เทคนิคการเลือกใช้ ออปแอมป์

ออปแอมป์ (Op-Amp) เป็นอุปกรณ์ที่จะพบเห็นได้ทั่วไปในส่วนวงจรอะนาล็อกของหลายๆระบบ ออปแอมป์ในปัจจุบันมีให้เลือกใช้มากมายจนตาลาย เมื่อนักออกแบบจะเลือกออปแอมป์มาใช้สักตัว ก็ต้องลดจำนวนตัวเลือกลงโดยพิจารณาจากเกณฑ์ หรือคุณสมบัติบางประการ แต่คุณสมบัติของออปแอมป์นั้น มีเคล็ดลับและเทคนิคในการเลือกอยู่ ซึ่งถ้าเลือกผิดอาจจะทำให้ได้ตัวเลือกที่ไม่ดีพอ หรือผิดพลาดไปเลย

Micropower

ออปแอมป์ชนิดกินกำลังไฟต่ำ (Low-power) ที่มีการกินกระแสในสภาวะปกติ (quiescent current) ประมาณ 1 A หรือต่ำกว่านี้ เป็นที่นิยมใช้ในอุปกรณ์ที่ต้องการประหยัดพลังงาน หรือพวกที่ใช้แบตเตอรี่

หากพิจารณาในแง่ของการประหยัดพลังงาน โดยการทำให้กระแสในสภาวะปกตินั้นต่ำ ความต้านทานป้อนกลับ (feedback resistor) จะเลือกใช้กันที่ค่าสูงๆ ในย่านเมกะโอห์ม (megaohm) เลยทีเดียว ซึ่งผลข้างเคียงคือ สัญญาณรบกวนสูงขึ้น และความแม่นยำต่ำลง (accuracy)

นอกจากนั้นแล้ว ออปแอมป์ ที่โฆษณาว่าประหยัดพลังงานแบบสุดๆทั้งหลาย (ultra-low-supply-current) มักจะมีการตอบสนองที่ช้ามากๆ มีแบนด์วิดท์ต่ำ ซึ่งเหมาะสำหรับสัญญาณช้าๆ หรือความถี่ต่ำ มากกว่า นักออกแบบจะต้องระวังไว้ว่า เนื่องจากการที่มันกินพลังงานต่ำ พลังงานที่มันจะจ่ายได้ (output current) ก็ย่อมจะต่ำลงตามไปด้วย รวมถึงค่าประจุของโหลดที่สามารถขับได้ (capacitive load) ก็จะต่ำลงไปด้วยเช่นกัน

ยิ่งไปกว่านั้น นักออกแบบต้องระวังเรื่องระดับสัญญาณรบกวนด้วย เพราะสัญญาณรบกวนในออปแอมป์กำลังงานต่ำนั้นเยอะ ไม่เหมาะที่จะใช้ในงานที่ต้องการความเที่ยงตรงสูงเอาซะเลย

ทางเลี่ยงสำหรับการใช้งานในวงจรที่ต้องการความแม่นยำและเที่ยงตรงสูง และต้องการพลังงานต่ำ คือการปิดๆเปิดๆออปแอมป์ โดยใช้ขา Enable หรือ Shutdown ของตัวไอซี เพื่อการประหยัดพลังงาน และสามารถช่วยยืดอายุการใช้งานของออปแอมป์ได้อีกหลายปีด้วย

Bandwidth

การแลกเปลี่ยนแบบได้อย่างเสียอย่าง ระหว่าง ความเร็ว และ ประหยัดพลังงาน นั้นเกิดขึ้นในหลายๆจุดของการออกแบบวงจร รวมถึงการเลือกใช้ ออปแอมป์ด้วย โดยทั่วไปแล้ว ออปแอมป์ต้องการพลังงานมาก เพื่อที่จะตอบสนองความถี่ในช่วงกว้างขึ้น แต่ถึงอย่างไร ก็มีช่วงความถี่ให้เลือกหลากหลาย สำหรับช่วงการกินกระแสปกติ (quiescent current) ที่นักออกแบบต้องการ

ออปแอมป์บางตัว จะมีการชดเชยอัตราส่วนของ ความเร็ว และ พลังงาน ที่ดีมาก แต่อาจจะมีข้อเสียแอบแฝง การปรับปรุงหรือชดเชยอัตราส่วนของ ความเร็ว/พลังงาน จะถูกแลกด้วยความสามารถในการขับค่าประจุของโหลด (capacitive load) ต่ำลง

