Basic Electronics for Automation Engineering

1. Basic Electronics for Automation Engineering Student Name: Natthawut SooksawatmongkolStudent ID: 53010520(2S) Program: Automation Engineering Homework no.: 3 Date of Assignment: July 19, 2011 Date of Submission: August 8, 2011

2. ความเป็นมาของออปแอมป์ความเป็นมาของออปแอมป์ จอร์จฟิลบริกค์ ( George Philbrick ) เป็นผู้พัฒนาที่ทำให้ออปแอมป์เป็นที่รู้จักอย่างกว้างขวาง โดยได้ออกแบบและผลิตออปแอมป์แบบหลอดสุญญากาศเดี่ยว ( Single vacuum tube op amp ) ใน ปี พ.ศ. 2491 เพื่อใช้งานกับแอนะลอกคอมพิวเตอร์ ใช้งานในเชิงคณิตศาสตร์เท่านั้น ออปแอมป์เป็นกลุ่มวงจรที่ใช้งานมากสุดแบบหนึ่งในวงจรอิเล็กทรอนิกส์เราใช้ออปแอมป์ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ทั้งวงจรขยายเสียงวงจรเร็กกูเลเตอร์วงจรเครื่องมือวัดจงจรกำเนิดสัญญาณและวงจรอื่น ๆ อีกมากด้วยการใช้เทคโนโลยีทางด้านไอซีดังนั้นออปแอมป์จึงกลายเป็นไอซีที่เรียกได้ว่า “มาตรฐาน” และ “ทั่วไป” ซึ่งพบเห็นได้ทั่วไปในวงจรอิเล็กทรอนิกส์

3. ในปัจจุบันออปแอมป์ได้มีการพัฒนาที่สำคัญ คือ มีการนำ FET มาแทน Bipolar Transistor โดยนำ JFET มาเป็นส่วนอินพุต ทำให้กินกระแสน้อย MOSFET มาเป็นส่วนเอ้าต์พุต ทำให้มีการทำงานได้เร็วขึ้น และใช้งานที่ความถี่สูงขึ้นกว่าเดิม

4. คุณลักษณะของ OP-AMP ในอุดมคติ (Ideal Op-Amp) 1.   อัตราขยายของ Op-Amp แบบวงจรรอบเปิด (Open Loop Gain) มีค่าสูงมากจนเป็นอนันต์ AVOL = infinity 2.   Zin มีค่าสูงมากจนถือได้ว่าเป็น infinity 3.   Zout มีค่าต่ำมากจนถือได้ว่าเป็น 0 4.   อัตราขยายของ Op-Amp ไม่ขึ้นกับความถี่ 5. เมื่อ Vin = 0 จะได้ Vout เป็น 0 ด้วย จากคุณสมบัติดังกล่าวมาแล้วมีผลสืบเนื่องคือ Iin = 0 เนื่องด้วย Zin สูงมากความต่างศักย์ระหว่างขั้ว input ทั้งสองของ Op-Amp เป็น 0 เนื่องจาก Iin และยังให้ค่า Z out มีค่าต่ำมากจนประมาณได้ว่า Zout = 0

5. Bipolar Transistor เป็นทรานซิสเตอร์ชนิดหนึ่ง เป็นอุปกรณ์สามขั้วต่อถูกสร้างขึ้นโดยวัสดุสารกึ่งตัวนาที่มีการเจือสารและอาจจะมีการใช้ในการขยายสัญญาณหรืออุปกรณ์สวิทชิ่ง ทรานซิสเตอร์แบบรอยต่อคู่ถูกตั้งขึ้นมาตามชื่อของมันเนื่องจากช่องการนาสัญญาณหลักมีการใช้ทั้งอิเล็กตรอนและโฮลเพื่อนากระแสไฟฟ้าหลัก โดยแบ่งออกได้อีก2ชนิดคือ ชนิดเอนพีเอน(NPN) และชนิดพีเอนพี(PNP) ตามลักษณะของการประกบสารกึ่งตัวนา

6. Bipolar Transistorมีทั้งหมดสามขาด้วยกัน คือ 1. ขาเบส (Base) 2. ขาคอลเล็กเตอร์ (Collector) 3. ขาอีมิเตอร์ (Emitter) หน้าที่การทางานของขาทั้งสาม มีดังนี้ ขาเบสเป็นขาสาหรับควบคุมการไหลของกระแสปริมาณมากระหว่างคอลเล็กเตอร์ และ อีมิเตอร์ โดยใช้กระแสปริมาณเพียงเล็กน้อยที่ขาเบสนี้ ทรานซิสเตอร์จะนำกระแสได้ทิศทางเดียว เช่น NPN จะนำกระแสจาก คอลเล็กเตอร์ มายัง ขาอีมิเตอร์ ส่วน PNP ก็จะนำกระแสกลับกัน คือกระแสจะไหลจากอีมิเตอร์ มายังขาคอลเล็กเตอร์ โดยทิศทางกระแส IB ที่ใช้ในการควบคุมนี้ก็จะมีทิศทางกลับกันด้วย

