Operational Amplifiers - Part 7

Operational Amplifier အပိုင္း ( ၇ )

Basic Op-Amp Circuits

Op-amp circuit မ်ားကိုနားလည္ဘို႔အတြက္ Virtual short နဲ႔ virtual ground တို႔ကို နားလည္ထားဘို႔လိုပါတယ္။

Virtual Short

Node ၂ ခုၾကား current ဘယ္ေလာက္စီးစီး volt မရွိရင္ short circuit လို႔ သတ္မွတ္ၿပီး voltဘယ္ေလာက္ေပးေပး current မစီးရင္ open circuit လို႔ သတ္မွတ္ႏိုင္ပါတယ္။
linear op-amp circuit ေတြမွာ inverting နဲ႔ non-inverting terminal ၂ခုၾကားမွာ zero volt ျဖစ္ေနၿပီး current လည္း မစီးတဲ့အခါၾကေတာ့ virtual short လို႔ေခၚပါတယ္ ပုံ(၁) ။virtual short ကို V-I characteristic curve မွာ ၾကည့္ရင္ origin မွာ ရွိတဲ့ point တခု အျဖစ္သာျမင္ရပါမယ္။ ဆိုလိုတာက volt ေရာ current ေရာ zero ျဖစ္ပါတယ္။ virtual short သေဘာတရားဟာ op-amp circuit ေတာ္ေတာ္မ်ားမ်ားကို နားလည္ဘို႔ အေထာက္အကူ ျဖစ္ေစပါတယ္။

virtual ground ကိုေတာ့ inverting amplifier circuit မွာ ေတြ႕ပါမယ္။

ပုံ (၁) - Virtual Short

Voltage Follower Circuit

ပုံ(၂) - Voltage Follower Circuit

Op-amp circuit ေတြထဲမွာ နားလည္ဘို႔ အလြယ္ဆံုးကေတာ့ voltage follower circuit ျဖစ္ပါတယ္။ ပံု(၂) မွာ input voltage ကို non-inverting terminal နဲ႔ဆက္ထားၿပီး inverting ကိုေတာ့ output ကေန feedback ျပန္ေပးထားပါတယ္။ ideal op-amp မွာ inverting နဲ႔ non-inverting terminal ၂ ခုၾကားမွာ current မစီးပါဘူး။ op-amp ရဲ႕ gain ကလည္း infinite ျဖစ္တဲ့အတြက္ terminal ၂ ခုအၾကား voltage ကို op-amp ရဲ႕ basic characteristic equation နဲ႔ ျပန္တြက္ၾကည့္ရင္

Vo = A ( Vp - Vn ) 

A = ∞

∴ Vp - Vn = 0

ျဖစ္ပါတယ္။ ဒါေၾကာင့္ input terminal ၂ ခုအၾကားမွာ virtual short ျဖစ္ေနတဲ့ အတြက္

Vs = Vp = Vn = Vo

(သို႔) 

Vo = Vs

Amplifier တခုရဲ႕ input ကို

Vo = G Vs ( G = closed loop gain )

လို႔ ေဖၚျပႏိုင္ရင္ Gain တန္ဘိုး ဟာ 1 ျဖစ္ပါတယ္။ ဒါေၾကာင့္ voltage follower circuit ဆိုတာ unity gain ရွိတဲ့ circuit သို႔ output ဟာ input အတိုင္း ျပန္ထြက္တဲ့ amplifier တခုျဖစ္ပါတယ္။

Voltage Follower ကို ဘယ္မွာသံုးမလဲ ?

႐ုတ္တရက္ၾကည့္ရင္ gain 1 ရွိတဲ့ amplifier တခုဟာ ဘာအသံုးဝင္မွာလည္းလို႔ ထင္စရာရွိပါတယ္။ Amplifier တခုရဲ႕ အလုပ္ဟာ voltage တခုထည္း ခ်ဲ႕တာမဟုတ္ပါဘူး။ power ကိုခ်ဲ႕တာပါ။ voltage follower ဟာ Voltage gain 1 သာရွိေပမဲ့ input current ဟာ zero ျဖစ္တဲ့အတြက္ power gain အလြန္ႀကီးပါတယ္။ ဒါေၾကာင့္ အလြန္ power အားနဲတဲ့ signal မ်ားကို power ႀကီးလာေအာင္ လုပ္ေပးႏိုင္ပါတယ္။ဒီ သေဘာတရားကို digital buffer gate ေတြမွာလည္း ေတြ႕ႏိုင္ပါတယ္။ buffer ဆိုတာ အဝင္နဲ႔ အထြက္ logic level တူေပမဲ့ gate မ်ားစြာကို ေမာင္းနိင္တဲ့ စြမ္းအားရွိတဲ့ gate တမ်ိဳးပါ။ voltage follower နဲ႔ သေဘာတရား တူပါတယ္။

အသံုခ် circuit အခ်ိဳ႕

Single to Dual Rail Converter

ပုံ (၃) - Single Rail မွ Dual Rail ေျပာင္းေပးေသာ circuit

op-amp circuit အမ်ားစုဟာ V+ ,GND, V- dual voltage ေပးရပါတယ္။ အလြယ္တကူရႏိုင္တဲ့ power supply ေတြက V+ နဲ႔ GND ပါဝင္တဲ့ single rail supply ေတြျဖစ္ပါတယ္။ Single Rail ကို Dual Rail ျဖစ္ေအာင္ voltage follower သံုးၿပီး ျပဳလုပ္ႏိုင္ပါတယ္ ပုံ(၃) ။ တကယ္လို႔ power မ်ားမ်ားလိုခ်င္ရင္ BJT transistor မ်ားနဲ႔ တြဲသံုးႏိုင္တယ္ ပုံ(၄) ။

ပုံ (၄) - Power Boost လုပ္နည္း

Voltage Follower နဲ႔ Loading Effect

Voltage Source တိုင္းမွာ internal resistance ရွိပါတယ္။ ဒါေၾကာင့္ voltage source တခုကို load တခုနဲ႔ဆက္လိုက္ရင္ volt က်သြားပါတယ္။ Load Resistance နဲေလ Volt က်ေလ၊ Source ရဲ႕ internal resistance မ်ားေလ volt က်ေလပါဘဲ။ တခိ်ဳ႕ signal source မ်ားဟာ internal resistance အလြန္ႀကီးပါတယ္။ အဲဒီလို source မ်ားမွာ signal ကို မေလ်ာ့က်ေစဘဲ voltage follower က ဆြဲထုတ္ႏိုင္စြမ္း ရွိပါတယ္။ ဥပမာ digital volt meter မ်ား မွာ သံုးထားတာ ေတြ႕ႏိုင္ပါတယ္။ ပုံ(၅)

ပုံ (၅)

Operational Amplifiers - Part 6

Operational Amplifiers အပိုင်း ( ၆ )

Op-Amp Characteristics

op-amp တခုရဲ့အတွင်းမှာ ရှိတဲ့ circuit တွေဟာ ရှုပ်ထွေးလှပေမဲ့ တကယ်တွကချကကြတဲ့အခါ ပိုလွယ်ကူတဲ့ equivalent circuit model ကို သုံးကြပါတယ်။modelလုပ်ပြီး သုံခြင်းဖြင့် op-amp အများကြီးပါတဲ့ circuit တွေတောင်မှ နာလည်ရ၊ design လုပ်ရ လွယ်ကူစေပါတယ်။

