จำลองวงจรขยายสัญญาณแบบกลับเฟส (Op-Amp) ด้วยโปรแกรม KiCAD (ตอนที่ 2)

Inverting Operational Amplifier With KiCAD

    ต่อจากตอนที่แล้ว (ตอนที่ 1) เราได้ทราบกันไปแล้วว่า KiCad เป็นโปรแกรมออกแบบ PCB ที่สามารถจำลองการทำงานของวงจร (Circuit Simulation) ได้ จากครั้งก่อนเราได้จำลองวงจรไฟฟ้าแบบอนุกรม แสดงผลลัพธ์เป็นค่าตัวเลขและกราฟ ทั้งแบบแรงดันไฟตรง (DC) และแบบไฟสลับ (AC) ในบทความนี้จะเพิ่มความเข้าใจการใช้โปรแกรม Kicad ในการจำลองผลด้วยการใช้วงจรขยายสัญญาณแบบกลับเฟสด้วยออปแอมป์ (Inverting Op-Amp Simulation) 

    ออปแอมป์ คือ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ขยายขนาดหรือกำลังของสัญญาณให้สูงขึ้น เช่น วงจรขยายสัญญาณแบบกลับเฟส เป็นการขยายแรงดันขาเข้า (Vin) ให้แรงดันขาออก (Vout) มีขนาดที่ใหญ่ขึ้นและกลับสัญญาณกัน ขนาดสัญญาณที่ใหญ่ขึ้น เรียกอัตราขยายสัญญาณ Gain (Av)

ตัวอย่างการจำลองวงจรขยายสัญญาณแบบกลับเฟสด้วยโปรแกรม KiCAD โดยให้ Vin = 1 v, ความถี่ 1 kHz, Rin = 1k และ Rf = 3 k ดังรูป

เปิดโปรแกรม KiCad > Ctrl+N หรือ File > New > Project เพื่อสร้างโปรเจคใหม่ > คลิ๊กไอคอนหรือนามสุกล .sch เพื่อเริ่มวาดผังวงจร โดยการนำอุปกรณ์ที่จำเป็นมาวางดังนี้ (การใช้งานอย่างละเอียดดูได้จากบทความก่อนหน้านี้)

Place Simbol
    -  LM741 :    Operational Amplicfie, DIP-8/TO-99-8

    -  VDC     :    Votage source, DC

    -  VSIN    :    Voltage source, sinusoidal

    -  R           :    Resistor

Place Power Port

    - pspice  0 :    0V reference potential for simulation

เปลี่ยนค่าอุปกรณ์ (E) > เชื่อมโยงสาย (W) > จัดเรียงเลขอุปกรณ์ (Anotate)

โครงสร้างและการใช้งานขาออปแอมป์ 741 
    - 2 หมายถึง Inverting input

    - 3 หมายถึง Non - Inverting input

    - 6 หมายถึง output

    - 4 หมายถึง negativ power supply

    - 7 หมายถึง positive power supply

ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีแหล่งจ่ายไฟบวก 5 โวลท์ และไฟลบ -5 โวลท์ ให้กับตัวออปแอมป์ และมีสัญญาณ SineWave ขนาด 1 โวลท์ ความถี่ 1 kHz เพื่อใช้จำลองผลการทำงาน

    การเชื่อมต่อแหล่งจ่ายที่มีแรงดันไฟบวกและไฟลบ สามารถทำได้หลากหลายรูปแบบดังภาพ
เช่น นำแหล่งจ่ายไฟมาอนุกรมกัน แล้วนำขั้วไฟบวก (+) และขั้วไฟลบ (-) ไปใช้งาน โดยมีการเทียบกราว์ด (GND) ที่จุดกึงกลางของแหล่งจ่ายทั้ง 2