วิธีหนึ่งที่ผู้ออกแบบไอซีทำเพื่อจะเพิ่มอัตราส่วนของ ความเร็ว/พลังงาน โดยการชดเชย (decompensated) ในการออกแบบไอซีออปแอมป์ สามารถบ่งบอกว่าไอซีตัวไหนมีการออกแบบแบบ decompensated ได้โดยดูที่คุณลักษณะในส่วนของ อัตราขยายต่ำสุดที่เสถียร (minimum stable gain) หรือคำพูดในดาต้าชีทที่สื่อทำนองนี้ เช่น "for G > 3"

ออปแอมป์ชนิดนี้จะให้ผลได้ดีที่สุด ถ้าถูกใช้งานในวงจรที่มีอัตราขยายเท่ากับ หรือสูงกว่า อัตราขยายต่ำสุดที่กำหนดไว้ แต่ก็มีข้อควรระวัง การใช้ตัวเก็บประจุป้อนกลับ (feedback capacitor) เพื่อที่จะควบคุมแถบความถี่ที่ตอบสนอง จะส่งผลให้ออปแอมป์มีอัตราขยายเป็นหนึ่ง เมื่อทำงานที่ความถี่สูง และอาจทำให้เกิดความไม่เสถียรได้

วงจรชนิดพิเศษ เช่น วงจรกรองความถี่ หรือวงจรที่มีการป้อนกลับซับซ้อน (feedback networks) แบบแปลกๆ อาจจะไม่เสถียรเมื่อใช้ออปแอมป์ชนิด decompensated หากว่าเราไม่แน่ใจก็สามารถทดสอบได้กับสัญญาณพัลส์ (pulse) ถ้ามีการสั่นของเอาท์พุตมากเกินไป ควรพิจารณาเลือกออปแอมป์อัตราการขยายเป็นหนึ่ง (unity gain) ทั่วๆไปแทน

Rail-to-rail op amps

rail-to-rail คือระดับแรงดันตั้งแต่ระดับไฟเลี้ยงด้านลบ จนถึงระดับไฟเลี้ยงด้านบวกเลย

นักออกแบบมักจะถามหาคุณสมบัติแบบ rail-to-rail เมื่อเลือกใช้ออปแอมป์ มันเป็นทางเลือกที่ค่อนข้างเห็นบ่อย เนื่องจากในอุปกรณ์หลายๆประเภท ต้องการให้มีสัญญาณออกที่มีช่วงกว้างของระดับแรงดันสูงที่สุด แต่ในความเป็นจริงแล้ว บางวงจรอาจจะไม่ต้องการให้ช่วงแรงดันกว้างเท่ากับไฟเลี้ยงก็ได้ นอกจากนั้นยังอาจมีผลเสียต่อวงจรได้อีกด้วย

คำว่า rail-to-rail สื่อความหมายว่า ออปแอมป์ตัวนั้นมีความสามารถในการรับระดับสัญญาณเข้าได้กว้าง และขับสัญญาณออกได้กว้าง สำหรับ Rail-to-rail output นั้นมีความหมายเป็นเชิงประมาณ ไม่มีมาตรฐานอุตสาหกรรมใดๆมากำหนด ว่า rail-to-rail output ควรจะขับแรงดันได้กว้างเท่าไหร่ เพราะมันขึ้นอยู่กับโหลด แรงดันขาออกของ rail-to-rail output อาจแกว่งอยู่ในช่วงไม่กี่มิลลิโวลท์ ถึงหลายร้อยมิลลิโวลท์ จากระดับไฟเลี้ยง

ออปแอมป์บางตัว ทำมาเพื่อการใช้งานที่แรงดันสูง อาจจะมีการแกว่งของแรงดันขาออกประมาณ 1V จากระดับไฟเลี้ยงได้ ขอให้พิจารณาดาต้าชีทให้ดีๆ มองไปมากกว่าแค่ 'ราคาคุย' ในส่วนแรกหรือหน้าปกของดาต้าชีท เพื่อให้ได้รู้ความกว้างของการแกว่งของแรงดันขาออก สำหรับสภาวะโหลดที่ต้องการ

อีกอย่างที่ควรระวัง คือการที่ผู้ผลิตใช้วิธีการทดสอบไอซีที่แตกต่างกัน บางรายใช้วิธี กระแทกกระทั้น เพื่อจะวัดการแกว่งของแรงดันขาออก ในการทดสอบแบบนี้ ออปแอมป์จะถูกขับด้วยแรงดันที่เกินขนาด (overdriven) เพื่อให้ได้แรงดันขาออกสูงสุด

