What You’ll Learn

บทความนี้จะช่วยให้เข้าใจแนวคิดของ Virtual Ground อย่างถูกต้อง ตั้งแต่ความแตกต่างระหว่าง Virtual Ground, Virtual Ground Potential และ Virtual Short ไปจนถึงการนำแนวคิดนี้มาประยุกต์ใช้กับ Op Amp และ Rail Splitter เพื่อสร้างแรงดันกึ่งกลางจากแหล่งจ่ายแบบ Single Supply และนำมาใช้เป็นจุดอ้างอิงสำหรับวงจรที่ต้องรองรับสัญญาณทั้งด้านบวกและด้านลบ

ในการออกแบบวงจรอิเล็กทรอนิกส์ ปัญหาหนึ่งที่พบได้บ่อยคือ วงจรบางส่วนต้องการแรงดันไฟเลี้ยงแบบไบโพลาร์ (+V/−V) แต่ระบบที่เราใช้งานมีแหล่งจ่ายเพียงแบบ Single Supply เช่น 5 V, 12 V หรือ 15 V

แล้วทำไมวงจรจึงต้องการแรงดันทั้งด้านบวกและด้านลบ?

เหตุผลอยู่ที่ลักษณะของสัญญาณ Analog ที่วงจรต้องนำมาประมวลผล โดยสัญญาณบางประเภทสามารถเปลี่ยนแปลงได้ทั้งด้านบวกและด้านลบ เช่น สัญญาณที่มีการแกว่งขึ้นและลงรอบระดับแรงดันอ้างอิง ซึ่งโดยทั่วไปอาจกำหนดให้ 0 V หรือ Ground เป็นจุดอ้างอิงของระบบ วงจรที่ใช้ไฟเลี้ยงแบบ +V และ 0 V (GND) อาจไม่สามารถรองรับสัญญาณด้านลบได้โดยตรง

แต่ในระบบ Embedded สมัยใหม่ แหล่งจ่ายไฟแบบ Single Supply กลับเป็นสิ่งที่พบได้บ่อยกว่า เนื่องจากระบบส่วนใหญ่ใช้ไฟเลี้ยงจากแหล่งจ่ายเพียงชุดเดียว เช่น 3.3 V, 5 V หรือ 12 V การเพิ่มแหล่งจ่ายไฟด้านลบอีกชุดจึงอาจทำให้วงจรมีความซับซ้อนมากขึ้น ทั้งในด้าน Power Supply, พื้นที่บน PCB ต้นทุน และการจัดการระบบไฟเลี้ยง

ทำอย่างไรให้ Single Supply รองรับสัญญาณบวกและลบ?

วิธีแก้ปัญหาคือ ไม่จำเป็นต้องเพิ่มแหล่งจ่ายไฟสำหรับสร้างแรงดันลบขึ้นมาใหม่ แต่สามารถนำแรงดัน Single Supply ที่มีอยู่มาแบ่งให้เกิดเป็นแรงดันกึ่งกลาง แล้วใช้จุดนี้แทน 0 V ของวงจร

ตัวอย่างเช่น หากแหล่งจ่ายมีค่า VDD = 5 V เราสามารถสร้างแรงดันกึ่งกลางที่ 2.5 V และกำหนดให้ 2.5 V นี้เป็น 0 V ใหม่ หรือ Virtual Ground

เมื่อมองแรงดันโดยอ้างอิงจาก Virtual Ground จุดด้านบนจะมีค่า +2.5 V ส่วนจุดด้านล่างจะมีค่า −2.5 V ดังนั้น แหล่งจ่าย 5 V เดิมจึงสามารถนำมาใช้งานในลักษณะที่เทียบเท่ากับแหล่งจ่ายแบบ ±2.5 V ได้

