차동 증폭기

차동 증폭기(Differential Amplifier)는 두 입력 신호의 전압차를 증폭하는 회로이다. 연산 증폭기나 Emitter coupled 논리 게이트의 입력단에 주로 쓰인다. 각 입력 단자의 전압을 $V_{\mathrm {in} }^{+}$와 $V_{\mathrm {in} }^{-}$로 나타내면, 출력단자의 전압 $V_{\mathrm {out} }$은 두 입력의 차이의 $A_{\text{d}}$배로 나타난다.

차등 증폭기 기호

반전과 비반전은 "−"와 "+" 심벌로 구별한다. V_s+와 V_s−는 전원이고 생략하기도 한다.

한편, 한 개의 입력단자를 가진 증폭기도 차동 증폭기의 범주에 포함된다고 볼 수 있다. 차동 증폭기의 두 개의 입력중 하나를 접지시키면 한 개의 입력단자를 가진 증폭기와 같아지기 때문이다.

차동 증폭기는 반전 되먹임(negative feedback)을 이용하는 시스템에서 많이 쓰인다. 이때 두 입력 단자는 각각 원래의 입력 신호, 되먹임 신호와 연결된다. 일반적인 증폭용도 외에도 전동기와 서보(servo)의 제어에도 쓰인다.

차동 증폭기 이론

전형적인 쌍대칭 차동 증폭회로 (바이어스 회로와 다른 부가 회로는 생략됨)

이상적인 차동 증폭기 출력은 다음과 같다:

$V_{\text{out}}=A_{\text{d}}(V_{\text{in}}^{+}-V_{\text{in}}^{-})$

여기서 $V_{\text{in}}^{+}$와 $V_{\text{in}}^{-}$는 입력 전압이고, $A_{\text{d}}$는 차동 신호 이득(differential-mode gain)이다.

그러나 실제로 2개의 입력 전압에 대한 이득은 완전히 같지 않다. 설령 $V_{\text{in}}^{+}$과 $V_{\text{in}}^{-}$ 이 같더라도, 출력은 완전히 0이 아닐 것이다. 이것은 이상적인 상태에서만 가능한 일이다. 조금 더 현실적으로 차동 증폭기의 출력을 표현한다면, 두번째 항을 넣을 수 있다.

$V_{\text{out}}=A_{\text{d}}(V_{\text{in}}^{+}-V_{\text{in}}^{-})+A_{\text{c}}\left({\frac {V_{\text{in}}^{+}+V_{\text{in}}^{-}}{2}}\right)$

여기서 $A_{\mathrm {c} }$는 공통 신호 이득(common-mode gain)이다.

차동증폭기는 주로 잡음(noise)이나 바이어스-전압(bias-voltage)의 영향을 줄이기 위해 사용되므로 작은 공통 신호 이득이 선호된다.

공통 모드 제거비(CMRR, common-mode rejection ratio)는 차동 신호 이득(differential-mode gain)과 공통 신호 이득(common-mode gain)의 비율이다. CMRR은 차동 증폭기가 얼마나 두 입력 단자에 작용하는 공통 신호(사실은 잡음)을 억제할 수 있는지를 나타낸다.

$\mathrm {CMRR} =10\log _{10}\left({\frac {A_{\mathrm {d} }}{A_{\mathrm {c} }}}\right)^{2}=20\log _{10}\left({\frac {A_{\mathrm {d} }}{|A_{\mathrm {c} }|}}\right)$

이상적인 (완벽히 대칭인) 차동 증폭기의 $A_{\text{c}}$는 0이므로 CMRR은 $\infty$이다. 이 때 출력 전압 $V_{out}$은 $A_{\mathrm {d} }(V_{\mathrm {in} }^{+}-V_{\mathrm {in} }^{-})$ 이 된다. 차동 증폭기의 2개의 입력 중 하나를 GND에 연결하면 결국 0V와의 차이를 증폭하는 것이므로, 차동 증폭기는 단일 입력 증폭기로도 사용 가능하다.

같이 보기

• 연산 증폭기
• ECL 게이트

외부 링크

• OP AMP의 내부 이해 - 차동증폭기, Current Mirror - OP 앰프 내부 구조 이해