หรือเชื่อมโยงแหล่งโดยใช้ป้ายอักษร แล้วกำหนดค่าแรงดันแหล่งจ่ายให้อุปกรณ์นั้น ๆ ในที่นี้

    dc(-5)  หมายถึง ให้แหล่งจ่ายเป็นแรงดันไฟลบ -5V

    dc(5)    หมายถึง ให้แหล่งจ่ายเป็นแรงดันไฟบวก 5V 

    dc 0 sin(0 1 1k) หมายถึง ไม่ใช้ไฟตรง (dc 0) ใช้สัญญาณรูปคลื่นไซน์ sin(0 1 1k)  และให้ dc offset        เป็น 0, ขนาดแรงดัน 1 โวลท์, ความถี่ 1 kHz 

    หลังจากวาดผังวงจร (Schematic) กำหนดค่าอุปกรณ์และลากสายเชื่อมโยง (W : Wire) เรียบร้อยแล้ว ยังไม่สามารถจำลองผล (Simulation) ได้ทันที เนื่องจากสัญลักษณ์ออปแอมป์ในโปรแกรม KiCAD จะยังไม่มีค่าหรือคุณสมบัติในการจำลองผลได้ จำเป็นต้องโหลด model ที่มีค่าพารามิเตอร์ต่าง ๆ มาใช้ โดยการเข้าไปดาวน์โหลด model ได้ที่เวปไซด์ www.ti.com

คลิ๊กเลือก PRODUCT DETAILS > LM741 data sheet, product information and support

คลิ๊กเลือก Design & development 

ดาวน์โหลด LM741 PSPICE Model จะได้ไฟล์ SNOM211.ZIP ขนาดไฟล์ 1 kB

- สร้างโฟลเดอร์เพื่อเก็บไฟล์ที่จะแตก .zip ไฟล์ ในที่นี้สร้างโฟลเดอร์ชื่อ KiCad_Model_Sim

- แตก .zip ไฟล์ที่ดาว์นโหลดมาชื่อ snom211.zip

- จะได้ไฟล์โมเดลชื่อ LM741.MOD 

การนำโมเดลใช้งานกับโปรแกรม KiCAD เพื่อการจำลองผล (Simulation) ที่หน้าผังวงจร (Schematic) 

- เมาส์ชี้ที่อุปกรณ์ออปแอมป์ (LM741) แล้วกดปุ่ม E (Edit)

- กดเลือก Edit Spice Model เพื่อนำเข้าโมเดลที่ดาวน์โหลดมา (LM741.MOD)

- เลือกไฟล์โมเดล LM741.MOD ตามโฟลเดอร์ที่เก็บไฟล์ไว้

- โฟลเดอร์ที่เก็บไฟล์ไว้เลือกเป็น All file (*.*) เพื่อให้เห็นทุกไฟล์

- เลือก LM741.MOD

- กด Open

เลือก Model Type เป็น Subcircuit และจัดเรียงขาอุปกรณ์ให้ตรงกับเงื่อนไขของโมเดล (LM741/NS) โดยเงื่อนไขโมเดล LM741/NS มีดังนี้

    - non-inverting input         คือขาสัญญาณเข้าไม่กลับเฟส         ใน Schematic Op-Amp คือขา 3

    - invering input                 คือขาสัญญาณเข้าแบบกลับเฟส       ใน Schematic Op-Amp คือขา 2

    - positive power supply    คือขารับแหล่งจ่ายไฟบวก                 ใน Schematic Op-Amp คือขา 7

    - negative power supply   คือขารับแหล่งจ่ายไฟลบ                   ใน Schematic Op-Amp คือขา 4

    - output                             คือขาสัญญาณออก                           ใน Schematic Op-Amp คือขา 6

นำตัวเลขขาที่กำหนดขาใหม่ (3 2 7 4 6) ใส่ใน Alternate node sequence: และคลิ๊กเครื่องหมายถูก เพื่อเลือกใช้งาน > กด OK 

เข้าสู่ขั้นตอนการจำลอง (Simulation) เลือก Tool > Simulation 

ก่อน Run Simulation ให้ทำการปรับตั้งค่าก่อน (Setting) โดยเลือกหัวข้อ Transient ปรับตั้งค่าตามความเหมาะสม ในที่นี้ปรับตั้งดังนี้