แนวคิดในการแบ่งแรงดันเพื่อสร้าง Virtual Ground นี้เรียกว่า Rail Splitter

อย่างไรก็ตาม การสร้าง Virtual Ground ไม่ได้หมายความว่าเราสามารถนำตัวต้านทานสองตัวมาแบ่งแรงดันแล้วจบได้เสมอไป เพราะจุดอ้างอิงใหม่นี้ต้องทำหน้าที่เสมือนเป็น “Ground” ของวงจร และในทางปฏิบัติจะมีกระแสไหลเข้าและออกจากจุดดังกล่าว

ดังนั้น Virtual Ground ที่ดีจึงต้องสามารถ จ่ายกระแส (Source Current) และรับกระแส (Sink Current) ได้ พร้อมทั้งต้องรักษาระดับแรงดันให้คงที่เมื่อโหลดเปลี่ยนแปลง และต้องมีเสถียรภาพเมื่อเอาต์พุตต่อกับตัวเก็บประจุ Decoupling

นี่คือเหตุผลที่การใช้ Op Amp เป็น Rail Splitter จึงน่าสนใจ เพราะ Op Amp สามารถทำหน้าที่เป็น Buffer เพื่อสร้างจุด Virtual Ground ที่มี Impedance ต่ำและสามารถรองรับการเปลี่ยนแปลงของโหลดได้ดีกว่าการใช้ Resistor Divider เพียงอย่างเดียว

สร้าง Virtual Ground ด้วย Op Amp

Rail Splitter ที่ดีไม่ได้มีหน้าที่เพียงสร้างแรงดัน VDD/2 เท่านั้น แต่ต้องสามารถ จ่ายกระแส (Source) และ รับกระแส (Sink) จากโหลดได้ด้วย นอกจากนี้ยังต้องมีเสถียรภาพเมื่อเอาต์พุตต่อเข้ากับตัวเก็บประจุสำหรับ Decoupling ซึ่งเป็นลักษณะเดียวกับที่พบในภาคจ่ายไฟเลี้ยงทั่วไป

วิธีหนึ่งที่สามารถใช้สร้าง Virtual Ground ได้คือ การนำ Operational Amplifier (Op Amp) มาต่อเป็นวงจร Unity-Gain Buffer

อินพุตของ Op Amp ถูกกำหนดด้วยวงจรแบ่งแรงดันแบบตัวต้านทาน โดยตั้งค่าให้แรงดันอยู่ที่ครึ่งหนึ่งของไฟเลี้ยง หรือ VDD/2

ในวงจรตัวอย่าง รูปที่ 2 ตัวต้านทาน Divider ถูกต่อร่วมกับตัวเก็บประจุ C3 เพื่อช่วยลดผลกระทบจาก Noise และ Ripple ที่เกิดขึ้นบน VDD ส่วน R3 ทำหน้าที่จำกัดกระแสที่อาจไหลเข้าสู่ขา Non-inverting ของ Op Amp

กระแสดังกล่าวอาจเกิดขึ้นในช่วงที่ VDD กำลังเพิ่มหรือลด รวมถึงช่วงที่ตัวเก็บประจุ C1, C2 และ C3 กำลังชาร์จหรือคายประจุ

ผลที่ได้คือเอาต์พุตของ Op Amp จะมีค่า

อย่างไรก็ตาม ในการใช้งานจริง เอาต์พุตของ Buffer จำเป็นต้องต่อกับตัวเก็บประจุ Decoupling เพื่อช่วยรักษาเสถียรภาพของแรงดัน Virtual Ground เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงของโหลด แต่ตัวเก็บประจุที่ต่ออยู่กับเอาต์พุตก็กลายเป็น Capacitive Load ที่อาจส่งผลต่อเสถียรภาพของ Op Amp ได้เช่นกัน

ดังนั้น การเลือก Op Amp จึงเป็นปัจจัยสำคัญของวงจรประเภทนี้

OPA994 กับความสามารถในการขับ Capacitive Load

สำหรับกรณีศึกษานี้ เลือกใช้ OPA994 ซึ่งเป็น Op Amp ที่ออกแบบมาให้มีเสถียรภาพแม้ต้องขับโหลดที่มีค่าความจุสูง

