มาเรียนรู้ออปแอมป์อย่างละเอียด..กันเถอะ

มาเรียนรู้ออปแอมป์อย่างละเอียด..กันเถอะ

พูดถึงออปแอมป์บางคนอาจบอกว่ารู้แต่ ถ้าลองซักกันจริง ๆ แล้วจะมีเพียงไม่กี่คนที่รู้ลึกซึ้งถึงโครงสร้างการทำงานภายในของมัน

ในบทความนี้ จะอธิบายและวิเคราะห์วงจรอะนา ลอก โดยจะเริ่มต้นที่วงจรพื้นฐานของ ออปแอมป์ก่อน ในการอธิบายในเบื้องต้นนี้ จะเป็นเรื่องเหี่ยวกับหลักการและแนวความคิด พื้นฐาน จะยังไม่อธิบายถึงวงจรในทางปฏิบัติจริง ๆ ซึ่งสิ่งที่จะกล่าวถึงนี้เป็นสิ่งที่สำคัญ ในการทำความเข้าใจวงจรที่ซับซ้อนได้ในภายหลัง ในการอธิบายนี้อาจจะเห็นสูตรและ การคำนวณต่าง ๆ ออกมาบ้าง ซึ่งอาจจะทำให้ผู้อ่านบางท่านรู้สึกเบื่อ แต่สูตรคำนวณเหล่านี้จะช่วยทำให้สามารถทำความเข้าใจได้ลึกซึ้งยิ่งขึ้น

ความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับออ ปแอมป์

รูปที่ 1 แสดงการทำงานและวงจรสมมูลย์ของออปแอมป์

ออปแอมป์มี สัญลักษณ์และสัญญาณเข้าออก ตามที่แสดงในรูปที่ 1 ความสัมพันธ์ของสัญญาณเข้าและ ออก แสดงด้วยสูตรง่าย ๆ คือ

Av เป็นอัตราการขยายแรงดันซึ่งมีค่าสูงมาก จึงเป็นคุณสมบัติที่พิเศษสุดของออปแอมป์ ออปแอมป์แบบอุดมคติ จะมีคุณสมบัติตามเงื่อนไขดังนี้

1. อัตราการขยายแรงดัน สูงมากจนเป็นอนันต์

2. ความต้านทานทางอินพุต สูงมากจนเป็นอนันต์

3. ความต้านทานทางเอาท์พุท ต่ำมากจนเป็นศูนย์

4. แรงดันออฟเซททางอินพุทเป็น ศูนย์

5. กระแสออฟเซททางอินพุทเป็น ศูนย์

6. ลักษณะสมบัติเชิงความถี่ ขยายได้ดีตั้งแต่ไฟตรง จนความถี่สูงมากเป็นอนันต์

7. ไม่มีข้อบกพร่องอื่น ๆ

แต่ในความเป็นจริงแล้ว ออปแอมป์ก็ ไม่ได้มีคุณสมบัติอย่างในอุดมคติเลยทีเดียว แต่อย่างไรก็ตาม เพื่อความสะดวกในการทำความเข้าใจ สำหรับผู้เริ่มต้น ในช่วงแรกให้ถือว่า ออปแอมป์ที่ใช้ศึกษากันต่อ ไปนี้มีคุณสมบัติใกล้เคียงกับอุดมคติมาก

การใช้ออปแอมป์ที่เป็นอุดมคติในการ ออกแบบวงจรนั้น เป็นวิธีการที่นิยมใช้กันมาก หลังจากออกแบบเสร็จแล้ว จึงค่อยมาพิจารณาเงื่อนไข หรือคุณสมบัติต่าง ๆ ที่ไม่เป็นอุดมคติ แล้วค่อยแก้ไขและปรับปรุงวงจรให้ดีขึ้นอีกทีหนึ่ง

ต่อไปเราลองมาดูว่าออปแอมป์ในความ เป็นจริงแตกต่างจากออปแอมป์อุดมคติอย่างไร

อัตราการขยายแรงดัน

อัตราการขยาย Go ของวงจรออปแอมป์ ซึ่งต่อเป็นวงจรขยายแบบไม่กลับขั้ว ตามรูป 2 จะมี สูตรทั่วไปคือ

แต่ในความเป็นจริงอัตราการขยายจะเป็น

ซึ่งถ้าอัตราการขยายแรงดัน Av ของออปแอมป์มีขนาดสูงมาก ๆ แล้วเทอม (R1 +R2) /Av จะมีขนาดเล็กมากจนเป็นศูนย์ไป จึงทำให้สูตรเหลือแต่ นั่นเอง