ပုံ (၁) - Operational Amplifier Package

အမည်သတ်မှတ်ပုံ

ပုံ (၂) - Pin Diagram

Op-amp များကို integrated circuit များဖြင့်ထုတ်လုပ်ကြပြီး package အမျိုးတွင် ထည့်သွင်း ရောင်းချကြသည်။ ပုံ(၁) တွင်ပြထားသော IC package မှာ pin 8 ခုပါသော DIP( Dual-in-line Package ) အမျိုးအစားဖြစ်ပြီး pin diagram ကို ပုံ (၂)မှာ ပြထားပါတယ်။ op-amp ကို တြိဂံပုံဖြင့် ဖေါ်ပြပြီး pin 8 ခုပါသော်လည်း အပြင်မှဆက်ပေးရန်လိုတဲ့ pin ကတော့ ၅ ခုဘဲဖြစ်ပါတယ်။


Pin 2 inverting သို့ negative input voltage , vn
Pin 3 non inverting သို့ positive input voltage , vp
Pin 4 negative(-) power supply terminal , Vee
Pin 7 positive(+) power supply terminal , Vcc

Pin 6 output voltage , vo

ပုံ (၃) - Op-Amp တခုရဲ႕ volt နဲ႔ current မ်ားသတ္မွတ္ပုံ

op-amp မှာ input terminal ၂ ခု ( vp and vn ) ပါရှိပြီး output terminal တစ်ခု vo ပါဝင်ပါတယ်။ input current ၂ ခုကို ip နဲ့ in လို့ သတ်မှတ်ဖေါ်ပြပြီး output current ကိုတော့ io , supply current ၂ ခုကိုလည်း icc နဲ့ iee လို့ဖေါ်ပြနိုင်တယ်။ ပုံ(၃) မှာ ကြည့်ပါ။ op-amp circuit တွေဖေါ်ပြတဲ့အခါ ထူးခြားမှုမရှိလျှင် Vcc နဲ့ Vee တွေကို ထည့်မဆွဲတော့ပါ။ ပုံမှာ မပါပေမဲ့လည်း တကယ်သုံးတဲ့အခါ power pin များကို ဆက်ပေးရပါမယ်။
power pin များပါထည့်တွက်ပြီး op-amp ကို KCL ရေးရင်

io= ip + in + icc - iee

လို့ ရေးနိုင်ပေမဲ့ power pin များကို ထည့်မဆွဲတဲ့အခါ KCL ကို

io= ip + in

လို့ရေးရင် မမှန်ပါဘူး။ ပုံ(၄)

ပုံ(၄)- supply pin များဖြုတ်ထားပုံ

Transfer Characteristics

op-amp တခုရဲ့ input နဲ့ output ဆက်စပ်ပုံကို

vo =A( vp - vn )

လို့ ဖေါ်ပြပါတယ်။ A ကို op-amp ရဲ့ open loop gain လို့ ခေါ်ပါ

တယ်။ open loop gain ဆိုတာ op-amp ရဲ့ output မှ input ကို ဘာမှဆက်မထားရင် ရမဲ့ gain ဖြစ်ပါတယ်။ op-amp တခုရဲ့ output ဟာ Vcc နဲ့ Vee ကြားသာ ထွက်နိုင်တဲ့အတွက် ဒီ equation ကို vo ဟာ Vcc ထက် ငယ်ပြီး Vee ထက်ကြီးတဲ့ အချိန်မှာသာ သုံးနိင်ပါတယ်။အဲဒီ နေရာကို linear region လိုခေါ်ပြီး အဲ့ဒီ အပြင်ဘက်ကိုတော့ saturation region လို့ခေါ်ပါတယ်။ op-amp တခု မှာ Positive Saturation Region နဲ့ Negative Saturation ဆိုပြီး ၂ ခုရှိပါတယ်။ပုံ(၅)

ပုံ(၅) - Op-Amp တခုရဲ့ characteristics

Equivalent-Circuit Model

op-amp တခုဟာ linear region ထဲမှာ အလုပ်လုပ်နေတဲ့အခါ သူ့ရဲ့ အလုပ်လုပ်ပုံကို ပုံ(၆) မှာဖေါ်ပြထားတဲ့ model နဲ့ ပုံစံပြု ဖေါ် ပြနိုင်ပါတယ်။ equivalent circuit မှာ voltage controlled voltage source တခုပါဝင်ပြီး သူ့ရဲ gain ဟာ A ရှိပါတယ်။ input resistance Ri နဲ့ output resistance Ro တို့ပါဝင်ပါတယ်။ ideal op-amp တခုဆိုရင် 

A = ∞

Ro = 0

Ri = ∞ 

ip = in = 0 A

ရှိရပါမယ်။ တကယ် လက်တွေ့မှာတော့ မဖြစ်နိုင်ပါဘူး ။ ဥပမာ uA741 op-ampမှာဆိုရင်

A= 200000
Ro= 25 Ω
Ri = 2 MΩ
ip = in = 80 nA

သာရှိပါတယ်။ ideal op amp characteristics တွေကို သုံးခြင်းဖြင့် op-amp circuit တွေရဲ့ အလုပ်လုပ်ပုံကို နားလည်ရလွယ်စေပါတယ်။

ပုံ (၆)- op-amp ရဲ့ Equvalent Circuit Model

Controlled Source

Voltage source တခု ဟာ သူထွက်ချင်တဲ့ volt ထွက်နိုင်ရင် independent source လို့ခေါ်ပြီး တခြားတနေရာရာပေါ်မှုတည်ပြီးထွက်ရတယ်ဆိုရင် dependent source သို့ controlled source လို့ခေါ်ပါတယ်။ ဥပမာ Battery တခုဟာ independent source ဖြစ်ပြီး transformer တခုဟာ dependent source ဖြစ်ပါတယ်။ Transformer ရဲ့ secondary volt ဟာ ထွက်ချင်သလို ထွက်လို့မရဘဲ primary ပေါ်မှီခိုနေရလို့ဖြစ်ပါတယ်။ Transformer ရဲ့ output ၂ ခုဆက်စပ်ပုံကို ဖေါ်ပြရရင်

Vs = Vp Ns/Np

လို့ ရေးနိင်ပါတယ်။ Amplifier တွေကို model လုပ်ရင် controlled source နဲ့ဖေါ်ပြပါတယ်။ Amplifier တခုဖြစ်ဘို့ရာမှာ controlled source ဖြစ်ရုံနဲ့မရပါဘူး power gain ၁ ထက်ကြီးရမှာပါ။ ဆိုလိုတာက output power ဟာ input ထက် ကြီးဘို့လိုပါတယ်။ Step up transformer တလုံးဟာ controlled source ဖြစ်ပြီး voltage gain ရှိနိုင်ပေမဲ့ output power ဟာ input ထက်မကြီးနိင်တဲ့အတွက် amplifier မဖြစ်ပါ။

Controlled source ၄ မျိုးရှိပါတယ်။

၁။ voltage controlled voltage source - VCVC
၂။ voltage controlled current source - VCCS
၃။ current controlled voltage source - CCVS
၄။ current controlled current source - CCCS

တို့ဖြစ်ပါတယ်ပုံ(၇)။BJT transistor ကို အများအားဖြင့် CCCS နဲ့ဖေါ်ပြပြီး FET တွေကတော့ VCCS ဖြစ်ပါတယ်။ OP-AMP တွေကတော့ VCVS ထဲပါဝင်ပါတယ်။ controlled source များမှာ input port နဲ့ output port မှာပါဝင်ပြီး input မှာ load ဖြစ်တဲ့အတွက် resistance သို့ impedance နဲ့ဖေါ်ပြပြီး output မှာ dependent source တခုခုနဲ့ internal resistance သို့ impedance နဲ့ ဖေါ်ပြပါတယ်။

Operation circuit များနဲ့ op-amp အမျိုးအစား များ အကြောင်းဆက်လက်ဖေါ်ပြပါမည်။

ပုံ (၇) - Controlled Source များ

Operational Amplifiers - Part 5

Operational Amplifier အပိုင်း ( ၅ )

uA741 ( 1968 )