OPA994 สามารถตรวจจับลักษณะของ Capacitive Load ที่ต่ออยู่กับเอาต์พุต และปรับ Compensation หรือวงจรชดเชยภายใน ให้เหมาะสมกับโหลดโดยอัตโนมัติ ช่วยให้ Op Amp ยังคงมีเสถียรภาพแม้ต้องขับตัวเก็บประจุเอาต์พุตขนาดใหญ่ โดยไม่เกิดอาการ Oscillation

นอกจากเรื่องเสถียรภาพแล้ว OPA994 ยังสามารถรักษาแรงดันเอาต์พุตให้อยู่ใกล้ VDD/2 ได้ แม้ต้องจ่ายหรือรับกระแสในระดับหลายสิบมิลลิแอมป์ (mA) ซึ่งสามารถดูแนวโน้มความสามารถดังกล่าวได้จากกราฟใน Datasheet ที่ระบุผลการทำงานสำหรับค่า VDD ต่าง ๆ

หากพิจารณาผลกระทบจากอุณหภูมิ ความผันผวนของแรงดันไฟเลี้ยง รวมถึงกรณีที่อุปกรณ์ต้อง Source (จ่ายกระแสออก) หรือ Sink (รับกระแสเข้า) ค่ากระแสสูงสุดที่แนะนำให้ใช้งานอย่างปลอดภัยอยู่ที่ประมาณ ±30 mA

ตรวจสอบเสถียรภาพด้วยการจำลอง Bode Plot

ทีมออกแบบได้จำลองวงจร Rail Splitter ที่ใช้ OPA994 ด้วยโปรแกรม TINA-TI เพื่อประเมินเสถียรภาพของวงจรใน โดเมนความถี่ (Frequency Domain) หรือดูการตอบสนองของวงจรในช่วงความถี่ต่าง ๆ

ผลจาก Bode Plot ในรูปที่ 3 แสดงให้เห็นว่าวงจรมีเสถียรภาพ โดยมี Phase Margin 66.7° ที่ Crossover Frequency 16.65 kHz ซึ่ง Crossover Frequency คือความถี่ที่อัตราขยายของวงจรลดลงมาถึง 1 เท่า ส่วน Phase Margin คือค่าระยะเผื่อทางเฟสที่ใช้บอกความมั่นคงของวงจร ยิ่งมีค่ามาก วงจรก็ยิ่งมีความเสี่ยงที่จะเกิดการ Oscillation (การสั่น) น้อยลง

เพื่อให้ได้เสถียรภาพดังกล่าว OPA994 จะปรับลด Bandwidth ของตัวเองจากประมาณ 18 MHz เหลือ 16.65 kHz ตามลักษณะของโหลดที่ต่ออยู่ที่เอาต์พุต

ทดสอบการตอบสนองต่อ Load Transient

นอกจากการวิเคราะห์ในโดเมนความถี่แล้ว ยังมีการจำลองการทำงานในโดเมนเวลา (time-domain) ของวงจรใน Figure 1 โดยใช้โหลดที่เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว หรือ Load Transient เพื่อดูว่าแรงดัน Vsplit จะเบี่ยงเบนไปมากเพียงใดเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงของโหลด

ในการทดลองจำลอง มีการต่อโหลดแบบ Resistive ขนาด 120 Ω ระหว่าง Vsplit กับ 0 V เดิม โดย ต่อโหลดเข้าที่เวลา
t = 2 ms และถอดออกที่เวลา t = 6 ms ขณะเดียวกัน มีโหลดขนาด 120 Ω อีกตัวต่อระหว่าง VDD กับ Vsplit ซึ่ง ต่อเข้าที่เวลา t = 4 ms และถอดออกที่เวลา t = 8 ms