รูปที่ 2 แสดงการต่อออปแอมป์ในอุดมคติเป็น วงจรขยายแบบไม่กลับขั้ว

ในรูปที่ 2 ค่า R1 = 1 kโอห์มและ R2 = 9 kโอห์ม ถ้าเป็นออ ปแอมป์แบบอุดมคติวงจรทั้งหมดจะมีอัตราการขยายเท่ากับ 10 พอดี แต่ถ้าไม่เป็นอุดมคติ เช่น Av = 100 จะได้ แรงดันตามส่วนต่าง ๆ ของวงจรตามในรูป 3 คือ เพื่อให้แรงดันเอาท์เท่ากับ 10 โวลต์ จะมีสัญญาณที่อินพุทต่ำลงเท่ากับ 10 เท่า คือเท่ากับ 0.1 V แต่แรงดันที่ป้อนกลับจากเอาท์พุทคิดจากการแบ่งแรงดัน ด้วยตัวต้านทานสองตัวจะเป็น 1 V ดังนั้นแรงดันอินพุทของวงจรต้องมีค่า 1.1 V จึงจะทำให้แรงดันเอาท์พุทเป็น 10 V ดังที่ได้แสดงไว้ในรูปที่ 3

รูปที่ 3 แสดงแรงดัน ณ จุดต่าง ๆ เมื่อจัดวงจรขยายให้กับออปแอมป์

ในการวิเคราะห์วงจรออปแอมป์นั้น ในบางครั้งถ้าเราคิดย้อนแรงดันเอาท์พุทมาที่แรงดันอินพุท จะทำให้วิเคราะห์และทำความเข้าใจได้ง่ายขึ้น

จากวิธีการอธิบายที่กล่าวมานี้สามารถกระจายแรงดันอินพุทเป็น

จากสมการข้างบนนี้ ด้านขวามือเทอมแรกเป็นแรงดันที่ได้จากการป้อนกลับตามในรูปที่ 3 ที่จุด B และเทอมที่ 2 เป็นแรงดันที่ป้อนเข้าที่อินพุททั้งสองของออปแอมป์ ตามในรูปที่ 3 ที่จุด A

ออปแอมป์ที่ ใช้งานกันทั่วไป จะมีอัตราขยาย Av สูงเป็นหลายหมื่น หรือหลายแสนเท่า ดังนั้นจึงทำให้ แรงดัน Eo/Av มีขนาดเล็กมากจนสามารถละทิ้งได้

แต่ถ้าความถี่ของสัญญาณที่ใช้ขยายมีขนาดสูงมาก ๆ ละก็ อัตราขยาย Av ของออปแอมป์ก็จะมีขนาดเล็กลง จนทำให้เราไม่สามารถละทิ้ง เทอม Eo/Av

ลองดูคุณสมบัติของออปแอมป์ที่ใช้งาน จริง เบอร์ต่าง ๆ ในตารางที่ 1 จะเห็นว่า ออปแอมป์ที่ใช้งานความเร็วสูง จะมีอัตราการขยายไฟตรง (หรือความถี่ต่ำ) ต่ำ ในขณะที่ออ ปแอมป์แบบใช้งานทั่วไป จะมีอัตราการขยายสูงกว่าแต่เมื่อความถี่สูงขึ้น ออ ปแอมป์แบบใช้งานทั่วไปจะมีอัตราการขยายลดต่ำลงอย่างเห็นได้ชัด

ความต้านทานทางอินพุท

ถ้าค่าความต้านทางอินพุทของออปแอมป์มี ค่าเป็น Zi อัตราการ ขยายของวงจรขยายแบบไม่กลับเฟสเท่ากับ G จะเขียนด้วยสูตรที่ละเอียดขึ้นเป็น

จากสูตรจะเห็นว่ามีเทอม เพิ่มขึ้นมา ถ้า Av มีค่ามากแล้ว จะมีค่ายิ่งมากขึ้น AvZi อีก จึงทำให้เทอมนี้มีขนาดเล็กมาก จนไม่มีผลกับค่า G เลย

รูปที่ 4 แสดงอัตราการขยายของออปแอมป์เมื่อ ต้านทานทางอินพุทไม่ถึงอนันต์

ยกตัวอย่างเช่น ให้ Av = 100 และ Zi = 100 kโอห์ม คำนวณตามในรูปที่ 4 จะพบว่าได้อัตราการขยาย 9.08 เมื่อ เปรียบเทียบกับ 9.09 ซึ่งคำนวณไปแล้วโดยคิดว่า Zi มีค่าใหญ่มากจนเป็นอนันต์จะเห็นว่าผลต่างนั้นน้อยมาก

และถ้าลองเพิ่ม Av เป็น 10,000 จะได้อัตราขยายเป็น 9.9900 และ 9.9899 ซึ่งก็ต่างกันน้อยมาก จนโวลต์มิเตอร์ที่ใช้งานอยู่ทั่วไปก็ไม่สามารถวัดถึงความแตกต่างนี้ได้