Black ထွက်သွားပြီးတဲ့နောက် Fairchild မှာ Dave Fullagar က နောက်ထွက်မဲ့ op amp ကို design ဆက်လုပ်ဖို့ တာဝန် ဆက်ယူရပါတယ်။ ၁၉၆၈ မှာ uA741 ပုံ(၁) ဆိုပြီး ထွက်လာတယ်၊ op amp တွေထဲမှာ အကျော်ကြားဆုံး ဖြစ်လာခဲ့တယ်။ Ua741 ဟာ Widlar ရဲ့ LM301 နဲ့ အခြေခံ အားဖြင့်တော့ အတော်လေး တူပါတယ်။

ပုံ(၁) - uA741

 input stage ဟာ 741 လိုဘဲ NPN differential emitter follower amplifier ကို PNP common-base amplifier နဲ့ တွဲထားတဲ့ ပုံကလဲ အတူတူပါဘဲ။ output current limiting လုပ်ထားပုံကလည်း ခပ်ဆင်ဆင်ပါ။

Input Stage

Q1 နဲ့ Q2 NPN Transistor တွေကို input မှာ differential အဖြစ် high input impedance ရအောင် သုံးထားပြီး Q3 Q4 PNP စုံတွဲနဲ့ Miller effect ကို လျှော့ပေးပါတယ်။ Input stage ရဲ့ Load ကို Resistor မသုံးဘဲ Active Load (Q5,Q6,Q7) ကို သုံးထားတဲ့အတွက် resistor ohm များများမသုံးဘဲ gain များများ ရစေတယ်။ input stage ကို current mirror များနဲ့ bias လုပ်ထားပါတယ်။ master current source ကို Q11,Q12 နဲ့ R5 တို့ သုံးပြီး ~700uA လောက်ရအောင် လုပ်ထားတယ်။ အဲ့ဒီ reference current ကို Q10 နဲ့ R4 တို့ကို widlar current source သုံးပြီး 20uA ရအောင် လျှော့ယူတယ်၊ ထွက်လာတဲ့ current ကို wilson current mirror (Q9,Q8 ) သုံးပြီး input PNP transistor ၂လုံးကို bias ပေးထားပါတယ်။ current source တွေသုံးပြီး bias လုပ်ထားတဲ့အတွက် op amp ကို supply volt range အများကြီး ပေးနိုင်ပါတယ်။

Voltage Amplifier Stage

NPN Transistor Q18 နဲ့ Q17 ကို darlinton အတွဲလုပ်ထားပြီး class A Amplifier အနေနဲ့ သုံးထားတာ တွေ့ရပါမယ်၊ ဒီ မှာလဲ Q12,Q13 current mirror အတွဲကို active load အဖြစ် သုံးထားတာ တွေ့ရပါမယ်။ဒီstage နဲ့ input stage နှစ်ခုကြောင့် 741 ရဲ့ gain ဟာ 200000 လောက်ရပါတယ်။ output stage ရဲ့ gain ကတော့ 1 ဘဲရှိပါတယ်။

Output Stage

ပုံ (၂) -UA741 Schematic Diagram

Schematic ပုံ(၂) မှာ Transistor Q16 နဲ့ Q19 ဟာ output stage ရဲ့dead zone ကိုလျှောချပေးတဲ့ အတွက် crossover distortion ကို လျော့ နဲစေပါတယ်။ uA741 ရဲ့ output stage ဟာ class AB အမျိုးအစားပါ၊ Q23 ဟာ Baker Clamp တမျိုးဖြစ်ပါတယ်။ Transistor တလုံးဟာ saturation mode ထဲဝင်သွားရင် collector ထဲမှာ minority carrier များ store လုပ်ထားတဲ့ အတွက် active mode ထဲ ပြန်ထွက်တဲ့အခါ နှေးသွားစေတယ်။ ။Baker clamp ဟာ Q17 ကို saturation မဖြစ်အောင် ကာကွယ်ပေးတယ်။
ua741 op amp ရဲ့ အဓိကထူးခြားချက်ကတော့ compensation capacitor ကို IC ထဲမှာ ထည့်ထား တာပါ။ LM301 မှာ အပြင်က ဆက်ပေးရတယ်။ Negative feedback amplifier တွေသုံးတဲ့အခါ amplifer stable ဖြစ်အောင် သုံးမယ့် gain ပေါ်လိုက်ပြီး တွက်ထည့်ပေးရမယ်။ ဒါကြောင့် LM301 က designer အကြိုက် ပြင်နိုင်အောင် အပြင်မှာ ထုတ်ပေးထာတာကို ua741 က အတွင်းမှာ ထည့်လိုက်တဲ့ အတွက် သုံးတဲ့သူအတွက် အရမ်းလွယ်သွားတယ်၊ အဲ့ဒီအတွက် bandwidth လျှော့သွားပေမဲ့ application အများစုအတွက်ကတော့ အဆင်ပြေပါတယ်။ 741 designer Fullagar က engieers တွေအလွယ်ကြိုက်တယ်ဆိုတာ သိတယ်နဲ့တူပါတယ်။ 741 ဟာ အလွန် အောင်မြင်ခဲပါတယ်။

Ua741 မှာ LM301,LM301A တို့လိုဘဲ “OFF. ADJ” pin တွေသုံးပြီး offset adjust လုပ်ပေးနိုင်တယ်၊ off adjust ဆိုတာ input zero volt ဖြစ်ချိန်မှာ output zero volt ဖြစ်အောင် ချိန်ပေးတာပါ။

uA741 op amp ဟာ အလွန် ကျော်ကြားပြီး text book များမှာ ကနေ့အထိ သင်ကြားနေရဆဲဖြစ်ပါတယ်။ သူ့ထက်ကောင်းတဲ့ op amp များ ပေါ်ထွက်လာပြီဖြစ်သော်လည်း ယနေ့တိုင် ထုတ်လုပ်နေဆဲ ဝယ်ရနေဆဲ analog ic တခုဖြစ်ပါကြောင်း။

ပုံ(၃) - uA741 Op-Amp IC

Operational Amplifiers - Part 4

Operational Amplifier အပိုင်း ( ၄ )

Monolithic IC Op Amp

ပထမဆုံး IC op amp uA702 ကို Fairchild Semiconductor က ၁၉၆၃ မှာ ထုတ်လုပ်ခဲ့ပါတယ်။ designer က လူငယ် အင်ဂျင်နီယာ Robert J. (Bob) Widlar ပုံ(၁) ( Wide-lar လို့အသံထွက်ပါ။)

ပုံ(၁) - Robert John Widlar

အဲ့ဒီတုန်းက သူဟာ အသက် ၂၆ လောက်ဘဲရှိပါသေးတယ်။Text Book တွေမှာပါတဲ့ Widlar Current Source နဲ့ Band-gap voltage reference ဆိုတာတွေဟာ သူတီထွင်ခဲ့တာပါ။) uA702 ပုံ(၂) ဟာ တီထွင်ဆန်းသစ်မှုရှိတာမှန်ပေမဲ့ ဈေးကြီးပြီး ($300) အရည်အသွေးလည်း သိပ်မကောင်းတာမို့ စီးပွားရေးအရ သိပ်မအောင်မြင်ခဲ့ပါ။အဲ့ဒီတုန်းက military နဲ့ aerospace လုပ်ငန်းတွေကသာ ဝယ်သုံးနိုင်ခဲ့ပါတယ်။

