ออปแอมป์ (Op-Amp)

วัตถุประสงค์การเรียนรู้Learning Objectives

บอกได้ว่าออปแอมป์คืออะไร อ่านสัญลักษณ์และขาเข้า +/− ได้
ใช้ "กฎทอง" ของออปแอมป์ในวงจรป้อนกลับได้
แยกการทำงานแบบ เปิดลูป (comparator) กับ ปิดลูป (วงจรขยาย) ได้
คำนวณอัตราขยายของวงจร Inverting, Non-inverting, Buffer ได้
อธิบายการตัดยอดสัญญาณที่ราง (clipping/saturation) ได้

State what an op-amp is and read its symbol and +/− inputs
Apply the op-amp "golden rules" in feedback circuits
Distinguish open-loop (comparator) from closed-loop (amplifier) operation
Calculate the gain of inverting, non-inverting and buffer circuits
Explain output clipping/saturation at the supply rails

ออปแอมป์คืออะไร?What is an Op-Amp?

วงจรขยายผลต่าง (differential amplifier) อัตราขยายสูงมาก บรรจุใน IC ตัวเดียว
มีขาเข้า 2 ขา: + (non-inverting) และ − (inverting) และขาออก 1 ขา
ขยาย ผลต่างของขาเข้าทั้งสอง: V_out = A × (V₊ − V₋) โดย A สูงมาก (หลักแสน–ล้าน)
เกือบทุกครั้งใช้กับ การป้อนกลับ (feedback) เพื่อกำหนดอัตราขยายที่แน่นอน

A very high-gain differential amplifier in a single IC
Two inputs: + (non-inverting) and − (inverting), one output
Amplifies the difference of its inputs: V_out = A × (V₊ − V₋), with A huge (10⁵–10⁶)
Almost always used with feedback to set a precise, usable gain

🔗 ออปแอมป์เป็น IC อนาล็อกตัวหนึ่ง (มักเป็น DIP-8 เช่น LM358 มี 2 ตัวในชิปเดียว) — ทบทวนแพ็กเกจ/การนับขาได้ในบท IC วงจรรวม 🔗 An op-amp is an analog IC (often DIP-8, e.g. the LM358 has two per chip) — review packages/pin numbering in the IC basics lesson.

⭐ กฎทองของออปแอมป์ (มีการป้อนกลับ)⭐ The Op-Amp Golden Rules (with feedback)

กฎ 1: V₊ = V₋ Rule 1: V₊ = V₋

เมื่อมีการป้อนกลับเชิงลบ ออปแอมป์จะปรับเอาต์พุตจน แรงดันขาเข้าทั้งสองเท่ากัน (เรียกว่า "virtual short" / ลัดวงจรเสมือน)

With negative feedback, the op-amp drives the output until its two inputs are equal (the "virtual short").

กฎ 2: ไม่มีกระแสไหลเข้าขาเข้า Rule 2: No current into the inputs

อิมพีแดนซ์ขาเข้าสูงมาก → กระแสเข้าขา +/− ≈ 0 ใช้คำนวณกระแสในตัวต้านทานป้อนกลับได้ง่าย

Input impedance is huge → input current ≈ 0, which makes the feedback-resistor currents easy to solve.

📌 2 กฎนี้ทำให้คำนวณอัตราขยายของวงจรออปแอมป์ได้โดยไม่ต้องรู้ค่า A ที่แท้จริงของชิป — อัตราขยายขึ้นกับ ตัวต้านทานภายนอก เท่านั้น 📌 These two rules let you find a circuit's gain without knowing the chip's actual A — the gain depends only on the external resistors.

โหมดเปิดลูป: Comparator (ตัวเปรียบเทียบ)Open-Loop: Comparator

ไม่มีการป้อนกลับ → อัตราขยายสูงมาก ทำให้เอาต์พุต "สุดราง" อย่างใดอย่างหนึ่ง
ถ้า V₊ > V₋ → เอาต์พุตพุ่งไปราง บวก (+Vsat)
ถ้า V₊ < V₋ → เอาต์พุตพุ่งไปราง ลบ (−Vsat)
ใช้ตรวจว่าแรงดันถึงเกณฑ์หรือยัง เช่น วงจรเซนเซอร์แสง/อุณหภูมิ (ตัด-ต่อ)

No feedback → the huge gain forces the output to one rail or the other
If V₊ > V₋ → output slams to the positive rail (+Vsat)
If V₊ < V₋ → output slams to the negative rail (−Vsat)
Used to detect a threshold — e.g. light/temperature trip circuits

โหมดปิดลูป: วงจรขยายพื้นฐานClosed-Loop: Basic Amplifiers

กลับเฟส (Inverting)Inverting

A_v = −R_f / R_in

เอาต์พุต กลับเฟส กับอินพุต (เครื่องหมายลบ)
ขา + ต่อกราวด์ → ขา − เป็น "virtual ground" (≈ 0 V)

