เจาะลึกวงจรเพาเวอร์แอมป์ 741

โดย Mr.K

วงจรเพาเวอร์แอมป์ที่มีวงจรขยายสัญญาณภาคแรกเป็นไอซีออป-แอมป์ 741 นั้นถือเป็นวงจรเก่าแก่ดั้งเดิมเหมาะที่จะเป็นพื้นฐานการศึกษาวงจรเพาเวอร์แอมป์อย่างดีเชื่อว่าบรรดาช่างอิเล็กทรอนิกส์มือใหม่หรือมือเก่าล้วนเคยผ่านไม้ผ่านมือมาบ้างแล้วสำหรับวงจรเพาเวอร์แอมป์ 741 ในบทความนี้จะนำเสนอหลักการทำงานของวงจรเพาเวอร์แอมป์ 741 แนวทางการปรับปรุง-แก้ไขเพื่อให้วงจรมีคุณสมบัติด้านต่างๆที่ดีขึ้นโดยผมจะหลีกเลี่ยงการคำนวณทางคณิตศาสตร์ที่ซับซ้อนเพราะผมเองก็รู้สึกว่าการอ่านบทความวิชาการที่มีสมการทางคณิตศาสตร์เยอะๆพาลจะทำให้ไม่สนุกผมจะอธิบายแบบง่ายๆตามความเข้าใจพื้นฐานและใช้การซิมมูเลชั่นจากโปรแกรม OrCAD อ้างอิงผลการทำงานของวงจรอีกครั้ง

เนื่องจากเพาเวอร์แอมป์ 741มีต้นทุนการผลิตที่ต่ำทำให้วงจรดังกล่าวมีให้พบเห็นได้บ่อยในบรรดาเพาเวอร์แอมป์ราคารากหญ้าทั่วไปจึงทำให้เลือกหามาทดลองเล่นกันไม่ยากราคาไม่แพงส่วนรายละเอียดค่าของอุปกรณ์ปัจจุบันผู้ผลิตอาจจะใส่ค่าอุปกรณ์แตกต่างกันบ้างเพราะวงจรนี้มีผู้สนใจศึกษาและทดลองเปลี่ยนค่าอุปกรณ์รวมทั้งปรับปรุงเพื่อให้ได้คุณสมบัติตามที่ต้องการแต่ยังคงเค้าโครงรูปแบบวงจรเดิมอยู่ซึ่งเราจะมาศึกษากันว่าค่าของอุปกรณ์จุดที่สำคัญๆ เปลี่ยนแล้วมีผลต่อวงจรแบบไหนและวงจรนี้ยังมีข้อบกพร่องในส่วนใดอยู่บ้างเพื่อเป็นแนวทางสำหรับการพัฒนาต่อยอดกันต่อไป

รูปที่ 1 วงจรเพาเวอร์แอมป์ 741 กำลังเอาต์พุต30 วัตต์

การทำงานของวงจร

จากรูปที่1เป็นวงจรเพาเวอร์แอมป์ 741 ซึ่งยกตัวอย่างมาสำหรับใช้อธิบายการทำงานและวิเคราะห์วงจรไปด้วยกัน เริ่มจากสัญญาณอินพุตจะถูกส่งผ่าน C2 ค่า 1uF และ R9 ซึ่งวงจรบางวงจรอาจกำหนดค่า C ตำแหน่งนี้แตกต่างกันและเป็นที่ทราบกันดีว่าค่าความจุของ C ตำแหน่งนี้มีผลต่อการตอบสนองความถี่ต่ำกล่าวคือถ้าใส่ C ค่ามากๆจะได้เสียงย่านความถี่ต่ำเพิ่มขึ้นซึ่งหากพิจารณาแล้วภาคอินพุตของเพาเวอร์แอมป์ที่ประกอบไปด้วย C2,R9,R10 ก็คือวงจร Hi-pass filter หรือวงจรกรองความถี่สูงผ่านป้องกันแรงดัน DC เข้ามาภายในวงจรนั่นเอง สัญญาณเสียงจะถูกป้อนเข้าสู่ขา Non-Inverting ของออป-แอมป์เพื่อขยายสัญญาณแบบไม่กลับเฟส แหล่งจ่ายไฟของออป-แอมป์จะถูกลดแรงดันจากแหล่งจ่ายไฟหลัก +/-35Vdc ลงมาอยู่ที่ +/-15Vdc ใช้วิธีเร็กกูเลเตอร์แบบขนานโดยใช้ซีเนอร์ไดโอดประกอบไปด้วย R13,R14, D3,D4,C3 และ C4 สัญญาณเอาต์พุตที่ออกมาจากออป-แอมป์ไม่สามารถสวิงได้เกินแรงดันไฟเลี้ยงที่จ่ายให้ออป-แอมป์และอาจจะได้ค่าที่ต่ำกว่าแรงดันไฟเลี้ยงอีกเล็กน้อยซึ่งต้องอ้างอิงจาก Datasheet ของไอซีเบอร์นั้นๆหรือกรณีมีการขยายสัญญาณเอาต์พุตมากเกินไปไม่เป็นผลดีนักทำให้ออป-แอมป์ไม่สามารถขยายสัญญาณความถี่สูงๆได้หรือขยายสัญญาณไม่ทันเวลาเนื่องจากค่า slew rate ของไอซีเบอร์741ทั่วๆไป มีค่าค่อนข้างต่ำคือ 0.5V/uS แต่ในเบอร์ HA17741 ของบริษัท Hitachi จะมี่ค่า slew rate สูงถึง 1V/us หากเลือกใช้เบอร์ดังกล่าวจะทำให้คุณสมบัติของวงจรดีขึ้นอีกเล็กน้อย ในที่นี้ผมจะใช้ Nomo graph อ้างอิงจากจากเว็บไซด์ http://sound.westhost.com/amp_design.htm  ช่วยในการวิเคราะห์เพื่อกำหนดค่าแรงดันเอาต์พุตสูงสุดของออป-แอมป์ว่าควรกำหนดไว้ที่เท่าไหร่ จึงจะทำให้เพาเวอร์แอมป์ที่ออกแบบขึ้นมาสามารถตอบสนองต่อสัญญาณความถี่สูงสุดตามต้องการได้โดยกำหนดค่า slew rate ไว้ที่ 0.5V/uS และเลือกความถี่สูงสุดไว้ที่ 20kHz  ซึ่งความจริงหากเผื่อไว้ให้สูงกว่านี้ก็จะเป็นการดีแต่ผมเกรงว่าจะทำให้ได้สัญญาณเอาต์พุตต่ำเกินไป