ပုံ(၂) uA702

uA709

သိပ်မကြာခင် ၁၉၆၅ မှာ Fairchild က ဘဲ uA709 op amp ကို ထပ်ထုတ်ခဲ့ပါတယ်။ uA709 ဟာ uA702 ထက် အများကြီးပိုကောင်းပါတယ်။ gain 45000 နဲ့ output swing +/-10V အထိထုတ်နိုင်ပြီး input current က 200nA ဘဲရှိပါတယ်။ စရောင်းရောင်ခြင်း $70 လောက်ရှိတယ်။နောက်ပိုင်းမှာ $5 အထိ လျှော့ချနိုင်လို့ အလွန် အသုံးများလာပါတယ်။၁၉၆၉ခုနှစ်မှာဆို $2 လောက်ဘဲရှိပါတော့တယ်။

uA709 ရဲ့design ဟာ uA702 ရဲ့ design principles တွေကိုဆက်သုံးထားပါတယ်။ ပထမ stage နဲ့ ဒုတိယ stage ကို current source Q10-Q11 နဲ့ bias လုပ်ထားပါတယ်။ 709 ရဲ့ design မှာ NPN  transistor တွေကို အဓိကထားသုံးထားပြီး PNP ၂ လုံးဘဲပါတယ်။ PNP Q9 ကို level shifter အနေနဲ့ သုံးထားပြီး Q13 ကတော့

NPN Q14 နဲ့တွဲပြီး complementary output အနေနဲ့လုပ်ပါတယ်။ အဲ့ဒီ စုံတွဲကို bias လုပ်မထားတာကြောင့် class B အနေနဲ အလုပ် လုပ်ပါတယ်။ output မှာ crossover distortion နဲအောင် R15 နဲ့ ICတွင်းမှာ feedback ပြန်ပေးထားတာကို 709 ရဲ့ schematic ပုံ(၃) မှာ လေ့လာကြည့်နိုင်ပါတယ်။

gain stage တွေ များများသုံးထားပြီး negative feedback နဲ့သုံးတဲ့အခါ frequency ဲ မြင့်မြင့်မှာ phase shift ကြောင့် oscillation မဖြစ်ရအောင် compensation လုပ်ပေးဘို့လိုပါတယ်။ frequency compensation လုပ်ဘို့ pin 1 နဲ့ 8 မှာ IC အဲပြင်မှ RC network ၂ခု ထည့်ပေးဘို့ လိုပါတယ်။

709 ဟာ 702 ထက် အများကြီးပိုကောင်းလာတယ်ဆိုပေမဲ့လည်း ချို့ယွင်းချက်ကင်းတာတော့  မဟုတ်ပါဘူး။ ဥပမာ output မှာ current limiting resistor ထည့်မထားရင် output short ဖြစ်သွားရင် IC ပျက်သွားပါမယ်။ သုံးတဲ့သူတွေက frequency compensation လုပ်ရတာ မကြိုက်ကြပါဘူးဦးနှောက်စားလို့ပါ။ input volt၂ ခု သိပ်ကွာခြားသွားရင်လည်း ပျက်သွားနိုင်ပါတယ်။

ပုံ(၃) - uA709 schematic diagram

LM101

၁၉၆၅မှာ November မှာ Widlar ဟာ National Semiconductor သို့ ပြောင်းလုပ်ခဲ့ပါတယ်ပြီး ၁၉၆၇ မှာ LM101 ပုံ(၄) ကို design လုပ်ပါတယ်။ 101 ကို 2nd generation op amp လို့ သတ်မှတ်ပါတယ်။ 709 က first generation ပါ။ LM101 design မှာ 709 ရဲ့ပြဿနာ အများစုကို ဖြေရှင်းထားပါတယ်။

- output မှာ short circuit protection ပါလာတယ်။

- Frequency compensation ကို လုပ်ရလွယ်အောင် ပြင်ထားတယ်။

- Input common mode volt ကြီးရင် Latch မဖြစ်တော့ပါ။

- Differential Input ကြီးရင်လည်း မပျက်တော့ပါ။

- Power ပေးရတာလည်း လွယ်ကူလာပါတယ်။

LM101 ဟာ gain 160000 ရှိပြီး power ကိုလည်း +/- 5V မှ +/-20 V အထိပေးနိုင်လာပါတယ်။ LM101 ရဲ့ frequency compensation ကို လွယ်သွားစေရန် gain stage ကို ၂ ဆင့်ဘဲသုံးထားပါတယ်။ Q1မှ Q8 အထိ ပထမ gain stage ဖြစ်ပါတယ်။ input ကို Q1-Q2 PNP differential pair သုံးထားတာ ထူးခြားပါတယ်။ PNP transistor တွေဟာ current gain နဲပေမဲ့ သူရဲ့အားနဲချက်ကို high gain NPN ၂လုံး နဲ့ buffer လုပ်ထားပေးတဲ့အတွက် input current 20nA သာလိုပါတယ်။PNP သုံးလို့ ရတဲ့အကျိုးကတော့ input volt ကို +Vs မှ -Vs အထိပေးနိင်ခြင်းဖြစ်ပါတယ်။ ဒါဟာ PNP transistor တွေရဲ့ မြင့်မားတဲ့ base-emitter breakdown volt ကြောင့်ပါ။

Q9 က ဒုတိယ gain stage ဖြစ်ပါတယ်။ Q9 ရဲ့ load က Q13 ပါ။ ဒုတိယ stageရဲ့ gain က 60dB လောက်ရပြီး stage ၂ ခုပေါင်း gain 100dB ကျော်ကျော် ရပါတယ်။

Output stage မှာ NPN Q14 နဲ့ equivalent PNP Q16-Q17 ပါဝင်ပါတယ်။ သူတို့ကို Q11 နဲ့ Q12 တိ့ဖြင့် bias လုပ်ထားပါတယ်။ short circuit protection ကိုတော့ Q15, Q16 Q9-Q10 တို့နဲ့လုပ်ထားပါတယ်။

LM101 family မှာ military ,industry နဲ့ commercial temperature range ၃ ခုခွဲပြီး LM101,LM201 နဲ့ LM301 ဆိုပြီး နံပါတ် ခွဲထုတ်ပါတယ်။

Analog circuit မှာ Operational ဟာ အလွန်အသုံးများတဲ့ IC ဖြစ်လို့ သူ့ကို electronic componentအဖြစ် လည်း မှတ်ယူနိင်ပါတယ်။ IC တွေရဲ့ internal circuit diagram များအလုပ်လုပပုံကိုနားလည်ခြင်းဟာ နောင် ဖေါ်ပြမဲ့ op amp application များကို ပိုမိုနားလည်စေနိုင်ပါတယ်။

ဆက်လက်ဖေါ်ပြပါမည်။

Operational Amplifiers - Part 3

Operational Amplifier အပိုင်း ( ၃ )

