차동 증폭기

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차등 증폭기 기호
반전과 비반적은 "−"와 "+" 심볼로 구별한다. Vs+와 Vs− 전원이고, 심볼에서 뺄수가 있으나 실제로 항상 존재해야 한다.

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}^{+}V_\mathrm{in}^{-}로 나타내면, 출력단자의 전압 V_\mathrm{out}은 두 입력의 차이의 A_\text{d}배로 나타난다.

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 론[편집]

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

이상적인 차등 증폭기 출력은 다음과 같다:

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

여기서 V_\text{in}^+V_\text{in}^-는 입력 전압이고, A_\text{d} 차등이득이다.


실제로 2개의 입력 전압에 대한 이득이 완전히 같지 않다. V_\text{in}^+V_\text{in}^- 같더라도, 출력은 완전히 0이 아닐 것이다. 이것은 이상적인 상태에서만 가능한 일이다.

따라서 실제 차등 증폭기의 출력의 표현에서 2개의 항목이 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_\text{c} 공통 모드 이득이라고 한다. 이 때, A_\mathrm{d}는 차동 신호 이득(differential-mode gain), A_\mathrm{c}는 동상 신호 이득(common-mode gain)을 뜻한다.


차등 증폭기의 목적 상, 노이지나 바이어스-전압 없으면 좋을 것이고, 공통 모드 이득 적으면 좋다.

공통 모드 제거비(CMRR,common-mode rejection ratio)는 차등 모드 이득과 공동 모드 이득 비로 차동 신호 이득과 동상 신호 이득의 비율이다. 이것은 입력된 공동 모드 전압의 억제 능력을 나타낸다.

\mathrm{CMRR} = 10\log_{10} \left (\frac{A_\mathrm{d}}{A_\mathrm{cm}} \right)^2 = 20\log_{10} \left (\frac{A_\mathrm{d}}{|A_\mathrm{cm}|} \right)

완전한 대칭형 차등 증폭기는 A_\text{c}가 0이고, CMRR은 무한대이다. 위의 공식에서 A_\mathrm{c}가 0에 가까워질수록 CMRR은 무한대로 증가한다. 만약 A_\mathrm{c} = 0이면, 완벽한 대칭성을 가진 차동 증폭기로, 출력 전압은 V_\mathrm{out} = A_\mathrm{d}(V_\mathrm{in}^{+} - V_\mathrm{in}^{-})이다.

차등 증폭기의 2개의 입력 중 한개를 GND로 입력하면 결국 0V에 대한 차이를 증폭하는 것이므로 단일 입력 증폭기로도 사용 가능하다.

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