รูปที่2 Nomo graph แสดงค่า slew rate ความถี่และแรงดันเอาต์พุต

จากรูปที่2 เป็น Nomo graph แสดงค่า slew rate มีความสัมพันธ์กับแรงดันเอาต์พุตและความถี่สูงสุดจะเห็นได้ว่าหากต้องการขยายสัญญาณความถี่สูงและแรงดันเอาต์พุตสูงวงจรขยายสัญญาณต้องมีค่า slew rate สูงตามไปด้วย จากกราฟในรูปที่2 หากกำหนดความถี่สูงสุดที่20kHz และค่า slew rate 0.5V/us ต้องหลีกเลี่ยงไม่ให้สัญญาณเอาต์พุตจากออป-แอมป์มีการสวิงสัญญาณเกิน 4Vp ดังนั้นหน้าที่การขยายแรงดันที่จะทำให้ได้กำลังสูงสุดตามต้องการจึงต้องพึ่งภาคขยายถัดมานั่นก็คือส่วนของภาคเอาต์พุตโดยภาคเอาต์พุตของวงจรเพาเวอร์แอมป์ 741 จะถูกออกแบบมาให้มีความสามารถในการขยายแรงดันได้ซึ่งเป็นวงจรแบบคอมม่อนอีมิเตอร์ วงจรดังรูปที่ 3 เป็นวงจรในส่วนของภาคเอาต์พุตโดยมีการจัดไบอัสไว้แบบคลาส AB ซึ่งจะเห็นว่ามี V3, V4 เป็นแบตเตอรี่ซึ่งกำหนดแรงดันไว้ประมาณ VBE ของทรานซิสเตอร์ซึ่งในวงจรจริงจะใช้แรงดันตกคร่อมภายในไดโอด D3,D4 ทำงานร่วมกันกับ R16,R17,R18  ภาคเอาต์พุตที่มีอัตราขาย10 เท่า คำนวณจากค่า R3/R1 นั่นก็คือ 500/50 = 10 เท่า ซึ่งหากต้องการออกแบบเพาเวอร์แอมป์กำลังเอาต์พุต 30วัตต์ ที่โหลด 8 โอห์มวงจรจะต้องขยายแรงดันให้ตกคร่อมลำโพงไม่น้อยกว่า 16Vrms หรือประมาณ 22Vp หากคิดอัตราขยายของภาคเอาต์พุตไว้ที่ 10 เท่า จะต้องใช้สัญญาณเอาต์พุตจากออป-แอมป์ไม่น้อยกว่า 2.2Vp ซึ่งเอาต์พุตของออป-แอมป์ทั่วที่มีแหล่งจ่าย +/-15Vdc สามารถขับได้อยู่แล้วซึ่งดูแล้วเหมือนจะง่ายๆใช่ไหมครับ