Transistor ခေတ်

Vaccum tube op-amp များကို ၁၉၅၀ ကျော်မှ ၁၉၆၀ အစောပိုင်းကာလ တွေအထိ သုံးခဲ့ကြတယ်။ Vaccum tube technology ဟာလည်း အတိုးတက်ဆုံးအဆင့် အထိ ရောက်လာခဲ့တယ်။
၁၉၄၇ ခုနှစ်မှာ Bell Labs မှ ပညာရှင်များဖြစ်တဲ့ Jhon Bardeen, Walter Brattain နဲ့ William Shockley တို့ Transistor ကိုတီထွင်ခဲ့ကြပါတယ်။ ပထမ Transfer Resistor လို့ ခေါ်ပြီးမှ နောက်ပိုင်းမှာ ပေါင်းပြီး Transistor လို့ခေါ်တာပါ။ အဲ့ဒီတီထွင်မှုအတွက် ၁၉၅၆ ခုနှစ်မှာ ရူပဗေဒ နိုဘယ်လ်ဆုကို ၃ ယောက်ပေါင်းရခဲ့ပါတယ်။
အဲ့ဒီအချိန်မှစပြီး transistor တွေရဲ့ အရည်အသွေးကို ပိုကောင်းလာအောင် ၁၀ နှစ်ကျော်လောက် လုပ်ကြရပါတယ်။ ၁၉၆၀ ကျော်မှာ transistor များကို ဈေးကွက်တင်နိုင်လာပါတယ်။ အဲ့ဒီ technology သုံးပြီး solid-state op amp တွေထုတ်ဖို့ ကုမ္ပဏီ အသစ်တွေရော၊ အဟောင်းတွေပါ ကြိုးစားလာကြရာမှာ ၁၉၆၀ကျော်မှာ အရင်တုန်းက မီးလုံး op-amp တွေထုတ်တဲ့ GAP/R က ပထမဦးဆုံး solid state op-amp ကို ထုတ်ခဲ့ပါတယ်။ အဲဒီ op-amp ကို အရင်လို +/-300V မပေးရတော့ဘဲ +/- 15Vဘဲ ပေးဘို့ လိုပါတယ်။ အဲဒီ standard ဟာ ယနေ့အထိ သုံးနေပါသေးတယ်။ ပုံ(၁) မှာပြထားတဲ့ GAP/R P65 op-amp ဟာ general purpose op-amp အမျိုးအစားဖြစ်ပြီး ၁၉၆၁ မှ ၁၉၇၁ အထိ ထုတ်လုပ်ခဲ့ပါတယ်။

ပုံ (၁) - GAP/R model P65 solid-state op amp

ရှေ့ဆုံးမှာသုံးထဲတဲ့ Q1,Q2 ဟာ differential pair ပါ။ အဲ့ဒီ၂လုံး အရည်အသွေးတူဘို့ အလွန်အရေးကြီးပါတယ်။ ဒုတိယ stage Q3-Q4 ဟာ ပထမ stage မှ signal ကို current ပိုကောင်းလာအောင် ထပ်ဆင့်ချဲ့ပေးတဲ့ နောက်ထပ် differential amplifier တခုဖြစ်ပြီး gain ပိုကောင်းလာအောင် 47k resistor တလုံးနဲ့ positive feedback ပေးထားတာ တွေ့ရမယ်။ Q5 ဟာ common emitter output stage ဖြစ်ပြီး PNP transistor ကိုသုံးထားတယ်။ သူ့ရဲ့ load ကို resistor မသုံးဘဲ Q6 ကို current source အဖြစ် သုံးထားပါတယ်။ ပြင်ပမှာဆိုရင် resistor က ဈေးပေါပြီး transistor ကဈေးကြီးပေမဲ့ ic တွေမှာ ထဲမှာဆိုရင် ပြောင်းဖြစ်တယ် ။ transistor ကဈေးပေါပြီး resistor က ဈေးပိုကြီးပါတယ်။ resistor တောင်မှ ohm များလေ ဈေးပိုကြီးလေပါ။ တခြားအကြောင်းတခုက ohm များလေ

noise များလေပါဘဲ။ ဥပမာ ကျောင်းစာအုပ်တွေမှာ common emitter amplifier တွေမှာ load ကို Rc resistor တလုံးထည့်ထားပြီး voltage gain Av=-gm Rc ဆိုပြီးတွက်ပါတယ်။ gm က trans conductance ပါ။ ဆိုလိုတာက Rc ကြီးလေ gain များလေပါဘဲ။ IC design တွေမှာတော့ Rc အစား current source သုံးပါတယ်။ ပုံ(၁) မှာ Q6 ကို current source လုပ်ထားပြီး Rc အစား သုံးထားပါတယ်။
GAP/R ကဘဲ နောက်ထပ် P45 ဆိုတဲ့ op amp တမျိုးကိုလည်း ၁၉၆၃ မှာ ထုတ်ခဲ့ပါသေးတယ်။ သူ့ circuit ကို လေ့လာနိုင်ရန် အောက်ပုံ(၂)မှာဖေါ်ပြထားပါတယ်။

ပုံ (၂) - GAP/R model 45 solid-state op amp

 P45 op amp ကို inverting mode application များအတွက်ရည်ရွယ်ပြီး design လုပ်ထားတာဖြစ်ပြီး output မှာ class AB complementary သုံးထားလို့ +- 10V နဲ့ current +-20mA ထုတ်ပေးနိုင်ပါတယ်။ အနဲဆုံး gain 50000 ရပါမယ်။ P45 ရဲ့ အထူးခြားဆုံး အရည်အသွေးကတော့ 100MHz အထိ သုံးလို့ရတာပါဘဲ။ ၁၉၆၆ မှာ P45 ရဲ့ တန်ဘိုးက $118 ဖြစ်ပါတယ်။

အခုပြောခဲ့တဲ့ op amp တွေဟာ IC OP မဟုတ်သေးပါဘူး။ Solid state modular op amp တွေဖြစ်ပါတယ်။

လွန်ခဲ့တဲ့ နှစ်ပေင်း 50,60 လောက်က တီထွင်ခဲ့တဲ့ circuit များ ဟာ ယနေ့ analog circuit များရဲ့ အခြေခံများဖြစ်ပါတယ်။ ဒါတွေကိုလေ့လာပြီး အသိဉာဏ်များတိုးပွားနိင်ပါစေ။

ဆက်လက်ဖေါ်ပြပါမည်။

ပုံ (၃) - GAP/R model PP65 potted module solid-op amp

Operational Amplifiers - Part 2

Operational Amplifier အပိုင်း (၂ )

Op-Amp မွေးဖွားလာခြင်း

ပထမဆုံး Real-Time Computer ဟာ analog-computer ပါ။ ဒီ computer ကိုသုံးပြီး တွက်ချက်မှုတွေ အလွန်လျှင်မြန်စွာလုပ်နိုင်တယ်၊ အခြား system တွေကို input data တွေ ယူပြီး control လုပ်နိုင်တယ်။ သူ့ရဲ့ programming language ကတော့ ဝါယာကြိုး၊ ဂဟေဆော်တဲ့ ဂေါက်နဲ့ circuit တွေပါ။ အဲ့ဒါကြောင့်လည်း နောက်ပိုင်းမှာ analog computer ကို လူကြိုက်နဲသွားပါတယ်။ analog computer ရဲ့ cpu ကတော့ op-amp ပါ။ သူ နဲ့ အခြား components များစွာနဲ့တွဲလိုက်ရင် တွက်ချက်မှု အမျိုးအစား မျာစွာ လုပ်နိုင်ပါတယ်။ အဲ့ဒီခေတ်က op-amp တွေဟာ vaccum tubes တွေနဲ့ လုပ်ရလို့ အရွယ်အစားကြီးပြီး power သုံးစွဲမှုများပေမဲ့ ပေးရတာနဲ့တန်တယ်လို့ လက်ခံပြီး သုံးကြပါတယ်။
ပထမဆုံး Real-Time Computer ဟာ analog-computer ပါ။ ဒီ computer ကိုသုံးပြီး တွက်ချက်မှုတွေ အလွန်လျှင်မြန်စွာလုပ်နိုင်တယ်၊ အခြား system တွေကို input data တွေ ယူပြီး control လုပ်နိုင်တယ်။ သူ့ရဲ့ programming language ကတော့ ဝါယာကြိုး၊ ဂဟေဆော်တဲ့ ဂေါက်နဲ့ circuit တွေပါ။ အဲ့ဒါကြောင့်လည်း နောက်ပိုင်းမှာ analog computer ကို လူကြိုက်နဲသွားပါတယ်။ analog computer ရဲ့ cpu ကတော့ op-amp ပါ။ သူ နဲ့ အခြား components များစွာနဲ့တွဲလိုက်ရင် တွက်ချက်မှု အမျိုးအစား မျာစွာ လုပ်နိုင်ပါတယ်။ အဲ့ဒီခေတ်က op-amp တွေဟာ vaccum tubes တွေနဲ့ လုပ်ရလို့ အရွယ်အစားကြီးပြီး power သုံးစွဲမှုများပေမဲ့ ပေးရတာနဲ့တန်တယ်လို့ လက်ခံပြီး သုံးကြပါတယ်။
Analog computer ကို အဲ့ဒီအချိန်က တက္ကသိုလ်များ၊ company ကြီးများရဲ့ စမ်းသပ်ခန်းများမှာ အသုံးပြုကြတယ်။ အလွန်သေးငယ်တဲ့ signal များကို အတိတကျ ချဲ့ပေးခြင်း၊ signal မှ noise များ ဖယ်ထုတ်ခြင်၊ wave များပုံသွင်းခြင်၊ wave form အမျိုးမျိုး ထုတ်လုပ်ခြင်း ..... စတဲ့ analog signal processing တွေလုပ်တဲ့နေရာမှာ အလွန် အသုံးဝင်တာမို့ နောက်ပိုင်း analog computer တွေကို digital computer တွေနဲ့ အစားထိုးလာပြီး နောက်မှာတောင်မှ op-amp အသုံးဟာ လျှော့မသွားဘဲ ပိုလို့တောင် တွင်ကျယ်လာပါတယ်။