ออปแอมป์ที่ ใช้งานทั่วไปนั้นมี Av สูงมาก จนสามารถทิ้งค่า Zi ได้แต่อย่างไรก็ตาม Zi ก็ยังมีผลต่อวงจรบ้างโดยเฉพาะส่วนที่เกี่ยวพันกับกระแสไบ แอสทางอินพุท ซึ่งจะได้อธิบายต่อไป ซึ่งถ้ากระแสไบแอสนี้ไหลเข้าไปในออปแอมป์จะทำ ให้ไม่สามารถใช้ตัวต้านทานค่าสูง ๆ ต่อเข้ากับวงจรออปแอมป์ได้

ลองดูในรูปที่ 4 แรงดันอินพุท 1.101 V และกระแสไหลเข้าออปแอมป์ 1 microA จะทำให้วงจรเหมือนกับ มีค่าความต้านทานอินพุทรวมเป็น 1.1 Mโอห์ม ซึ่งเป็นค่าที่นับได้ว่าสูงทีเดียว

ความต้านทานทางเอาท์พุท

ความต้านทานทางเอาท์พุทของออปแอมป์จะ มีขนาดเพียงไม่กี่โอห์มหรือไม่กี่สิบโอห์มเท่านั้น ดูเผิน ๆ แล้วอาจเห็นว่าไม่สำคัญเท่าไร แต่อย่างไรก็ตามยังมีผู้สับสนใน ความหมายอันนี้ และมักจะเข้าใจกันผิดเสมอ คือแยกความแตกต่างระหว่างความต้านทานทางเอาท์พุทกับความสามารถในการขับโหลด ได้ไม่ถูกต้อง

ความสามารถในการขับโหลดหมายถึง ความสามารถในการจ่ายกระแสและแรงดันให้กับโหลด ซึ่งอาจจะเป็นตัวต้านทานหรือวงจรซึ่งมาต่อทางด้านเอาท์พุทของออปแอมป์

สมมติให้ออปแอมป์มีความต้านทานทาง เอาท์พุท 10 โอห์ม ไม่ได้หมายความว่า ให้ต่อกับโหลดที่มีขนาด 10 โอห์มพอดี ตามความคิดเรื่องการแมทช์อิมพี แดนซ์ ซึ่งตามความเป็นจรงินั้น ความต้านทานทางเอาท์พุทกับความสามารถในการขับโหลดจะไม่เกี่ยวข้องกันเลยลอง ดูรูปเปรียบเทียบในรูปที่ 5

รูปที่ 5 แสดงความหมายของความต้านทานเอาท์พุทและความสามารถในการขับโหลด

ความต้านทานทางเอาท์พุท จะเปรียบเหมือนกับการดึงรถยนต์ด้วยโซ่หรือเชือกไนล่อน แต่ความสามารถในการขับโหลด จะเปรียบเหมือนแรงของคนดึง ว่ามีมากแค่ไหน ความต้านทานทางเอาท์พุทจะสัมพันธ์กับการเปลี่ยนแปลงแรงดันเอาท์พุท เมื่อโหลดเปลี่ยนไป ซึ่งจะคล้ายกับเชือกไนล่อน ซึ่งยืดออกมายาวไม่เท่ากัน เมื่อรถหนักไม่เท่ากัน หมายความว่าความต้านทานทางเอาท์พุท เปลี่ยนไปเมื่อแรงดันเอาท์พุทเปลี่ยนไปด้วยผลของโหลด

รูปที่ 6 แสดงความต้านทานเอาท์พุทของออปแอมป์

ตัวอย่างในรูปที่ 6 แสดงให้เห็นอย่าง ชัดเจนถึงผลของแรงดันเอาท์พุทในขณะที่ไม่มีโหลดต่ออยู่ ออปแอมป์จะได้แรงดันเอาท์พุท 10 V แต่เมื่อต่อโหลดขนาด 1 kโอห์ม เข้าไปเท่านั้น แรงดันเอาท์พุทลดลงมาเหลือเพียง 8 V ในกรณีนี้ ความต้านทานทางเอาท์พุทมีค่า 250 โอห์ม

อัตราขยายของออปแอมป์ Av จะมีผลทำให้ความต้านทานทางเอาท์พุทของวงจรดูเหมือนจะเปลี่ยนแปลง ไปด้วยลองมาดูรูปที่ 7 เพื่อเข้าใจได้ง่ายขึ้นให้ออปแอมป์ เป็นอุดมคติทุกประการยกเว้นมีความต้านทานทางเอาท์พุท และนำความต้านทานอันนี้มาเขียนไว้ข้างนอกตัวออปแอมป์

รูปที่ 7 เมื่อมองดูจากวงจรนี้ จะดูเหมือนว่าความต้านทานทางเอาท์พุทมีการเปลี่ยนแปลงเมื่ออัตราการขยาย เปลี่ยนไป

รูปที่ 7 ก. เป็นกรณีที่ Av = a และรูปที่ 7 ข. เป็นกรณีที่ Av = 100 จะเห็นว่าทั้งสองกรณีเมื่อต่อโหลดให้กับวงจร ออปแอมป์จะพยายามยกแรงดันเอาท์พุท ของตัวเองให้สูงขึ้นเพื่อให้แรงดันที่คร่อมโหลดมีค่าใกล้เคียงของเดิม จึงทำให้แลดูเห็นว่าความต้านทานทางเอาท์พุทของวงจรมีค่าน้อยลงไป