สำหรับแรงดัน 2.5 V โหลดขนาด 120 Ω จะทำให้เกิดกระแส Transient ประมาณ

จุดประสงค์ของการจำลองนี้คือ เพื่อดูว่าแรงดัน Vsplit เบี่ยงเบนจากค่าที่กำหนดมากน้อยเพียงใด และตรวจสอบเสถียรภาพของวงจรจากลักษณะการตอบสนองที่เรียกว่า Damped Response ซึ่งสัญญาณอาจเกิดการแกว่งหลังจากโหลดมีการเปลี่ยนแปลง แต่ขนาดของการแกว่งจะค่อย ๆ ลดลงจนกลับเข้าสู่ค่าปกติ โดยไม่เกิด Oscillation หรือการแกว่งอย่างต่อเนื่องของสัญญาณ

สำหรับการจำลอง ได้กำหนดการเปลี่ยนแปลงของโหลดไว้ในระดับสูงกว่าที่มักพบในการใช้งานจริง เพื่อทดสอบการตอบสนองของวงจรในกรณี Worst Case เมื่อเกิด Load Transient ที่มีขนาดสูง

จากผลการจำลองจะเห็นว่า Vsplit มีการตอบสนองที่มีเสถียรภาพและเป็น Damped Response โดยแรงดันเอาต์พุตเบี่ยงเบนประมาณ 9 mV เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงของโหลด 21 mA ทั้งในกรณีที่วงจรต้อง Source หรือ Sink กระแส และใช้เวลา Recovery Time เพียง 0.37 ms ก่อนที่แรงดันจะกลับเข้าสู่ค่าปกติ

ใช้ Virtual Ground เป็นจุดอ้างอิงให้ Op Amp อีกตัว

ในการใช้งานจริง โหลดที่ต่ออยู่กับ Rail Splitter อาจเป็นวงจร Signal Chain ที่ประกอบด้วย Op Amp หลายตัว

ใน รูปที่ 5 ได้จำลองการใช้ OPA171 โดยกำหนดให้เอาต์พุต Vsplit ของ OPA994 ทำหน้าที่เป็น Virtual Ground สำหรับ OPA171

OPA171 ถูกต่อเป็นวงจร Inverting Amplifier ที่มี Gain เท่ากับ –100

สัญญาณอินพุต VIN เป็น Sine Wave ขนาด ±20 mV peak และใช้ Vsplit เป็นจุดอ้างอิงเช่นเดียวกัน

ผลการจำลองใน รูปที่ 6 แสดงให้เห็นว่า OPA994 ต้องจ่ายหรือรับกระแสเพียงเล็กน้อย ประมาณ ±20 µA เท่านั้น และผลกระทบที่เกิดขึ้นกับ Vsplit มีขนาดเล็กมากจนแทบไม่มีนัยสำคัญ

กระแส Quiescent หรือกระแสที่วงจรใช้ในสภาวะปกติขณะไม่มีการขับโหลดภายนอกของ OPA171 จะไหลจาก VDD ไปยัง 0 V(GND) เดิม ขณะที่กระแสที่ OPA994 ต้อง Source หรือ Sink ผ่าน Split Rail จะเกิดจากการเปลี่ยนแปลงของสัญญาณอินพุตและเอาต์พุตที่อ้างอิงกับ Vsplit เป็นหลัก

เอาต์พุตของ OPA171 มีขนาดประมาณ ±2 V อย่างไรก็ตาม สัญญาณเอาต์พุตยังมีองค์ประกอบของ Offset Voltage เพิ่มเข้ามาด้วย เนื่องจาก Input Offset Voltage ของ Op Amp ถูกขยายตาม Noise Gain ซึ่งในกรณีนี้มีค่าเท่ากับ 101