    - Time step : 10u seconds  หมายถึงให้อ่านค่าทุก ๆ 10 ไมโครวินาที

    - Final time 10 m seconds หมายถึงประมวลผล 10 มิลลิวินาที 

    - Initial time 0 seconds หมายถึง เริ่มต้นประมาวลผลที่เวลา 0 วินาที

การแสดงผลจำลองวงจรขยายสัญญาณแบบกลับเฟสด้วยออปแอมป์

    - กด Run จะแสดงผลลัพธ์เป็นค่าตัวเลข

    - กด Add Signeals เพื่อเลือกสัญญาณที่ต้องการให้แสดงผลกราฟ ในที่นี้เลือก V(Vin) และ V(Vout) 

ผลลัพธ์ที่ได้จากการแสดงผลกราฟ

    ขอขอบคุณผู้อ่านทุกท่านที่อ่านมาถึงตรงจุดนี้ ในบทความนี้หากมีข้อมูลไหนไม่ครบถ้วน ไม่ชัดเจน หรือขาดตกบกพร่อง ผู้เขียนก็ต้องกราบขออภัยมา ณ ที่นี้ด้วย และยินดีที่จะปรับปรุงแก้ไขให้ดีขึ้นต่อไป

ขอบคุณครับ 

จำลองการทำงานวงจรไฟฟ้าด้วยโปรแกรม KiCAD (เบื้องต้น) ตอนที่ 1

    KiCad เป็นโปรแกรมโอเพ่นซอร์ส (Open Source) สำหรับออกแบบผังวงจร (Schematic) และแผงวงจรพิมพ์ PCB ( Printed Circuit Board) แบบ EDA (Electronic Design Automation) สามารถทำงานได้หลากหลายระบบปฏิบัติการ ทั้ง Windows Linux หรือ mac os และยังมีอีกคุณสมบัติ คือ การจำลองการทำงานของวงจรไฟฟ้า (Circuit Simulation)ได้ด้วย 

การใช้งานโปรแกรม KiCad สำหรับการจำลองวงจร 

    - สร้างงานใหม่โดยไปที่ File > New > Project

เมื่อสร้างโปรเจคใหม่จะมี 2 ไฟล์ย่อย คือ

    - ไฟล์นามสกุล .kicad_pcb สำหรับสร้างแผ่นวงจรพิมพ์

    - ไฟล์นามสุกล .sch สำหรับสร้างผังวงจร

ให้คลิ๊กไอคอนหรือนามสุกล .sch เพื่อเริ่มวาดผังวงจร

    ตัวอย่างการจำลองวงจรไฟฟ้าเพื่อหาแรงดัน จากรูปเป็นวงจรอนุกรมมีตัวต้านทาน 2 ตัว ต้องการหาแรงดันตกคร่อม R2 (VR2) โดยมีแหล่งจ่าย VDC = 5 V , R1 = 25 โอห์ม และ R2 = 75 โอห์ม

ไอคอนเลือกอุปกรณ์ และลากเส้นเชื่อมต่ออุปกรณ์

    - การหมุนอุปกรณ์ตามเข็มนาฬิกา สามารถใช้คีย์ลัด โดยกดปุ่ม R  ย่อมาจาก Rotate 

    - การหมุนอุปกรณ์ตามรอบแกน X หรือรอบแกน Y สามารถใช้คีย์ลัด โดยกดปุ่ม X หรือปุ่ม Y 

    - การลากเส้นเชื่อมต่ออุปกรณ์สามารถใช้คีย์ลัด โดยกดปุ่ม W ย่อมาจาก Wire

    คลิ๊กซ้ายไอคอนเลือกอุปกรณ์ 1 ครั้ง > คลิ๊กซ้ายที่พื้นที่ทำงานอีกครั้ง > จะขึ้นหน้าต่าง Choose Symbol > พิมพ์ข้อความ simulation ลงในช่องว่างเพื่อเลือกอุปกรณ์สำหรับการจำลองวงจร ในที่นี้เลือกอุปกรณ์ดังนี้
- VDC : Voltate source, DC