กรณี Av = alfa จะคำนวนความต้านทานทางเอาท์พุทได้ ศูนย์ และกรณี Av = 1000 จะคำนวณความต้านทานทางเอาท์พุทได้เพียง 22.7 โอห์ม เท่านั้น ซึ่งแตกต่างจากความต้านทานทางเอาท์พุทจริงของออปแอมป์

ข้อมูลเกี่ยวกับความต้านทานทางเอาท์พุทของออ ปแอมป์นั้น มักจะไม่ค่อยมีแสดงในคู่มือออปแอมป์ของผู้ผลิต แต่อย่างไรก็ตามความต้านทานทางเอาท์พุทนี้ไม่ค่อยก่อปัญหา แก่ผู้ออกแบบเท่ากับความสามารถในการขับโหลดของออ ปแอมป์

แรงดันออฟเซททางอินพุท

แรงดันออฟเซททางอินพุทเป็นเรื่อง สำคัญมากเรื่องหนึ่ง เมื่อเราศึกษาเรื่องออปแอมป์ แรงดันออปเซททางอินพุทหมายถึง แรงดันขนาดเล็กที่ปรากฏระหว่างอินพุทบวกลบ ของออ ปแอมป์ในขณะที่แรงดันอินพุทเป็นศูนย์ ลองดูรูปที่ 8 ประกอบ

รูปที่ 8 จะเห็นได้ว่าแรงดันออฟเซ็ทเพียง 1 มิลลิโวลต์ จะกลายเป็น 10 มิลลิโวลต์ที่เอาท์พุท เมื่อออปแอมป์มี อัตราการขยายเพียง 10 เท่า

สำหรับวงจรที่ไม่ต้องการขยายแรงดันไฟตรง มักพยายามกำจัดผลของแรงดันออฟเซทนี้ ไม่ให้ไปปรากฏที่เอาท์พุท อย่างเช่น วิธีการในรูปที่ 9 ซึ่งเป็นวงจรขยายแรงดัน ไฟสลับด้วยออปแอมป์สังเกตจากรูปทางซ้าย มีตัวเก็บประจุต่ออยู่ ซึ่งคุณสมบัติของตัวเก็บประจุคือจะกันไฟตรงเอาไว้ และยอมให้ผ่านเฉพาะไฟสลับ ดังนั้น เมื่อมีแรงดันไฟตรง ป้อนกลับมาที่อินพุทลบ ตัวเก็บประจุจะทำให้สัญญาณไฟตรงทั้งหมดไหลผ่านเข้าอินพุทลบ หักล้างกับแรงดันไฟตรง ที่จะออกทางเอาท์พุทได้อัตราการขยายเท่ากับ 1

รูปที่ 9 แสดงการกำจัดแรงดันออฟเซ้ทโดยการให้ ขยายเฉพาะแรงดันที่เป็นไฟสลับ

เมื่อมีสัญญาณไฟสลับผ่านเข้ามาจากเอาท์พุท มันจะเลือกไหลผ่านตัวเก็บประจุลงดินไป เสมือนกับว่าตัวต้านทานค่า 10 kโอห์ม ในวงจรถูกต่อลงดินกลายเป็นรูปทางขวามือ ล่าง เมื่อคำนวณอัตราการขยายจากค่าของอุปกรณ์แล้วได้เท่ากับ 100 เท่า

รูปที่ 10 แสดงวิธีการปรับแรงดันออฟเซ็ท

การปรับเพื่อลดขนาดแรงดันออฟเซทที่ อินพุทสามารถทำได้ 2 วิธีคือ ใช้วงจรภายในของออ ปแอมป์เอง โดยต่ออุปกรณ์ปรับเข้ากับขาของออปแอมป์และอีก วิธีหนึ่งคือ ป้อนแรงดันจากภายนอกเข้าไปลบล้างผลของแรงดันออฟเซ ทนี้การป้อนแรงดันจากภายนอกแม้จะลดผลของออฟเซท ไม่ให้ไปปรากฏที่เอาท์พุทได้จริง แต่อย่าลืมว่า แรงดันออฟเซททางอินพุทของออปแอมป์ ก็ยังไม่ได้หายไปไหน ดูรูปที่ 10 ประกอบ

ซึ่งเรื่องนี้อาจจะเป็นปัญหาได้เมื่อวงจรออ ปแอมป์ซับซ้อนขึ้น หรือในวงจรที่ใช้อะนาลอก สวิทช์ (analoqueswitch) อะนาลอก สวิทช์เป็นสวิทช์อิเลคทรอนิคส์ ชนิดหนึ่งมีการทำงานคล้ายคลึงกับรีเลย์ เพียงแต่ไม่มีหน้าสัมผัสเชิงกลแบบรีเลย์ ใช้ในการเปิดปิดสัญญาณไฟฟ้าภายในมักจะทำด้วยทรานซิสเตอร์หรือเฟ็ท อะนาลอกสวิทช์ที่ มีขายตามท้องตลาดในปัจจุบัน มักจะเป็นชนิดที่ทำจากเฟ็ททั้งนั้น