မီးလုံးခေတ်

အဲ့အချိန်က Amplifier ဆိုတာ vaccum tube ခေါ်တဲ့ မီးသီး သို့ မီးလုံးတွေနဲ့တည်ဆောက်ကြပါတယ်။ မီးလုံဆိုတာ အိမ်မှာမီးထွန်းတဲ့ မီးလုံး မဟုတ်ပါ။ signal ကိုချဲ့နိုင်ရန် electrode များပါသော active electronic device ဖြစ်ပါတယ်။ transistor တွေပေါ်လာတဲ့အထိ မီးလုံးတွေနဲ့ဘဲ electronic circuit တွေ တည်ဆောက်ကြရတာပါ။ နောက်ပိုင်းမှာ ပိုမိုသေးငယ်တဲ့ မီးလုံးများ တီထွင်နိုင်လာခြင်း၊ မီးလုံးတခုထဲမှာ မီးလုံး အများအပြား ပေါင်းထည့်လာနိုင်ခြင်းတို့ကြောင့် op-amp အရွယ်အစားဟာ အိမ်ဆောက်ရင်သုံးတဲ့ အုတ်ခဲအရွယ်အထိ သေးငယ်လာပါတယ်။ဒါကြောင့် op-amp ကို bricks ဆိုပြီး နာမည်ပြောင်ဖြင့် ခေါ်ကြပါတယ်။
ပထမဆုံး စီးပွားဖြစ်ထုတ်ရောင်းတဲ့ op-amp ကို ၁၉၅၂ မှာ George A. Philbrick Research ဆိုတဲ့ ကုမ္ပဏီက စရောင်းပါတယ်။Model က K2-W ပါ။ ပုံ(၁) မှာကြည့်ပါ။ အဲ့ဒီ op-amp မှာ မီးလုံ၂လုံး၊ resistor ၁၀ လုံးနဲ့ capacitor ၂ လုံးပါဝင်ပါတယ်။(schematic diagram ကိုကြည့်ပါ) မီးလုံးတလုံးစီမှာ Triode ၂ လုံးပါဝင်ပါတယ်။ triode မီးလုံး အလုပ်လုပ်ပုံ နားမလည်ရင် မီးလုံးနေရာမှာ N Channel Depletion Mode MOSFET ကို အစားသွင်း စဉ်းစားလို့ ရပါတယ်။ Triode မီးလုံးတလုံး ပုံ(၂) မှာ Plate,Grid နဲ့ Cathode လို့ခေါ်တဲ့ electrode ၃ ခုပါဝင်ပါတယ်။ Plate နဲDrain, Grid နဲ့ Gate , Cathode နဲ့ Source အလုပ်လုပ်ပုံတူပါတယ်။

ပုံ (၁) - Vaccuum Tube OpAmp များ

ပုံ (၂) - Triode မီးလုံး

ပုံ (၃) - K2W Schematic Diagram

ပုံ(၃) မှာ +300V နဲ့ ဆက်ထားတာက Plate ဖြစ်ပြီး -300 Vနဲ့ ဆက်ထားတာက Cathode နဲ့ မျဉ်းအစက်တွေနဲ့ပြထားတာက Grid တို့ဖြစ်ပါတယ်။

Schematic မှာကြည့်ရင် ဘယ်ဘက်အစွန်ဆုံးက မီးလုံး ၂ လုံးကို differential pair ပုံစံနဲ့ ဆက်ထားပါတယ်။ အဲ့ဒီ pair ရဲ့ input ၂ ခုကို inverting နဲ့ non-inverting input တွေလို့ခေါ်ပါတယ်။ ယနေ့ခေတ် op-amp တွေ အတိုင်းပါဘဲ။

K2W op-amp ဟာ +/-300 V dual supply နဲ့ အလုပ်လုပ်ပြီး output ဟာ +/-50V သာထွက်နိုင်တဲ့အတွက် ယနေ့standard နဲ့ကြည့်ရင် အတော်နဲပါတယ်။ open loop gain ဟာ 15000 မှ 20000 ကြားလောက်ရှိပါတယ်။ slew rate( output volt ပြောင်းနှုန်း) +/-12V/us ရှိပြီး output မှ 1mA အထိ ထုတ်ပေးနိုင်ပါတယ်။ signal အဝင် အထွက် မရှိချိန်မှာ 3W လောက် Power သုံးပါတယ်။ ဒါတောင် heater အတွက်ပေးရတဲ့ power မပါသေးပါ။

အဲ့ဒီ op-amp ကို 1952 ဒေါ်လာဈေးနဲ့တွက်ရင် $24 ပေးရပါတယ်။

ဆက်လက်ဖေါ်ပြပါမည်

Operational Amplifiers - Part 1

Operational Amplifier အပိုင်း ၁

Operational amplifier ကို op-amp လို့ ခေါ်လေ့ရှိပါတယ်။ အဲ့ဒီ အမည်ကို ၁၉၄၇ မှာ Jhon R. Ragazzini က ပေးခဲ့တာပါ။ Op-amp တွေဟာ analog နဲ့ analog-digital mixed signal processing တွေမှာ မပါမပြီးသလောက် အသုံးများလှပါတယ်။

 Operational Amplifiers

operational amplifier ဆိုတာ ဘာလဲ?