- R : Resistor

    เมื่อจัดวางอุปกรณ์และลากเส้นเสร็จแล้ว ให้เลือกไอคอน Place Global Label เพื่อสร้างป้ายหรือจุดที่ต้องการวัดค่า (ควรใส่ชื่อให้เหมาะสมกับสิ่งที่ต้องการวัด) ในที่นี้ใช้ชื่อ VR2 เพื่อเป็นการวัดจุดดังกล่าว (ตามรูป) เทียบกราวด์ (GND) 

ใส่ค่าอุปกรณ์ให้ถูกต้อง โดยการนำเมาส์วางไว้ที่ตัวอักษรของอุปกรณ์แล้วกดปุ่ม E (Edit) ในที่นี้ให้ใส่

    - VDC = dc(5)   หมายถึง แรงดันไฟตรงที่ 5 โวลท์

    - R1 = 25 โอห์ม

    - R2 = 75 โอห์ม

    ก่อนทำการจำลองผลจะต้องใส่ GND ให้กับวงจรเสมอ (ถ้าไม่ใส่วงจรจะไม่ทำงาน) โดยเลือกไอคอน Place Power Port > pspice > 0V แล้วทำการลากเส้น 

ทำการจัดเรียงเลขอุปกรณ์ให้เรียบร้อยโดยคลิ๊กไอคอน Annotate

เริ่มเข้าสู่การจำลองผลวงจร โดยคลิ๊ก Tools > Simulator

ก่อน Run หรือจำลองผลให้ปรับตั้งค่าก่อน (ถ้ากด Run เลยจะทำให้เครื่องฟ้อง Error) ไปที่ Settings > Transtient (สามารถกำหนดได้ตามความเหมาะสม) ส่วนในวงจรนี้กำหนดดังนี้

    - Time step: 0.1 seconds หมายถึง ให้อ่านผลทุก ๆ 0.1 วินาที 

    - Final time : 5 seconds หมายถึง ให้จำลองผลเป็นเวลา 5 วินาที

    - Initial time: 0 เวลาเริ่มตอนในการจำลองผล

กดปุ่ม Run/Stop Simulation > แสดงผลลัพธ์ทางตัวเลขออกมา (ยังไม่มีกราฟ) 

กดปุ่ม Add Signals > เลือกป้ายที่ต้องการให้กราฟแสดงผล ในที่นี้เลือกป้าย V(VR1) และ VR2)

ผลลัพธ์ที่ได้

ทดลองเปลี่ยนแหล่งจ่ายเป็นแบบ Sine Wave

- นำเมาส์วางไว้ที่อุปกรณ์ VDC แล้วกดปุ่ม E (Edit) > Edit  Spice Mode > OK

เปิดหัวข้อ Source แล้วเลือก Sinusoidal ใส่ข้อมูลดังนี้

    - DC เป็น 0 

    - Amplitude: 5  Volts  (ขนาดแรงดัน)

    - Frequency: 1 kHz     (ความถี่ 1 กิโลเฮิร์ตซ์)

ปรับตั้ง Transient ในที่นี้ใช้ค่าดังนี้

    - Time step : 10 u sec (ไมโครวินาที)

    - Final time : 10m sec (มิลลิวินาที)

    - Initial Time : 0 sec 

ผลลัพธ์ที่ได้จากการจำลองวงจรทางไฟฟ้า

การปรับแต่งค่าสามารถทำได้หลายวิธี ในบทความถัดไปจะแนะนำการปรับแต่งค่ารูปแบบต่าง ๆ รวมถึงการจำลองวงจรอื่น ๆ เช่น ทรานซิสเตอร์, ออปแอมป์ ฯลฯ  ขอขอบคุณผู้อ่านทุกท่านครับ