รูปที่ 11 แสดงการใช้อนาลอกสวิทช์เพื่อเปิดปิดวงจรทางอินพุท

ดูตัวอย่างในรูปที่ 11 จะเห็นว่าการปรับออฟเซทโดยใช้แรงดันภายนอกจะทำให้เอาท์พุท มีแรงดันแตกต่างกันเมื่อสวิทช์อยู่ในสภาพเปิดหรือปิด

กระแสไบแอสทางอินพุท

กระแสไบแอสทางอินพุท หมายถึง กระแสที่ไหลเข้าหรือออกจากขั้วบวกหรือลบ ของอินพุทของออ ปแอมป์ไม่เกี่ยวข้องกับความต้านทานทางอินพุทของออ ปแอมป์ ปกติกระแสไบแอสทางอินพุท จะมีองค์ประกอบไฟตรงเป็นหลักในขณะที่ความต้านทานทางอินพุท จะมีองค์ประกอบทางไฟสลับเป็นหลัก

ทิศทางการไหลของกระแสไบแอสนี้ จะเป็นการไหลเข้าหรือออกจากออปแอมป์จะกำหนดจากชนิดของทรานซิสเตอร์หรือเฟ็ท ที่ขั้วอินพุทภายในออ ปแอมป์นั้น ๆ ส่วนใหญ่แล้วกระแสจะไหลเข้า แต่มีออปแอมป์บาง ตัว (เช่นเบอร์ 4558 ) กระแสจะไหลออก จึงควรระวังในจุดนี้ด้วย

รูปที่ 12 แสดงทิศทางการไหลของกระแสไบแอสที่อินพุทในไอซีแบบต่าง ๆ

นอกจากนั้น ยังมีออปแอมป์ชนิดที่มี ความต้านทานทางอินพุทสูงมากและกระแสไบแอสต่ำ ภายในออปแอมป์จะมีวงจรต้านกระแสไบแอสนี้ เลยทำให้ทิศทางของกระแส ไบแอสไม่แน่นนอนลองดูรูปที่ 12 ประกอบ

ลองดูผลของกระแสไบแอสในรูปที่ 13 ก. นั้นออปแอมป์ต้องการกระแสไบแอส 100 microA กระแสนี้จะไหลเข้าออปแอมป์ทั้งทางขั้วบวกและลบ ถ้าค่าความต้านทานที่ต่อ บนทางเดินของกระแสทั้งสองด้านเท่ากัน ก็จะไม่มีผลทำให้เกิดแรงดันออฟเซทที่เอาท์พุท แต่ค่าความต้านทานที่ต่อกับขั้วบวกและลบนี้ แตกต่างกันละก็จะทำให้เกิดแรงดันออฟเซท ที่เอาท์พุทของวงจรทันที

รูปที่ 13 ผลของกระแสไบแอสทางอินพุท

ในรูปที่ 13 ให้ค่าความต้านทานที่ต่อวงจร เท่ากับ 10 kโอห์ม เมื่อกระแสไบแอสไหลผ่านตัวต้านทาน จะทำให้เกิดแรงดันเท่ากับ 100 mA x 10 kโอห์ม = 1 mV ในกรณีรูป ก. ทั้งขั้วบวกและลบมีแรงดัน 1 mV เท่ากัน จึกหักล้างกันเอง ไม่ทำให้เกิดแรงดันออฟเซทที่ขั้วเอาท์พุท ในกรณีรูป ข. และ ค. นั้น มีตัวต้านทานต่ออยู่เพียงข้างเดียว จึงไม่เกิดความสมดุล เป็นผลทำให้เกิดแรงดันออฟเซ ท

รูปที่ 14 แสดงการต่อตัวต้านทานที่อินพุททั้งสองให้สมดุลกัน

ถ้าที่ขั้วอินพุทของออปแอมป์มีตัว ต้านทานมาต่อด้วยหลายตัว ตัวต้านทานที่จะต้องต่อเข้าที่อีกขั้วหนึ่งเพื่อให้เกิดความสมดุลจะต้องมี ค่าเท่ากับการต่อขนานของ ตัวต้านทานทุกตัวนั้น ดูตัวอย่างในรูปที่ 14

ในปัจจุบันมีออปแอมป์ที่ใช้เฟ็ทเป็นอินพุทอยู่หลายตัว ที่นิยมใช้แพร่หลายกันดูในตารางที่ 1 ออปแอมป์ชนิดนี้ จะมีกระแสไบแอสที่อินพุทต่ำมาก จนไม่ทำให้เกิดปัญหาในการใช้งาน