Amplifier ဆိုတာ အားနဲတဲ့ electronic signal တွေကို အားကောင်းလာအောင် ချဲ့ပေးတဲ့ electronic circuit ဖြစ်ပါတယ်။ Amplifier တခု ရဲ့စွမ်းရည်ကို power gain နဲ့တိုင်ပါတယ်။ amplifier ဖြစ်ဘို့ power gain 1 ထက်ကြီးရပါမယ်။
Operation ဆိုတာ Mathematical operation ကို ဆိုလိုပါတယ်။ ဒါကြောင့် operational amplifier ဆိုတာ 
ပေါင်းချင်း၊နှုတ်ခြင်း၊မြှောက်ခြင်း၊စားခြင်း၊ integrate differentiate ........စတဲ့ အလုပ်တွေလုပ်နိုင်တဲ့ amplifier အမျိုးအစားပါ။ တနည်း အားဖြင့် analog computer ပါ။ computer ဖြစ်တဲ့ အတွက် analog processing တိုင်းလိုလိုမှာ အသုံးဝင်ပါတယ်။ 

Operational Amplifier ဖြစ်ပေါ်လာပုံ

amplifier ကို ဟိုတုန်းက telephone နဲ့ radio တွေမှာ အသုံးများပါတယ်။ အလွန်ဝေးတဲ့ အကွာအဝေးကိုရောက်နိုင်ရန် အားနဲတဲ့ signal ကို amplifier အဆင့်ဆင့်နဲ့ ချဲ့ရပါတယ်။ signal အားကောင်းလာပေမဲ့လည်း ပုံပျက်လာပါတယ်။ signal အားကောင်းလာလေ amplifier တွေရဲ့ linear မဖြစ်မှုကြောင့် distortion တွေဖြစ်တာပါ။

Amplifier တွေကို linear ဖြစ်အောင်လုပ်နည်းကို Bell Labs က အင်ဂျင်နီယာ တယောက်ဖြစ်တဲ့ Harold Black ပုံ(၁) က ၁၉၂၇ မှာ တွေ့ရှိပါတယ်။ အဲ့ဒါက negative feedback နည်းပါ။ negative feedback ဟာ amplifier တွေရဲ့ distortion ကို လျှော့ချနိုင်ပေမဲ့ ပြဿနာတွေရှိပါတယ်။ ပထမတချက်က gain များစွာကို အသုံးပြုရတဲ့အတွက် ချဲ့အားကောင်းတဲ့ amplifier တွေလိုပါတယ်။ အဲ့ဒီအချိန်က gain များများရဘို့ဆိုတာ အလွန်ကုန်ကျစရိတ်များပါတယ်။ ဒုတိယတချက်က ပိုဆိုးပါတယ်။ oscillation ဖြစ်တဲ့ပြဿနာပါ။ negative feedback ဟာ gain များလာရင် stable မဖြစ်တော့ပါ။ 1940 လောက်မှ အထိ ပညာရှင်အများစုဟာ ဒီပြဿနာကို သေချာစွာနားလည်ကြပေမဲ့ မရှင်းနိုင်ခဲ့ပါ။

၁၉၄၅ မှာ H.W Bode ပုံ(၂) က feedback system တခုကို stable ဖြစ်မဖြစ် graph ဆွဲပြီး စစ်ဆေးတဲ့နည်း ကို ဖေါ်ပြခဲ့ပါတယ်။Bode ကလည်း Bell Labs ကပါဘဲ။ bode plots လို့ လူသိများပါတယ်။ အဲ့ဒီအချိန်ကစပြီး operational amplifier ကို ပိုနားလည်လာကြပြီး အသုံပြုရလည်း လွယ်လာတဲ့အတွက် သုံးတဲ့သူများလာပါတယ်။
ဆက်လက်ဖေါ်ပြပါမည်။

ပုံ(၁) Harold Black

ပုံ(၂) Hendrik Wade Bode

Voltage Regulators - 2

Voltage Regulators

Zener voltage regulator ဟာ shunt voltage regulator တမ်ိဳးျဖစ္ပါတယ္။ zener voltage regulator ေတြဟာ လုပ္ရလြယ္ၿပီး ေစ်းသက္သာတာေၾကာင့္ အသံုးမ်ားပါတယ္။ shunt voltage regulator ေတြရဲ႕ ေကာင္းတဲ့အခ်က္တခုကေတာ့ load current ေျပာင္းလဲမႈ့ကို source ကမသိေအာင္ ေဖ်ာက္ေပးထားႏိုင္တာပါ။ load current ေျပာင္းလဲမႈဟာ source current ကို မေျပာင္းေစႏိုင္တာေၾကာင့္ noise နဲေစပါတယ္။ shunt regulator ရဲ႕ အားနဲခ်က္ကေတာ့ current နဲနဲသာ သံုးႏိုင္တာပါဘဲ။ Load current မ်ားမယ္ ဒါမွမဟုတ္ input voltage ေျပာင္းလဲမႈမ်ားမယ္ဆိုရင္ zener diode ရဲ႕ power dissipation လိုအပ္ခ်က္မ်ားလာၿပီး ဝယ္ရလဲ ခက္လာပါတယ္။ ဒါကိုေက်ာ္လႊားႏိုင္တဲနည္း ၂ ခုရွိပါတယ္။

၁။ Zener ရဲ ခံႏိုင္တဲ့ current ကို BJT သို႔ MOSFET သံုးၿပီး ျမႇင္တင္တဲ့နည္းပါ။ ဒါကို Super zener circuit လို႔လဲေခၚပါတယ္။ ပံု(၁)

ပုံ(၁)

zener ကို transistor ရဲ႕ base နဲ႔ collector ၾကားမွာ series ဆက္သံုးျခင္းျဖင့္ zener ရဲ႕ ခံႏိုငမဲ့ Izmax ကို transistor ရဲ႕ current gain နဲ႔ တိုးေအာင္လုပ္ေပးႏိုင္ပါတယ္။ ဒီ Super zener ရဲ႕ Izmax ဟာ zener တခုထဲရဲ Izmax ထက္ β+1 အဆႀကီးပါတယ္။ β ဆိုတာ bjt ရဲ႕ current gain ပါ။ Vz= Vz + Vbe ရပါမယ္။
Vbe ဟာ transistor အမ်ိဳးအစားနဲ႔ base current ေပၚလိုက္ၿပီး 0.6 မွ 0.9 အထိရွိႏိုင္ပါတယ္။ power ပိုလိုခ်င္ရင္ darlinton pair သံုးႏိုင္ပါတယ္။ Izmax ဟာ ≈ β² ျဖစ္သြားပါမယ္။ Vz ≈ Vz + 2 Vbe ေလာက္ျဖစ္သြားပါမယ္။ Vbe တိုးသြားတာကို zener volt ေလွ်ာ့ၿပီး ျပင္ႏိုင္ေပမဲ့ Vbe ဟာ အပူခ်ိန္ေပၚ လိုက္ေျပာင္းတာမို႔ voltage regulation ကို က်ဆင္းေစပါတယ္။

Shunt Voltage Regulator Design Example

Design လိုအပ္ခ်က္ေတြက

Vo = 5 V

ILmax = 500 mA

ILmin = 10 mA

Vimax = 15 V

Vimin = 10 V

Vo = 5 V

Zener မပ်က္ေစရန္

Rs = ( Vimax-Vz)/(0.9 Izmax + ILmin)

Zener Dry မျဖစ္ေစရန္

Rs = ( Vimax-Vz)/(0.1Izmax + ILmax)

မွာ အစားထိုးတြက္ၾကည့္ရင္ ( Vo = Vz )

Izmax = 1.4143 Amp ရပါမယ္။

Rs = 7.7951 Ohm ရတဲ့အတြက္ အနီးစပ္ဆံုး E24 series ထဲမွ 7.5 Ohm သံုးပါမယ္။

Resistor ရဲ႕ ခံႏိုင္ရမဲ့ Power ကို တြက္ၾကည့္ရင္

P = (Vinmax - Vz)2 / Rs = 13.3 W ျဖစ္တဲ့ အတြက္ 15 W Resistor သံုးရပါမယ္။

လိုအပ္တဲ့ Zener ရဲ႕ power dissipation ကိုတြက္ၾကည့္ရင္

Pd = Vz Izmax = 7.015 Watts ရပါမယ္။

ပံု (၂) Zener Power Dissipation အမ်ားဆံုး အေျခအေန

ပံု (၃)Zener Dry ျဖစ္မည့္ အေျခအေန

Voltage Regulators - 1

Zener Voltage Regulator Design

Zener diode ကို voltage regulator နဲ႔ voltage reference တို႔မွာ အသံုးမ်ားပါတယ္။ zener diode ကို အသံုးျပဳတဲ့အခါ reverse biased ေပးၿပီးသံုးရပါတယ္။ zener diode ဟာ breakdown ျဖစ္ေနခ်ိန္မွာ သူ႔ရဲ႕ volt ဟာ ေတာ္ေတာ္ေလးတည္ၿငိမ္ပါတယ္။ ဒါေၾကာင့္ zener diode တလံုးကို အသံုးျပဳမယ္ဆိုရင္ diode ကို breakdown ျဖစ္ေအာင္ လုပ္ထားရပါတယ္။ breakdown ျဖစ္တယ္ဆိုတိုင္း diode ပ်က္တာမဟုတ္ပါဘူး။ သူခံႏိုင္တဲ့ power ကို ကန္႔သတ္ေပးထားရင္ မပ်က္ပါဘူး။ ဒါေၾကာင့္ zener diode တလံုးကို သံုးေတာ့မယ္ဆိုရင္