นอกจากนี้ Common-Mode Rejection Ratio (CMRR) หรือความสามารถของ Op Amp ในการลดผลกระทบจากสัญญาณที่เกิดขึ้นร่วมกันทั้งสองอินพุต ยังช่วยลดผลกระทบจาก Disturbance หรือการรบกวน และ Offset หรือแรงดันคลาดเคลื่อนที่เกิดขึ้นบน Vsplit ทำให้การเปลี่ยนแปลงของ Vsplit ส่งผลต่อเอาต์พุตของวงจรน้อยลง

ผลการทดสอบจริง

หลังจากการจำลอง ทีมออกแบบได้ทดสอบวงจรจริงตาม รูปที่ 1 โดยใช้โหลดแบบสวิตช์ขนาด 120 Ω ต่อระหว่าง Vsplit กับ 0 V เดิม เพื่อดูการตอบสนองของวงจรเมื่อเกิด Load Transient

ผลการทดสอบใน รูปที่ 7 ซึ่งเป็นสัญญาณ Vsplit แบบ AC-coupled พบว่าแรงดันมีการเปลี่ยนแปลงประมาณ 4 mV peak-to-peak

ผลดังกล่าวมีแนวโน้มสอดคล้องกับผลจากการจำลอง และยืนยันว่า OPA994 สามารถรักษาแรงดัน Virtual Ground ได้ดีแม้โหลดจะมีการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว

จากนั้นจึงทดสอบวงจรตามรูปที่ 5 โดยป้อนสัญญาณ Sine Wave ขนาด ±20 mV ที่ความถี่ 1 kHz

ผลการทดลองใน รูปที่ 8 พบว่าเอาต์พุตของ OPA171 มีขนาดประมาณ ±2 V เมื่อวัดเทียบกับ Vsplit Virtual Ground พร้อมมี Offset เพิ่มเข้ามาตามผลของ Input Offset Voltage ของ Op Amp

Offset Voltage กับการเปลี่ยนแปลงของโหลด

เช่นเดียวกับ Op Amp ทั่วไป แรงดัน Offset ที่เอาต์พุต Vsplit จะเปลี่ยนแปลงไปตามกระแสโหลด

ผลการจำลองแสดงพฤติกรรมดังกล่าวไว้ใน รูปที่ 2 ส่วนผลการทดสอบจริงใน รูปที่ 9 ครอบคลุมช่วงโหลดตั้งแต่
–40 mA ถึง +40 mA

ตลอดช่วงโหลดดังกล่าว พบว่าแรงดัน Vsplit มีการเปลี่ยนแปลงรวมประมาณ 14 mV

เมื่อไม่มีโหลด หรือที่กระแส 0 mA พบ Offset Voltage ประมาณ 3 mV

Offset นี้เกิดจากสองส่วนหลัก ได้แก่

• Input Offset Voltage ของ Op Amp
• Offset ที่เกิดจาก Input Bias Current ซึ่งไหลผ่านตัวต้านทาน R1, R2 และ R3

หากต้องการลด Offset ที่เกิดจาก Input Bias Current สามารถเพิ่มตัวต้านทานเข้าไปในเส้นทาง Feedback
ของ Op Amp โดยเลือกค่าให้เท่ากับผลรวมของความต้านทานที่เหมาะสมกับวงจร Divider

ในกรณีนี้เลือกค่าตาม Parallel Combination หรือการต่อตัวต้านทานแบบขนานของ R1 และ R2
ซึ่งเขียนแทนด้วย R1 || R2 แล้วนำค่าที่ได้มารวมกับ R3 ทำให้ได้ค่าประมาณ 6 kΩ

วิธีนี้จะช่วยชดเชย Offset Voltage ที่เกิดจากกระแส Input Bias ของ Op Amp ได้

สรุป

จากตัวอย่างทั้งหมดจะเห็นว่า Virtual Ground ไม่ได้หมายถึงโหนดใดโหนดหนึ่งของวงจร Op Amp โดยเฉพาะ แต่หมายถึงจุดที่วงจรถูกออกแบบหรือควบคุมให้มีศักย์ไฟฟ้าเทียบเท่ากับ Ground ตามเงื่อนไขการทำงานของวงจร

