโหลดไลน์ใช้สำหรับกำหนด จุด Q ของทรานซิสเตอร์}

^{- Q Quiescent หมายถึงเงื่อนใขไม่มีสัญญาณป้อนเข้าที่อินพุท}

^{- สำหรับเครื่องขยายคลาสเอ จุด Q จะ อยู่กึ่งกลางเส้นโหลดไลน์}

^{- เครื่องขยายอิมิตเตอร์ร่วมและซอสร่วมกลับเฟสสัญญาณ}

^{- คาปาซิเตอร์ใช้สำหรับผ่านเอ ซี และกั้น ดีซี}

^{- BJT ทำจากสารเอ็นและสารพีต่อกันทำให้มีประจุพาหะรองเกิดขึ้น}

^{- ประจุพาหะรองทำให้เกิดกระแสรั่วใหลขณะ ที่ไบอัสแบบรีเวอร์สทำให้เกิดความร้อน}

^{และเพิ่มตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น ทำให้ต้องมีการรักษาเสถียรภาพทางอุณหภูมิ}

^{- การป้อนย้อนกลับหรือฟีดแบ๊คเกิด ขึ้นเมื่อส่วนหนึ่งของสัญญาณเอ้าพุทถูกป้อนย้อน}

^{กลับเข้าที่อินพุท}

^{- การป้อนย้อนกลับทางบวกเกิดขึ้นเมื่อสัญญาณที่ป้อนย้อน กลับมีเฟสเดียวกับอินพุท}

^{- การป้อนย้อนกลับทางลบเกิดขึ้นเมื่อสัญญาณที่ป้อนย้อนกลับ กลับ(180องศา)เฟสกับอินพุท}

^{- การป้อนย้อนกลับทางบวกทำให้เสถียรภาพของเครื่องขยายเสีย ไปควรระวังไม่ให้เกิดขึ้น}

^{- การป้อนย้อนกลับทางลบเข้าไปปรับปรุงเครื่องขยาย ในทาง}

^{ก อัตราการขยายลดลง}

^{ข แบนด์วิธกว้างขึ้น}

^{ค เสถียรภาพของอัตราขยายถูกปรับปรุง}

^{ง สัญญาณรบกวนและการเพี้ยนลดลง}

^{จ ความต้านทานอินพุทและเอ้าพุทเปลี่ยน แปลงไป}

^{- การป้อนย้อนกลับทำได้ทั้งเอซีและดีซี}

^{- คาปาซิเตอร์บายพาสหรือดีคับ ปลิ้งใช้สำหรับป้องกันการป้อนย้อนกลับทางลบ}

^{- การปลดคาปาซิเตอร์บายพาส หรือดีคับปลิ้งออกจะทำให้เกิดการป้อนย้อนกลับทางลบ}

^{ไปลดอัตราการขยายลง}

^{- สัญลักษณ์ต่าง ๆ ในวงจรขยายตัวห้อยเป็นอักษรเล็กแสดงถึงมีสัญญาณขนาดเล็กเข้า}

^{ทางอินพุท}

^{- เฟทเอ็นแชลแนลต้องการไฟไบอัสเก ตเป็นลบเทียบกับซอส โดยใช้ตัวต้านทานซอส R}_s

^{- โมเดลของเครื่องขยายสัญญาณขนาดเล็กด้านอินพุทแทนด้วยวงจร เสมือนเทเวนินด้านเอ้าพุ ท}

^{แทนด้วยวงจรเสมือนนอร์ตัน}

^{- โมเดลของเครื่องขยายสัญญาณขนาดเล็กทั้ง BJT และเฟท ตามทฤษฏีมีอัตราขยายโวลเต็จ}

^{- เครื่องขยายที่มีแบนด์วิธ แคบ ๆ สำหรับขยายสัญญาณความถี่ที่ต้องการ โดยการใช้วงจร}

^{จูนแทนตัวต้านทานโหลด}

^{- เครื่องขยายกระแสใช้เป็นตัวปะทะระหว่างวงจรขยายกับโหลด}

^{- เมื่อต้องการออกแบบวงจรขยายเป็นทำงานจากสิ่งที่รู้อยู่ ก่อนแล้วไปสู่สิ่งที่ยังไม่รู้}

^{- รายละเอียดเฉพาะของเครื่องขยายที่ต้องการจะต้องเป็นสิ่ง ที่ทำได้}

^{- ระวังผลการคำนวณที่เกินขอบเขตที่จะทำได้ เช่น R}_C ^{= 0.01 โอห์ม}

^{หรือ R}₁ ^{= 2700 เมกกะโอห์ม}

^{- การเพิ่มลดค่าอุปกรณ์จะต้องไม่ทำให้ผลการทำงานของวงจร เปลี่ยนแปลงมากนัก}

^{- เมื่อทดสอบวงจรแล้วไม่เป็นผลตามที่ต้องการ จะต้องตรวจสอบทุกอย่างก่อนจะเปลี่ยน}

^{แปลงอุปกรณ์ในวงจร}

^{- เปลี่ยนแปลงค่าของอุปกรณ์ที่มีผลโดยตรงกับสิ่งที่ต้องการ และระมัดระวังอยู่เสมอ}

^{- อย่าลืมบันทึกสิ่งที่เปลี่ยนแปลงไว้ทุกเรื่อง}