- zener breakdown volt Vz
- power dissipation Pd

တို႔ကိုသိထားရပါမယ္။Vz ကိုေတာ့ E24 series နဲ႔ ထုတ္ေလ့ရွိပါတယ္။

ပုံ(၁) - Zener Diode Characteristics

Zener Regulator circuit ကိုၾကည့္ပါ ပုံ(၂)။ Vi ဟာ input volt ျဖစ္ၿပီး Vz က zener volt ျဖစ္ပါတယ္။ R1 က zener မပ်က္ေအာင္ current သတ္မွတ္ေပးတဲ့ current limiter ျဖစ္ၿပီး RL ကေတာ့ load resistor ပါတယ္။ I1 က R1 ကိုျဖတ္စီးတဲ့ input current ျဖစ္ၿပီး IL က load current နဲ႔ Iz ကေတာ့ zener diode ထဲစီးတဲ့ current ျဖစ္ပါတယ္။ဒီေနရာ မွာ KCL ေရးၾကည့္ရင္

l1= lz + IL --------------- ( 1 ) 

နဲ KVL ေရးၾကည့္ရင္

I1 = ( Vi - Vz )/ R1 ---------------( 2 )

ရပါမယ္။ eq 1 နဲ႔ 2 ကို ေပါင္းေရးရင္

R1 = ( Vi - Vz )/( Iz + IL ) -----------------( 3 )

ရပါတယ္။ဒါဟာ zener voltage regulator အတြက္ အေျခခံ ပံုေသနည္းပါ။ design လုပ္တဲ့ အခါ အစြန္း၂ ခုကို စဥ္းစားရပါမယ္။ ပထမတခုက zener ပ်က္သြားေလာက္ေအာင္ current မစီးေစဘို႔နဲ႔ ဒုတိယအခ်က္က zener current zero ျဖစ္မသြားဘို႔ပါဘဲ။ zener current zero ျဖစ္သြားရင္ dry ျဖစ္သြားတယ္လို႔ေျပာေလ့ရွိၿပီး zener off ျဖစ္သြားတဲ့အတြက္ လိုခ်င္တဲ့ volt ရမွာမဟုတ္ပါ။ ဒါေၾကာင့္ zener ထဲစီးမဲ့ current minimum နဲ႔ maximum ကို သတ္မွတ္ေပးဘို႔လိုပါတယ္။ zener တလံုးရဲ႕ အမ်ားဆံုး ခံႏိုင္မဲ့ current ကို zener volt နဲ႔ power dissipation မွ တြက္ယူႏိုင္ပါတယ္။

Izmax = Pd/Vz------------------ ( 4 )

design လုပ္တဲ့အခါ အဲဒီ current ရဲ႕ 10% နဲ႔ 90% ၾကားမွာရွိေအာင္လုပ္ႏိုင္ပါတယ္။

ပုံ(၂) - Zener Regulator Circuit

Zener မပ်က္ေအာင္ျပဳလုပ္ျခင္း။

zener current ဟာ 0.9Izmax ထက္မေက်ာ္ေစရပါ။ IL မေျပာင္းရင္ Vi မ်ားလာေလ Iz မ်ားလာေလ ျဖစ္တဲ့အတြက္ အဆိုးဆံုးအေျခအေနကိုခံႏိုင္ေစဘို႔ဆိုရင္ ျဖစ္ႏိုင္တဲ့ input volt အမ်ားဆံုးတန္ဘိုးကိုသိထားရပါမယ္ Vimax လို႔ ထားပါ။ တခါ Vi မေျပာင္းရင္ IL ေပၚလိုက္ၿပီး Iz ေျပာင္းပါတယ္။IL နဲေလ Iz မ်ားေလပါ။အဆိုးဆံုးအေျခအေနကိုခံႏိုင္ဘို႔ဆိုရင္ ကိုယ္သံုးမဲ့ အနဲဆံုး load current ကို သိရပါမယ္။ ILmin လို႔ထားပါ။ ဒါေၾကာင့္ အဆိုးတကာ့အဆိုးဆံုးအေျခအေနကို ခံႏိုင္ရန္ R1 ရဲ႕တန္ဘိုးဟာ

R1 = ( Vimax - Vz )/( 0.9Izmax - ILmin ) ----------------- ( 5 )

ျဖစ္ရပါမယ္။

Dry မျဖစ္ေအာင္ျပဳလုပ္ျခင္း။

Zener regulator တမွာ zener current zero ျဖစ္သြားရင္ အလုပ္မလုပ္ေတာ့ပါ။ Vi နဲလာရင္ Zener current က်လာၿပီး load current မ်ားလာရင္လည္း zener current က်လာပါမယ္။ ဒါေၾကာင့္ ကိုယ္သံုးမဲ့ေနရာမွာ input volt အနဲဆံုး Vimin ရွိလည္းသိထားရမဲ့အျပင္ ကိုယ္သံုးမဲ့ load current အမ်ားဆံုးတန္ဘိုး ILmax ကိုလည္း သိထားရပါမယ္။ အဆိုးဆံုးအေျခအေနမွာ အလုပ္လုပ္ေစဘို႔ဆိုရင R1 ရဲ႕တန္ဘိုးဟာ

R1 = ( Vimin - Vz )/( 0.1Izmax - ILmax ) ------------------( 6 )

ျဖစ္ရပါမယ္။

eq 5 နဲ႔ eq 6 ကို ညီမွ်ခင္ခ်ၿပီး ရွင္လိုက္ရင္ Izmax ရပါမယ္။ Izmax တန္ဘိုးကို eq 5 သို႔ eq 6 မွာ အစားထိုးရင္ R1 တန္ဘိုးရႏိုငပါတယ္။ Vz နဲ Izmax ေျမႇက္ရင္ သံုရမယ့္ zener ရဲ႕ power ကို သိပါမယ္။ တခုသတိထားရမွာက zener ရဲ႕ power 1W ထက္ေက်ာ္ရင္ ဝယ္ရခက္တဲ့အတြက္ Transistor , op-amp မ်ားနဲ႔တြဲၿပီး power ျမႇင့္ေပးရပါမယ္။

အတိုခ်ဳပ္ေျပာရရင္ zener voltage regulator တခု design လုပ္ဘို႔ အတြက္ သိထားရမွာက ...
၁။ လိုခ်င္တဲ့ volt ( Vz )
၂။ input volt အမ်ားဆံုး နဲ႔ အနဲဆံုးတန္ဘိုး
၃။ သံုးမယ့္ load current အနဲဆံုးနဲ႔ အမ်ားဆံုးတန္ဘိုး

တြက္ထုတ္ရမွာက
၁။ R1 တန္ဘိုး
၂။ သံုးရမယ့္ zener diode ရဲ႕ power dissipation ျဖစ္ပါတယ္။