กระแสออฟเซททางอินพุท

ตามปกติกระแสไบแอสที่ไหลเข้าขั้วบวกและลบของออ ปแอมป์จะไม่เท่ากันทีเดียวนัก ความแตกต่างของกระแสทั้งสองนี้ เรียกว่ากระแสออฟเซ ททางอินพุทของออปแอมป์ ยกตัวอย่างเช่น กระแสไบแอสที่ไหลเข้าทางขั้วบวกเป็น 110 microA และที่ขั้วลบเป็น 90 microA เราจะเขียนว่ากระแสไบ แอสเท่ากับ 100 microA และกระแสออฟเซททางอินพุทเท่ากับ 20 microA เป็นต้น

รูปที่ 15 แสดงผลของกระแสออฟเซ็ท

รูปที่ 15 จะแสดงให้เห็นว่ากระแสออฟเซทนี้ จะทำให้เกิดแรงดันออฟเซทขึ้นที่ขั้วเอาท์พุท ได้โดยยังไม่คิดผลของกระแสไบแอส การหลีกเลี่ยงไม่ให้เกิดแรงดันออฟเซทเนื่อง มาจากกระแสออฟเซทนี้ สามารถทำได้โดยการลดขนาดของค่าความต้านทานในวงจรลง อันจะเป็นผลทำให้แรงดันตกคร่อมมีขนาดเล็กลง

ออปแอมป์ที่ ใช้งานทั่วไป จะมีขนาดของกระแสออฟเซทมากน้อย ตามขนาดของกระแสไบแอส แต่ถ้าเป็นออปแอมป์คุณภาพ ดี จะมีกระแสออฟเซทน้อยเป็นไม่กี่สิบเท่า ของกระแสไบแอสยิ่งถ้าเป็นออปแอมป์ชนิดที่ อินพุทเป็นเฟ็ท จะมีกระแสไบแอสน้อยมาก ทำให้กระแสออฟเซทยิ่งน้อยลงไปใหญ่ จนไม่จำเป็นต้องคำนึงถึง และถ้าใช้ออปแอมป์ชนิด นี้ ในงานความถี่สูง ควรต่อขั้วบวกของออปแอมป์ลงกราวนด์โดยตรง เพื่อให้ผลตอบสนองเชิงความถี่ดีขึ้น

แต่จุดอ่อนของออปแอมป์ชนิดที่อินพุท เป็นเฟ็ท จะอยู่ที่คุณสมบัติเปลี่ยนตามอุณหภูมิอย่างรวดเร็ว ลองดูจากคู่มือของออปแอมป์ ชนิดที่มีอินพุทเป็นเฟ็ทนั้น แล้วเปรียบเทียบค่ากระแสไบแอสและกระแสออฟเซ ททางอินพุท ที่อุณหภูมิ 20 องศา และ 70 องศา จะเห็นว่าแตกต่างกันมาก บางตัวที่ 70 องศา จะมีกระแสไบแอสมากกว่า ออ ปแอมป์ชนิดอินพุทเป็นทรานซิสเตอร์เสียอีก

ลองดูตารางเปรียบเทียบคุณสมบัติของออปแอมป์ใน ตารางที่ 1 จะเห็นว่ากระแสไบแอสและกระแสออ ฟเซท จะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วตามอุณหภูมิการเพิ่มนี้จะมากถึง ขนาดหลายร้อยหลายพันเท่า และเป็นเงื่อนไขเดียวที่ทำให้กระแสเพิ่มขึ้นมากที่สุดในบรรดาคุณสมบัติอื่น ๆ

ฉะนั้นจึงควรทดสอบวงจรที่ต้องการอินพุทพีแดนซ์สูง ๆ และทดสอบที่อุณหภูมิสูงด้วย แล้วทำการวัดผลของกระแสไบแอสนี้ จึงจะทำให้เกิดความมั่นใจในการใช้งานได้ สำหรับคุณสมบัติทางด้านอื่นจะเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิเช่นกัน แต่จะไม่มากเท่ากับกระแสไบแอสนี้

ลักษณะสมบัติเชิงความถี่

คุณสมบัติข้อนี้เรียกว่าเป็นตัวกำหนดความสามารถของออปแอมป์ทีเดียว ออปแอมป์จะดีไม่ดีก็มักดูกันที่ลักษณะเชิงความ ถี่นี้

แต่มีคุณสมบัติอีกข้อหนึ่งที่มักจะดูควบคู่กันไปคือ สบูว์เรท (Slew rate) สลูว์เรท หมายถึง ความสามารถในการให้เอาท์พุท เพื่อไล่ให้ทันการเปลี่ยนแปลงทางอินพุท ที่ป้อนเข้ามา ถ้าป้อนแรงดันรูปคลื่นสี่เหลี่ยมซึ่งมีแอ มปลิจูดใหญ่ให้กับออปแอมป์ แล้ววัดดูความเร็วในการขึ้นลงของรูปคลื่นทางเอาท์พุทจะได้เป็นค่าสลูว์เรทออกมา