7. JFET เจเฟตมีโครงสร้างดังรูปคือ JFET(n-channel) และ JFET(p-channel)โดย เจเฟตทั้งสองมีขา 3 ขา คือ ขาเดรน(Drain, D), ขาเกต(Gate, G), ขาซอร์ส(Source, S)

8. การทำงานของเจเฟตเจเฟตทำงานโดยป้อนแรงดันไบอัสที่เดรนและซอร์สโดยแหล่งจ่าย VDD ให้ขั้วบวกกับเดรนและขั้วลบกับขาซอร์ส สำหรับเกตของเจเฟตจะให้ไบอัสกลับ โดยเจเฟตชนิดn-channel จะมีเกตเป็นp ดังนั้นแรงดันไบอัสที่เกต VGG ต้องให้ขั้วลบกับเกตและขั้วบวกกับซอร์ส ดังรูป

9. การทำงานของJFET เมื่อให้ไบอัสกลับที่เกต(BGS= VGG) ดังรูป ก จะเกิดสนามไฟฟ้าที่รอยต่อ p-n จำนวนหนึ่ง ทำให้ช่องทางเดนของกระแสใน(n-channel) ระหว่างเดรนกับซอร์สแคบลง กระแสเดรน(ID) จะไหลจากเดรนไปยังซอร์ส ถ้าปรับค่าแรงดัน VGS ให้มีค่าไบอัสกลับมากขึ้น จะทำให้สนามไฟฟ้าที่รอยต่อมีปริมาณมากขึ้น ทำให้ช่องทางเดินกระแสแคบลงกระแสเดรน(ID)ไหลผ่านได้น้อยลงดังรูป ข แต่ในทางตรงข้ามปรับค่า VGS ให้มีค่าน้อยลงจะทำให้ช่องทางกระแสเดรน(ID) กว้างมากขึ้นทำให้กระแสเดรน(ID) ไหลผ่านมากขึ้นดังรูป

10. MOSFET MOSFET แตกต่างจากJFET ที่โครงสร้างภายใน JFETนั้นระหว่างเกตกับช่วงทางเดินกระแสมีโครงสร้างเป็นรอยต่อp-n แต่MOSFETนั้นระหว่างเกตกับช่องทางเดินกระแสมีโครงสร้างเป็นชั้นของซิลิคอลออกไซด์(SiO2) MOSFET มี 2 ชนิดคือ 1.ดีพีทชั่น (Depletion, D) 2.เอนแฮนซ์เมนต์(Enhancement, E)

11. MOSFETชนิดดีพีทชั่น (Depletion MOSFET, D-MOSFET) โครงสร้างพื้นฐานของ D-MOSFET เป็นชนิด(n-channel)ช่องทางเดินกระแสระหว่างเดรน และซอร์ส จะเป็นสารกึ่งตัวนำชนิด n และวัสดุฐานรอง(Substance) เป็นสารกึ่งตัวนำชนิด p สำหรับ D-MOSFET ชนิดp-channelจะมีช่องทางเดินกระแสระหว่างเดรนและซอร์สเป็นสารชนิด p และมีฐานรองเป็นสารชนิด n และมีเกตติดอยู่ระหว่างช่องทางเดินกระแส โดยมีซิลิคอนออกไซด์(SiO2)เป็นฉนวนกั้นระหว่างเกตและช่องทางเดินกระแส

12. เอนแฮนซ์เมนมอสเฟต (Enhancement MOSFET , E-MOSFET) โครงสร้าง E-MOSFETแตกต่างจาก D-MOSFET ที่ช่องทางเดินกระแสของ E-MOSFETจะถูก สร้างขึ้นโดยการไบอัสที่เกตในสภาวะที่เกตไม่มีการไบอัสจะไม่มีช่องทางเดินกระแสเชื่อมต่อระหว่างเดรนกับ ซอร์ส เป็นE-MOSFET (n-channel) ส่วนเดรนและซอร์สเป็นสารกึ่งตัวนำ ชนิดเอ็น แต่ไม่มีแซนเนลต่อถึง กัน มีสารชนิดพีเป็นวัสดุฐานรองและระหว่างเกตกับวัสดุฐานรองเป็น(SiO2) เป็นฉนวนกั้นกลาง