แนวคิดนี้จึงสามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้หลากหลายรูปแบบ รวมถึง Rail Splitter ที่ใช้ Op Amp สร้างแรงดันกึ่งกลางของแหล่งจ่าย และกำหนดให้จุดดังกล่าวทำหน้าที่เป็น Virtual Ground สำหรับวงจรที่ต้องการแรงดันอ้างอิงทั้งด้านบวกและด้านลบ

ดังนั้น การทำความเข้าใจ Virtual Ground อย่างถูกต้องจึงไม่ได้อยู่ที่การจดจำว่า Virtual Ground ต้องอยู่ตรงไหนของวงจร แต่ควรพิจารณาว่า วงจรกำลังควบคุมแรงดันของจุดนั้นอย่างไร และจุดดังกล่าวถูกนำไปใช้เป็นระดับอ้างอิงของวงจรในลักษณะใด ซึ่งจะช่วยให้สามารถนำแนวคิดนี้ไปประยุกต์ใช้กับวงจร Analog และระบบ Single Supply ได้อย่างถูกต้องมากขึ้น

---

เสริม

วงจร Rail Splitter เป็นได้มากกว่า Virtual Ground

วงจร Rail Splitter มักใช้สำหรับสร้างแหล่งจ่ายไฟแบบ Bipolar Supply จากแหล่งจ่ายเพียงแหล่งเดียว เช่น แบตเตอรี่ โดยทั่วไปจะใช้วงจรแบ่งแรงดัน เช่น Resistor Voltage Divider เพื่อสร้างแรงดันอ้างอิงที่อยู่กึ่งกลางระหว่างรางไฟเลี้ยงทั้งสองด้าน

ในรูปที่ 10 วงจรสามารถจ่ายและรับกระแสที่เอาต์พุตได้ ขณะที่แรงดันเอาต์พุตถูกควบคุมให้อยู่ที่ระดับ Virtual Ground ซึ่งมีค่าเท่ากับ BATT/2 ด้วยวงจร Buffer ที่ใช้ Negative Feedback

หมายเหตุ: เมื่ออ้างอิงแรงดันเทียบกับ VGND จะได้ว่า V+ มีค่า BATT/2 และ V− มีค่า −BATT/2

จากที่กล่าวถึง Virtual Ground ไปก่อนหน้านี้ จะเห็นว่า Virtual Ground ไม่ได้หมายความว่าเป็นจุดที่ไม่สามารถจ่ายหรือรับกระแสได้ แต่เป็นจุดที่ถูกควบคุมให้มีศักย์ไฟฟ้าเทียบเท่ากับ 0 V แม้จะไม่ได้เชื่อมต่อกับ Ground โดยตรง และวงจรสามารถออกแบบให้จุดนี้สามารถ Source และ Sink กระแส ได้

ดังนั้น ในวงจร Rail Splitter จุดกึ่งกลางที่เรียกว่า VGND สามารถทำหน้าที่เป็น Virtual Ground ได้เช่นกัน โดยวงจร Buffer จะควบคุมแรงดันของจุดนี้ให้อยู่ที่ BATT/2 และสามารถ Source หรือ Sink กระแสตามการเปลี่ยนแปลงของโหลด เพื่อรักษาระดับแรงดันให้คงที่

สิ่งที่ควรแยกให้ชัดเจนคือ Virtual Ground ไม่ได้หมายถึง Ground ที่ไม่มีทางเดินกระแส แต่หมายถึงจุดที่มีศักย์เทียบเท่า Ground จากการทำงานของวงจร ดังนั้น Rail Splitter ที่สร้าง VGND และสามารถจ่ายหรือรับกระแสได้ จึงยังสามารถเรียกว่าเป็นวงจรที่สร้าง Virtual Ground ได้