ตัวอย่างเช่นเอาท์พุทให้แรงดันที่เปลี่ยนแปลงไป 10 V ในเวลา 0.1 mS แสดงว่ามีสลูว์เรท เท่ากับ 10 / 0.1 microS = 100V / microS คลื่นสามา เหลี่ยมความถี่ 1Hz ขนาด 1 Vpp จะมีสลูว์เรทเท่ากับ 0.5 V / 0.25 microS หรือ 2 V / Sec แต่ถ้าขนาดเพิ่มเป็น 10 Vpp ค่าสลูว์เรทจะเป็น 5 V / 0.25 Sec หรือ 20 V / Sec นั่นเอง ซึ่งจะเพิ่มขึ้นถึง 10 เท่าตัว อัตราการเปลี่ยนแรงดันนี้เราเรียกว่า สลูว์เรท

รูปที่ 16 จะเห็นว่ารูปคลื่นที่เหมือนกัน ความถี่เท่ากันแต่ขนาดต่างกัน สลูว์เรทจะไม่ เท่ากัน

จากรูปที่ 16 การเพิ่มความถี่หรือเพิ่ม ขนาดสัญญาณ ให้ออปแอมป์ จะเป็นปัญหาทางด้านสลูว์เรททั้งสิ้น การป้อนกลับจะทำให้ผลตอบสนองความถี่ของวงจรขยายดีขึ้นจริง แต่จะไม่ทำให้สลูว์เรทสูงขึ้นเลย แนวความคิดของการใช้วงจรป้อนกลับในสมัยก่อนนั้น มีจุดมุ่งหมายเพื่อปรับปรุงผลตอบสนองทางความถี่ให้ดีขึ้น ตามรูปที่ 17 แต่การใช้งานออ ปแอมป์ในปัจจุบัน มักจะไม่คำนึงถึงผลตอบสนองความถี่มากนักบางครั้งเพื่อให้ได้อัตราขยายของ ระบบสูงขึ้น อาจจะต้องทำให้ผลตอบสนองความถี่เลวลง โดยพยายามไม่ให้เกิดการออสซิลเลทเกิดขึ้นได้ง่าย

รูปที่ 17 แสดงผลของการป้อนกลับ

ปัญหาที่เกี่ยวข้องกับสลูว์เรท คือการที่จะให้รูปคลื่นที่สมบูรณ์มีขนาดใหญ่ได้เท่าใด ในขณะที่ความถี่สูงขึ้น ซึ่งไม่เกี่ยวข้องกับผลตอบสนองทางความถี่เลย

รูปที่ 18 อัตราสลูว์เรทที่ดีทำให้ได้รูปซายน์ที่ไม่ผิด เพี้ยนจากการขยาย

ลองดูในรูปที่ 18 การที่ออปแอมป์จะสามารถผลิตสัญญาณรูปซายน์ความ ถี่ 1 MHz ขนาด 20 Vp-p ได้นั้น ออปแอมป์จะต้องมีสลูว์เรทดีถึง 62.8 V / microS

ออปแอมป์เบอร์ LM741 ที่นิยมใช้กันนั้น มีสลูว์เรทเพียง 0.5 V / microS ถ้าจะนำมาผลิตรูป คลื่นซายน์ที่มีขนาด 20 Vp-p ก็คงจะได้ความถี่เพียงประมาณ 10 KHz เท่านั้นเอง แต่ถ้าใช้ LM741 เป็นบัฟเฟอร์ที่มีอัตราขยายเพียง 1 เท่า และพยายามผลิตสัญญาณให้ได้ 1 MHz ก็จะได้ขนาดสัญญาณเพียง 0.1 V เท่านั้น

รูปที่ 19 แสดงขีดความสามารถของโทนคอนโทรล

เปรียบเหมือนการพยายามใช้โทรคอนโทรล ในการปรับให้เครื่องขยายเสียงที่มีกำลังน้อยขับเสียงต่ำให้ดังขึ้น ตามในรูปที่ 19 นั่นเอง

แต่ถ้าสลูว์เรทดีก็ไม่ได้หมายความ ว่าผลตอบสนองทางความถี่จะดีตามไปด้วย ออปแอมป์ในสมัยแรก ๆ นิยมใช้เบอร์ LM709 ซึ่งเป็นออปแอมป์เบอร์ที่มีสลูว์เรท 2 V / microS แต่ในการ ใช้งานทุกครั้งจะต้องต่ออุปกรณ์ เพื่อชดเชยเฟสเสมอ ซึ่งจะมีผลทำให้ค่าสลูว์เรทต่ำ ลงจนอาจจะเลวกว่า LM741 ซึ่งมีสลูว์เรทเพียง 0.5 V / microS ดูรูปที่ 20 ประกอบ