รูปที่ 3 วงจรภาคเอาต์พุตที่มีอัตราขยาย 10 เท่า

รูปที่ 4 รูปสัญญาณเอาต์พุตขณะจ่ายแรงดันอินพุต Sine wave 1kHz 3Vp เมื่อไม่ต่อโหลด

จากรูปที่ 4 รูปสัญญาณเมื่อจ่ายแรงดันอินพุตเป็นสัญญาณไซน์ความถี่ 1kHz แรงดัน 3Vp กรณีที่ไม่มีโหลดวงจรจะสามารถขยายสัญญาณได้สูงสุดตามต้องการ คือสามารถขยายสัญญาณได้ถึง 10 เท่า โดยมีแรงดันเอาต์พุตถึง 32Vp และรูปสัญญาณยังคงสมบูรณ์ดีไม่ผิดเพี้ยนเป็นไปตามที่คำนวณไว้

รูปที่ 5 รูปสัญญาณเอาต์พุตขณะจ่ายแรงดันอินพุต Sine wave 1kHz 3Vp โดยมีโหลด 8 โอห์ม 

แต่เมื่อต่อโหลดทางเอาต์พุตค่า 8 โอห์มลงไปดังรูปที่ 5 สัญญาณกลับมีความผิดเพี้ยนและไม่สามารถขยายแรงดันเอาต์พุตได้สูงสุดตามต้องการ เนื่องจากค่าเอาต์พุตอิมพีแดนซ์ของวงจรเอาต์พุตลักษณะนี้มีค่าสูงหรือมีค่าแดมปิ้งแฟ็คเตอร์ต่ำ จึงทำให้สัญญาณเอาต์พุตผิดเพี้ยนเมื่อวงจรยังไม่มีการป้อนกลับแบบลบ ซึ่งปกติวงจรนี้จะต้องถูกขยายขึ้นไปอีก 10 เท่านั่นก็คือต้องได้แรงดันเอาต์พุต 30Vp แต่วงจรสามารถขยายแรงดันได้เพียง 20.6Vp เท่านั้นดังนั้นต้องอาศัยการป้อนกลับแบบลบเพื่อชดเชยแก้ไขความเพี้ยน ในส่วนนี้ ออป-แอมป์ที่ทำหน้าที่เป็นภาคดิฟเฟอเรนเชียลแอมป์ในภาคแรกอาจจะต้องรับภาระหนักขึ้นมาหน่อย เพราะต้องจ่ายแรงดันเอาต์พุตสูงจากเดิมที่คำนวณไว้เพื่อชดเชยสัญญาณส่วนที่ผิดเพี้ยนไป คราวนี้มาลองดูผลของวงจรหลังจากมีการป้อนกลับแบบลบกันบ้าง จากรูปที่7ผลที่ออกมาค่อนข้างเป็นที่น่าพอใจส่วนหนึ่งน่าจะมาจากการเลือกใช้ไอซีออป-แอมป์เบอร์ HA17741 ที่มีSlew rate สูงถึง 1V/uS 

รูปที่ 6 วงจรสมบูรณ์ที่ใช้ทดสอบ

รูปที่ 7 รูปสัญญาณ1kHz กำลังขับ 34Wrms ที่โหลด 8 โอห์ม (HA17741)

รูปที่ 8 รูปสัญญาณ20kHz กำลังขับ 31Wrms ที่โหลด 8 โอห์ม (HA17741)