ความเข้าใจที่คลาดเคลื่อนเกี่ยวกับ Virtual Ground

แนวคิดเรื่อง Virtual Ground มักถูกสอนควบคู่กับการวิเคราะห์วงจร Op Amp โดยเฉพาะวงจรที่ใช้ Negative Feedback จึงอาจทำให้เข้าใจว่า Virtual Ground จะต้องอยู่ที่โหนดใดโหนดหนึ่งของ Op Amp เท่านั้น

แต่ในความเป็นจริง Virtual Ground ไม่ได้หมายถึงตำแหน่งของโหนดใดโหนดหนึ่งโดยเฉพาะ แต่หมายถึง จุดในวงจรที่มีศักย์ไฟฟ้าเทียบเท่ากับ Ground หรือ 0 V ตามเงื่อนไขการทำงานของวงจร แม้จุดนั้นจะไม่ได้เชื่อมต่อกับ Ground โดยตรง

วงจรในรูปที่ 11 เป็นตัวอย่างที่มักใช้ในการอธิบายแนวคิด Virtual Ground โดยจะเห็นว่าโหนด Inverting Input (V−) มีแรงดันเท่ากับ 0 V ทั้งที่ไม่ได้ต่อเข้ากับ Ground โดยตรง

อย่างไรก็ตาม หากเรียกโหนดนี้ว่าเป็น Virtual Ground โดยตรง อาจทำให้เข้าใจว่าโหนด Inverting Input คือ Virtual Ground ในตัวมันเอง ซึ่งไม่ใช่ประเด็นสำคัญของแนวคิดนี้

สิ่งที่เกิดขึ้นจริงคือ โหนด V− มีระดับแรงดันที่ถูกกำหนดให้เท่ากับ Ground หรือเรียกว่า Virtual Ground Potential ซึ่งหมายถึงศักย์ไฟฟ้าที่มีค่าเทียบเท่ากับ Ground จากการทำงานของวงจร

สำหรับวงจร Op Amp แบบอุดมคติที่ใช้ Negative Feedback จะมีเงื่อนไขว่าแรงดันที่อินพุตทั้งสองมีค่าเท่ากัน หรือ

V+ = V−

เนื่องจาก Op Amp แบบอุดมคติมี Open-Loop Gain เป็นอนันต์ ความแตกต่างของแรงดันระหว่างอินพุตทั้งสองจึงต้องเข้าใกล้ศูนย์ เพื่อให้เอาต์พุตอยู่ในสภาวะที่สอดคล้องกับ Negative Feedback

ดังนั้น เมื่ออินพุตด้านบวก (V+) ต่ออยู่กับ Ground ซึ่งมีแรงดัน 0 V อินพุตด้านลบ (V−) จึงมีแรงดันเข้าใกล้ 0 V เช่นเดียวกัน แม้จะไม่ได้ต่อกับ Ground โดยตรง สภาวะนี้สามารถอธิบายได้ด้วยแนวคิด Virtual Short ซึ่งหมายถึงอินพุตทั้งสองของ Op Amp มีแรงดันเท่ากันจากผลของ Negative Feedback

ประเด็นสำคัญคือ Virtual Ground ไม่ได้เกิดขึ้นเพราะโหนดนั้นเป็น Inverting Input แต่เกิดจากการที่วงจรควบคุมระดับแรงดันของโหนดนั้นให้มีศักย์เทียบเท่ากับ Ground และแนวคิดนี้สามารถนำไปประยุกต์ใช้กับวงจรในรูปแบบอื่นได้ ไม่ได้จำกัดอยู่เฉพาะวงจร Op Amp แบบ Inverting เท่านั้น

Reference
– EDN
– Analog Devices

---

Written by Pawinphat | Bunpajarn
Electronics & Embedded Systems