ออปแอมป์ที่ออกแบบมาเพื่อใช้ในกับสัญญาณความละเอียดสูง (precision signal) จะรับรองให้ได้ค่าอัตราการขยายแบบเปิดวงจร (open-loop gain) ที่ดีในระหว่างการทดสอบการแกว่งของแรงดันขาออก ซึ่งสิ่งนี้ทำให้แน่ใจได้ว่า สัญญาณที่แม่นยำและไม่บิดเบียนจะถูกส่งผ่านมาที่ขาออก ในสภาวะแรงดันที่ใกล้กับระดับไฟเลี้ยง

สำหรับ Rail-to-rail input นั้นหมายถึงว่า สัญญาณขาเข้าสามารถเป็นเท่าไหร่ก็ได้ระหว่างระดับแรงดันไฟเลี้ยงทั้งบวกและลบ (หรืออาจจะน้อยกว่า 100mV จากไฟเลี้ยง) rail-to-rail input นี้มักจะเป็นที่ต้องการในกรณีที่อัตราการขยายเป็น 1 หรือบัฟเฟอร์นั่นเอง มันไม่จำเป็นสำหรับวงจรอัตราขยายที่มากกว่าหนึ่ง ส่วนวงจรขยายกลับขั้ว (inverting amplifier) นั้น ไม่ต้องการ rail-to-rail input

การทำงานที่แรงดันต่ำ (Low-voltage operation)

การทำงานที่แรงดันต่ำเป็นปัจจัยที่ต้องพิจารณาอย่างมาก สัญญาณแรงดันที่แกว่งแม้เพียงมิลลิโวลท์จะมีผลกระทบมาก ออปแอมป์ที่ไม่ใช่ rail-to-rail จะต้องเลือกให้ดี เพราะอาจจะทำให้ช่วงการทำงานนั้นแคบเกินไป ช่วงของแรงดัน การแกว่งของแรงดันขาออก อาจจะแตกต่างกันในแต่ละไอซี และแปรผันกับอุณหภูมิภายนอกด้วย

ความแม่นยำ (Precision)

ความแม่นยำมักจะถูกระบุไว้ในความต้องการของการออกแบบ ควรพิจารณาค่าออฟเซต (offset voltage) และการเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิของค่านี้ การผลิตไอซีให้ได้ค่าออฟเซตต่ำทำได้โดยกระบวนการปรับแต่งโดยเลเซอร์ในระหว่างการผลิต (Trimming) ควรพิจารณาค่าคลาดเคลื่อนโดยรวมของค่าออฟเซตตามอุณหภูมิ เพื่อให้ได้การออกแบบที่ทนทานและมั่นคง ค่าออฟเซตเริ่มต้นที่ต่ำอาจจะเหมาะสมหรือไม่เหมาะสมก็ได้ แล้วแต่ความต้องการของค่าเบี่ยงเบนอัตราขยาย (amplifier drift) และช่วงอุณหภูมิที่ใช้งาน

ออปแอมป์ที่ประกอบด้วย bipolar transistor ที่ขาเข้า มักจะมีค่าแรงดันออฟเซตและค่าเบี่ยงเบนที่ดีกว่า ไอซีที่ผ่านกระบวนการปรับแต่ง (trim) ที่มีค่าออฟเซตต่ำ ก็อาจจะมีค่าเบี่ยงเบนต่ำไปด้วย แม้ว่าดาต้าชีทหลายตัวจะไม่บอกข้อมูลด้านการผลิต แต่เราสามารถสังเกต bipolar input ได้จากการที่มันมีกระแสไบอัสขาเข้าที่มากกว่า ปกติแล้วจะประมาณ 1nA หรือมากกว่า ไอซีแบบที่เป็น CMOS input โดยส่วนมากแล้วจะมีกระแสไบอัสขาเข้าในช่วง 10-100pA

สำหรับความแม่นยำสูงมากๆ ออปแอมป์แบบ auto-zero หรือ chopper จะทำให้ได้ค่าออฟเซตและค่าเบี่ยงเบนที่ต่ำมาก เนื่องจากมันใช้เทคนิคที่ปรับแต่งความสมดุลย์ภายในตลอดเวลา มันสามารถคงค่าออฟเซตที่ใกล้เคียงศุนย์ในช่วงอุณหภูมิที่กว้าง และยังเปลี่ยนแปลงน้อยมากในช่วงอายุการใช้งานอีกด้วย

ที่มาของออฟเซตอีกแหล่งคือกระแสไบอัสขาเข้า บ่อยครั้งที่จะเข้าใจผิดว่ามันเป็น input impedance ความจริงแล้วประเด็นคือ การมีกระแสขนาดเล็กไหลเข้ามาที่อินพุต