รูปที่ 9 รูปสัญญาณ20kHz กำลังขับ 34Wrms ที่โหลด 8 โอห์มเมื่อใช้ออป-แอมป์ NE5534

ผลจากการซิมมูเลชั่นวงจรในรูปที่6 โดยจ่ายสัญญาณไซน์ความถี่ 1kHz แรงดัน 0.5Vp จะทำให้ได้สัญญาณเอาต์พุตเส้นสีแดงสูงถึง 23.375Vp ดังรูปที่7 ซึ่งวงจรถูกกำหนดอัตราขยายไว้ที่ 47 เท่าโดยกำหนดจากค่า R12/R11 ก็คือ 47K/1K = 47 เท่านั่นเอง หรือคิดเป็นหน่วยเดซิเบลจะได้ค่าประมาณ 33dB นับว่ามีอัตราขยายสูงพอสมควรสำหรับวงจรขยายเสียงกำลัง 30 วัตต์ ส่วน C5 ค่า 18pF ที่ต่อคร่อมอยู่บนตัวต้านทาน 47K นั้นทำหน้าที่ลดอัตราขยายที่ความถี่สูงของวงจรป้องกันการออสซิลเลตที่ความถี่สูง จากรูปที่ 8 เมื่อใช้ความถี่ในการทดสอบเป็น 20kHz ทำให้มองเห็นความเพี้ยนของสัญญาณและการหน่วงของสัญญาณได้ชัดเจนมากกว่าเดิมสาเหตุมาจากค่า slew rate ของไอซีที่ต่ำทำให้การป้อนกลับแก้ไขชดเชยความเพี้ยนของสัญญาณไม่ทัน เมื่อทดลองเปลี่ยนออป-แอมป์เป็นเบอร์ NE5534 พบว่าสัญญาณมีรูปร่างที่ดีขึ้นความเพี้ยนน้อยลงและกำลังเอาต์พุตเพิ่มขึ้นอย่างเห็นได้ชัดดังรูปที่9 แต่เท่าที่ทราบปัญหาเรื่องการเปลี่ยนไอซีออป-แอมป์ยังคงมีให้พบเห็นได้บ่อย ส่วนหนึ่งมาจากวงจรเดิมที่ใช้ไอซี ออป-แอมป์ 741 นั้นจะกินกระแสต่ำกว่าออป-แอมป์คุณภาพสูงเบอร์อื่นๆหลายเบอร์ทำให้เมื่อเสียบออป-แอมป์ตัวใหม่เข้าไปทำให้วงจรกลับทำงานผิดพลาดดังนั้นควรศึกษาข้อมูลจาก Datasheet ว่าออป-แอมป์ที่จะนำมาแทน 741 นั้นกินกระแสเท่าไหร่แล้วจัดวงจรแหล่งจ่ายไฟ +/-15Vdc ในที่นี้คือการเพิ่ม-ลดค่า R13,R14 ให้สามารถจ่ายกระแสได้อย่างเพียงพอต่อออป-แอมป์เบอร์นั้นๆ 

รูปที่ 10 ผลการตอบสนองความถี่ของวงจรเมื่อใช้ไอซี HA17741

รูปที่ 11 ผลการตอบสนองความถี่ของวงจรเมื่อใช้ไอซี NE5534

ผลการตอบสนองความถี่ของวงจรแสดงในรูปที่ 10 และ 11 จะสังเกตว่าเมื่อใช้ไอซี เบอร์HA17741 กราฟที่ได้จะไม่ราบเรียบส่วนที่โด่งขึ้นมาใยช่วงความถี่สูงคือความเพี้ยนฮาร์โมนิกความถี่สูงที่เกิดขึ้นตั้งแต่ความถี่ช่วง 10kHz เป็นต้นไปและสูงขึ้นเรื่อยๆซึ่งต้องปรับกระแสสงบให้มีค่าสูงขึ้นอีกความเพี้ยนจึงจะลดลงมาได้บ้างแต่ไม่สามารถทำให้หมดไปได้เพราะความเพี้ยนส่วนนี้ไม่สามารถนำไปป้อนกลับแก้ไขได้ทันเวลาเนื่องจากค่า Slew rate ของไอซีมีค่าต่ำเกินไปมีอีกวิธีที่จะลดยอดกราฟที่โด่งขึ้นมาโดยการลดอัตราขยายความถี่สูงลงโดยการเพิ่มค่า C5 ค่า 18pF เป็น 30-47pF ในรูปที่ 11เมื่อเปลี่ยนออป-แอมป์เป็นเบอร์ NE5534 แล้วความเพี้ยนที่ปรากฏขึ้นมาจะหายไปได้กราฟการตอบสนองความถี่ที่ราบเรียบขึ้นพร้อมผลการตอบสนองความถี่สูงที่ทำได้กว้างขึ้นอีก 

บทสรุป

เราสามารถออกแบบวงจรขยายเสียงโดยใช้ไอซี 741 ให้มีคุณภาพในระดับหนึ่งได้จากตัวอย่างข้างต้นแต่เมื่อพิจารณาแล้ววงจรขยายเสียงที่ใช้ไอซี 741 นี้อาจไม่เหมาะสมที่จะออกแบบให้กำลังเอาต์พุตสูงๆเนื่องจากค่า slew rate ของไอซี 741 มีค่าต่ำเกินไปและวงจรส่วนเอาต์พุตยังต้องอาศัยระดับสัญญาณจากออป-แอมป์ค่อนข้างมากไม่ใช่ว่าจะไม่สามารถทำกำลังเอาต์พุตสูงๆเลยซะทีเดียวแต่จะออกแบบให้ทั้งกำลังเอาต์พุตที่สูงและผลการตอบสนองความถี่ยังดีอยู่และความเพี้ยนต่ำถือว่าเป็นเรื่องที่ยากพอสมควร แต่ถึงอย่างไรวงจรเพาเวอร์แอมป์741 ก็ยังฮิตตลอดการเพราะเหมาะสำหรับผู้ที่เริ่มต้นศึกษาวงจรเพาเวอร์แอมป์และสามารถต่อยอดได้อย่างไม่มีที่สิ้นสุด หวังว่าบทความนี้จะเป็นแนวทางสำหรับผู้ที่สนใจพัฒนาวงจรเพาเวอร์แอมป์ 741 ไม่มากก็น้อย