การชดเชยเฟส มักจะทำให้ค่าสลูว์เรทต่ำ ลง แต่ก็มีวิธีชดเชยที่จะไม่ทำให้สลูว์เรทต่ำ ลง บางครั้งอาจทำได้ดีขึ้นด้วย แต่ถ้าใช้ออปแอมป์หลาย ตัวทำงานร่วมกัน จะท่ำให้เกิดปัญหาเรื่อง เสถียรภาพของการทำงานได้

รูปที่ 20 แสดงการชดเชยเฟสของออปแอมป์เบอร์ LM709

จากรูปที่ 20 จะเห็นว่า การชดเชยเฟสให้ LM709 จะทำให้ผลตอบสนองความถี่ดีขึ้น แต่จะทำให้สลูว์เรทเลวลง เนื่องจากผลของตัวเก็บประจุที่ใช้ในการชดเชย ดูผลจากรูปที่ 21

รูปที่ 21 แสดงความสัมพันธ์ระหว่างอัตราการขยายกับสลู ว์เรท

การชดเชยเฟสจะต้องต่ออุปกรณ์ภายนอก แต่ค่า C และ R ที่เหมาะสมจะต้องปรับไปตามอัตราการขยายที่ต้องการ

ออปแอมป์ใน ปัจจุบันนั้น จะมีวงจรชดเชยเฟสใส่ไว้ภายในตัวไอซี ไม่จำเป็นจ้องต่ออุปกรณ์ภายนอก และไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนขนาดของอุปกรณ์ตามอัตราขยายที่ได้ แต่ถ้าใช้ในกรณีที่อัตราการขยายสูงมาก จะทำให้ผลตอบสนองความถี่เลวลงไปได้

ออปแอมป์ความ เร็วสูง ก็มีการชดเชยเฟสภายในเช่นเดียวกัน แต่การชดเชยจะน้อยที่สุด ดังนั้นในบางครั้งอาจจะต้องต่ออุปกรณ์ภายนอกช่วย เช่น เมื่อใช้กรณีที่อัตราการขยายสูงไม่ต้องต่ออุปกรณ์ชดเชย แต่ถ้าอัตราการขยายต่ำจะต้องต่อตัวเก็บประจุชดเชยเป็นต้นดูรูปที่ 22 ประกอบ

รูปที่ 22 อัตราการขยายของออปแอมป์มีผลทำให้ผล ตอบสนองความถี่ของออปแอมป์เปลี่ยนไป

ถ้าใช้ออปแอมป์ความเร็วสูง ที่อัตราการขยายเพียง 1 จะต้องต่ออุปกรณ์ชดเชยให้ หลายตัว มิฉะนั้นการทำงานจะขาเสถียรภาพ (ออสซิสเลทได้ง่ายมาก) การใส่ตัวเก็บประจุเข้าไปเพื่อชดเชยจะทำให้สลูว์เรทเลว ลง และคุณสมบัติการตอบสนองความถี่ในย่านความถี่สูงจะเกิดยอดทำให้ไม่เป็นผลดี ต่อการใช้งาน

รูปที่ 23 แสดงการต่อตัวเก็บประจุชดเชยเฟสขนานเข้ากับตัวต้านทานป้อนกลับ

การชดเชยเฟสในรูปที่ 23 จะใช้การต่อตัว เก็บประจุ คร่อมตัวต้านทานที่ใช้ในการป้อนกลับซึ่งเป็นวิธีที่นิยมใช้กันมาก จากในรูปจะเห็นว่า ในย่านความถี่สูงจะทำให้เสมือนเกิดลัดวงจรที่ตัวเก็บประจุ เป็นผลให้วงจรขยายแบบไม่กลับขั้ว จะมีอัตราการขยายเหลือเพียง 1 และวงจรขยายแบบกลับ ขั้วจะมีอัตราการขยายเป็นศูนย์ ถ้าป้อนกลับมากเกินไป จะทำให้ออสซิลเลทง่าย แต่ถ้าป้อนกลับน้อยไปจะทำให้อัตราขยายสูงเกินไป

รูปที่ 24 แสดงการชดเชยเฟสที่ทำให้สลูว์เรทไม่ เลวลง

วิธีการชดเชยเฟส โดยไม่ทำให้สลูว์เรทเลว ลง แสดงในรูปที่ 24 รูป ก. การต่อตัวเก็บประจุจะทำให้สลูว์เรทเลวลง แต่รูป ข. สลู ว์เรทไม่เลวลง

ในย่านความถี่ต่ำตัวเก็บประจุขนาด 0.01 microF จะมีอิมพีแดนซ์สูง จนละเลยได้ แต่ในย่านความที่สูงจะเปรียบเหมือนลัดวงจร ทำให้อัตราการขยายของวงจรยังเท่าเดิม คือประมาณ 30 เท่า ขนาดของการป้อนกลับจะลดลง จึงไม่จำเป็นต้องมีการชดเชยเฟส