กระแสไบอัสขาเข้า คือกระแสขนาดเล็กที่ไหนเข้าหรือออกจากขาอินพุตทั้งสองของออปแอมป์ ไหลผ่านตัวต้านทานของแหล่งจ่าย และป้อนกลับมาจนครบวงจร ทำให้เกิดแรงดันออฟเซตและการเบี่ยงเบนได้

ออปแอมป์แบบ CMOS และ FET input สามารถลดค่ากระแสไบอัสขาเข้านี้ได้ จนใกล้เคียงกับระดับที่ไม่มีผลกระทบต่อวงจรปกติ อาจจะมีผลแต่กับวงจรที่มีค่า impedance สูงมากเป็นพิเศษเท่านั้น แต่ก็ต้องพิจารณาเรื่องอุณหภูมิด้วยเช่นกัน เนื่องจากกระแสไบอัสขาเข้าของออปแอมป์แบบ CMOS และ FET นี้จะเพิ่มขึ้นแบบ exponential ตามอุณหภูมิ (เท่าตัวทุกๆ 10C) ให้ดูกราฟกระแสไบอัสขาเข้าเทียบกับอุณหภูมิในดาต้าชีท

สัญญาณรบกวนต่ำ (Low noise)

วงจรประสิทธิภาพสูงส่วนใหญ่แล้วจะต้องการให้มีสัญญาณรบกวนต่ำ นักออกแบบมักจะมุ่งเน้นไปที่ค่าสัญญาณรบกวนเพียงตัวเดียว คือแรงดันรบกวน โดยคิดว่านั่นคือแหล่งกำเนิดตัวหลักของสัญญาณรบกวนการขยาย อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพสัญญาณรบกวนโดยรวมนั้น เกิดจากการรวมของแหล่งสัญญาณรบกวนหลายตัว ทั้งแรงดันรบกวน และกระแสรบกวน กระแสรบกวนของออปแอมป์นั้น ก่อให้เกิดแรงดันรบกวนเมื่อมันไหลผ่านความต้านทานภายในวงจร นอกจากนั้น ในตัวความต้านทานต่างๆ ยังมีสัญญาณรบกวนที่เกิดจากอุณหภูมิภายใน ซึ่งแปรผันตามรากที่สองของค่าความต้านทานนั้น

การแสวงหาสัญญาณรบกวนให้ต่ำอาจทำให้คุณหลงทางได้ ออปแอมป์ที่มีสัญญาณแรงดันรบกวนต่ำๆนั้นจะเป็น bipolar input (ไม่ใช่แบบ CMOS หรือ FET input) ซึ่งมีผลที่ตามมาคือมันมีกระแสรบกวนที่สูงกว่า การจะใช้ประโยชน์จากการมีสัญญาณรบกวนแรงดันต่ำ คือต้องออกแบบวงจรให้มีค่าความต้านทานต่ำๆ (low impedance)

Package types

ไอซีออปแอมป์มีทั้งแบบที่มีออปแอมป์ หนึ่งตัว สองตัว สี่ตัว หรือมากกว่า อยู่ในไอซีตัวเดียว การเปลี่ยนความต้องการในการออกแบบ อาจจะทำให้ต้องเปลี่ยนไอซี จำนวนไอซี และต้องจัดวางอุปกรณ์บนบอร์ดใหม่

ไอซี Package แบบใหม่ๆมีให้เลือกมากมาย เพื่อลดขนาดของบอร์ด

ออปแอมป์ในหลายๆตระกูล มีให้เลือกว่าจะมีออปแอมป์กี่ตัวในหนึ่งไอซี ข้อจำกัดของขนาดบอร์ดอาจทำให้คุณต้องสะดุดจากแผนที่วางไว้ ไอซีที่มีออปแอมป์สี่ตัว อาจจะดูว่าดี แต่การเดินลายทองแดงก็จะซับซ้อนกว่า

ไอซี Package แบบใหม่ๆมีให้เลือกมากมาย เพื่อลดขนาดของบอร์ด ออปแอมป์แบบเดี่ยวมีให้เลือกในแบบ SOT23 และเล็กกว่าคือ SC70 แบบคู่ก็มีในแบบ SOT-23-8 ในขณะที่แบบ WCSP นั้นยิ่งเล็กลงไปอีก ตรวจสอบความสามารถในการผลิตของคุณก่อนที่จะเลือกใช้ เพราะคุณอาจจะไม่สามารถประกอบไอซีตัวเล็กจิ๋วลงบอร์ดได้ทุกแบบ