Output is inverted vs input (the minus sign)
+ tied to ground → − becomes a "virtual ground" (≈ 0 V)

ไม่กลับเฟส (Non-inverting)Non-inverting

A_v = 1 + R_f / R_in

เอาต์พุต เฟสเดียวกับ อินพุต อัตราขยาย ≥ 1 เสมอ
ป้อนสัญญาณเข้าขา + อิมพีแดนซ์อินพุตสูงมาก

Output is in phase with input; gain is always ≥ 1
Signal enters the + input — very high input impedance

Buffer / Voltage follower: กรณีพิเศษที่ R_f = 0, R_in = ∞ → A_v = 1 ใช้ "แยกโหลด" ไม่ให้วงจรก่อนหน้าถูกดึงกระแส Buffer / voltage follower: the special case R_f = 0, R_in = ∞ → A_v = 1, used to "isolate" a source from its load.

⭐ จำลองวงจรขยาย: อัตราขยายและการตัดยอด⭐ Amplifier Simulation: Gain & Clipping

ป้อนสัญญาณไซน์เข้าวงจรขยาย ปรับ R_in, R_f และความสูงอินพุต ดูสัญญาณเอาต์พุตถูกขยาย — ถ้าอัตราขยาย × อินพุต เกินราง ±Vsat เอาต์พุตจะถูก ตัดยอด (clipping)

Feed a sine into the amplifier, adjust R_in, R_f and the input level, and watch the output get amplified — when gain × input exceeds the ±Vsat rails, the output clips.

เส้นน้ำเงิน = อินพุต, เส้นเขียว = เอาต์พุต, เส้นแดงประ = ราง ±12 V (สังเกตการกลับเฟสในโหมด Inverting) Blue = input, green = output, dashed red = ±12 V rails (note the phase flip in Inverting mode)

⚙ ปรับค่า⚙ Adjust

±V_sat = ±12 V • อินพุตinput = sine

R_in10 kΩ

R_f100 kΩ

อินพุตInput V_in±1.00 V

Gain A_v

— V/V

V_in peak

— V

V_out peak

— V

สถานะStatus

—

🔬 ลองดู: เพิ่ม R_f → อัตราขยายสูงขึ้น เอาต์พุตโตขึ้นจน ชนราง = ตัดยอด (สัญญาณเพี้ยน) • สลับโหมดดูการกลับเฟส • Buffer = Non-inv ที่ R_f เล็ก/R_in ใหญ่ → gain ≈ 1 🔬 Try it: raise R_f → higher gain, output grows until it hits the rails = clipping (distortion) • switch modes to see the phase flip • a buffer is the non-inverting case with tiny R_f/large R_in → gain ≈ 1

การใช้งานจริงReal-World Uses

ขยายสัญญาณเล็กๆ จากเซนเซอร์/ไมโครโฟน
วงจรเปรียบเทียบ/ตัดต่อตามเกณฑ์ (comparator)
วงจรกรองความถี่ (active filter)

Amplifying small sensor/microphone signals
Threshold comparators (trip circuits)
Active filters

บวก/ลบ/อินทิเกรต/ดิฟเฟอเรนเชียลสัญญาณ (วงจรคณิต)
บัฟเฟอร์แยกโหลด (voltage follower)
วงจรกำเนิดสัญญาณ (oscillator)

Summing / integrating / differentiating signals (analog math)
Load-isolating buffers (voltage followers)
Signal oscillators

เบอร์ยอดนิยมและข้อควรระวังPopular Parts & Cautions

เบอร์Part	ลักษณะเด่นNotable
741	คลาสสิก ตัวเดียว ใช้สอนพื้นฐานClassic single, teaching staple
LM358	2 ตัว/ชิป, ไฟเดี่ยวได้Dual, single-supply OK
LM324	4 ตัว/ชิปQuad
TL071/2	JFET, นอยซ์ต่ำJFET, low noise

ไฟเลี้ยง: มีทั้งแบบ คู่ (±Vcc) และ เดี่ยว — สัญญาณ AC ที่ไฟเดี่ยวต้องยก bias ไว้กลางราง
เอาต์พุตแกว่งไม่ถึงรางเป๊ะ เว้นแต่ชนิด rail-to-rail
มี offset และ slew rate จำกัด — ความถี่/ความเร็วสูงต้องเลือกเบอร์ให้เหมาะ

Supply: dual (±Vcc) or single — AC on a single supply needs a mid-rail bias
Output won't quite reach the rails unless it's a rail-to-rail type
Finite offset and slew rate — pick the right part for high speed/frequency

🔗 อัตราขยายแบบ dB และการอ่านสัญญาณบนสโคปดูได้ในบท ออสซิลโลสโคป; ตัวต้านทานที่ใช้กำหนดอัตราขยายทบทวนได้ในบท ตัวต้านทาน 🔗 Gain in dB and reading signals on a scope are in the Oscilloscope lesson; the gain-setting resistors are covered in the Resistor lesson.

Operational Amplifier (Op-Amp)