1. 개요
Differential Amplifier.두 입력의 차이를 증폭하는 아날로그 회로이다.
2. 상세
| BJT 2개로 구성한 기본적인 differential amplifier 회로 |
연산 증폭기의 입력단에 differential amplifier가 사용된다. Differential pair 구조를 사용하면 (특히 additive한 성격의) 잡음(noise)과 간섭(interference)에 덜 취약해지고, single-ended(단동) 증폭기에서 DC 바이어스를 막는 커패시터를 사용하지 않기에 회로 집적에 유리해진다는 장점이 있다. 참고로 differential amplifier를 집적 회로로 구현하면 트랜지스터가 좁은 영역에 몰려 있기 때문에, 위치에 따른 온도 변화나 도핑 차이에 따른 문턱 전압 편차 등 외부 요인에 영향을 덜 받게 된다는 이점이 있다.
Differential pair 구조에서는 입력 전압을 동상 모드(common-mode)와 차동(differential)으로 분리하여 분석한다. Common Source 증폭기와 같은 single-ended 증폭기에서 DC 바이어스와 AC 소신호로 분리하여 해석한 것과 유사하다.
그림에는 [math(R_E)] 저항으로 구현되어 있으나 일반적으로 전류원 역할을 하는 회로가 differential pair를 바이어싱한다. 양쪽 회로가 동일한 경우 [math(Q_1)]과 [math(Q_2)]의 source 노드는 differential 입력에 대해 항상 일정한 전압을 유지하며, 우리는 이를 가상 접지(virtual ground) 노드라고 부른다.
정전류원으로 바이어스하고 있기 때문에 [math(Q_1)]과 [math(Q_2)]에 흐르는 전류의 합은 항상 일정하며, 이 상태에서 두 입력의 차이가 발생(=differential 입력)하면 양 트랜지스터에 흐르는 전류가 바뀌고, 이는 부하([math(R_{C1})]과 [math(R_{C2})])에 적용되어 출력 전압의 차이를 발생시킨다. 전압 이득(voltage gain)을 계산해 보면 한쪽 회로만 사용하는 Common Source 회로의 gain과 동일하다는 것을 확인할 수 있는데, single-ended 증폭기가 AC 성분을 증폭한다면 differential amplifier는 두 입력의 차이를 증폭한다는 점만 다르다.
이상적이지 않은 전류원으로 differential amplifier를 바이어스할 경우 전류원의 유한한 출력 저항이 회로 동작에 영향을 미친다. 앞서 언급했듯 차동 입력에 대해서는 virtual ground 노드가 형성되어 전류원 회로의 저항이 영향을 주지 않으나, common-mode 입력에 대해서는 이를 고려해야 한다. Common-mode 입력에 대한 differential 출력 이득인 동상 모드 이득(common-mode gain; [math(A_{CM} = \Delta V_{OUT} / V_{IN,CM})])은 전류원 출력 저항이 작을수록 커진다. 회로 부정합(mismatch)에 의해서도 common-mode gain이 발생한다.
Differential pair 회로에서만 사용되는 특성으로 차동 이득(differential gain; 차동 입력 [math(\Delta V_{IN})]에 대한 차동 출력 [math(\Delta V_{OUT})]의 gain)과 common-mode gain의 비인 CMRR(common-mode rejection ratio)이 있다. Differential 출력이 common-mode 입력에 대해 작게 변할수록, differential 입력에 대해 크게 변할수록 CMRR 값이 커진다. 즉, CMRR이 클수록 differential amplifier 회로의 성능이 좋다고 할 수 있다. 이상적인 differential amplifier의 CMRR은 무한대이다.
보통 differential amplifier는 연산 증폭기처럼 differential 입력과 single-ended 출력을 사용하는 경우가 많다. 위 그림의 differential amplifier는 single-ended 출력을 구현하기 위해 출력 노드 하나만을 사용할 경우, 두 출력 노드의 차이 중 하나에 해당하는 신호만 사용하기 때문에 gain이 절반으로 감소한다. 이를 해결하기 위해 위 그림의 부하 저항([math(R_{C1})]과 [math(R_{C2})]) 위치에 전류 거울(current mirror)을 부하로 연결하고 diode-connection되지 않은 쪽을 출력으로 사용하는데, 이렇게 하면 gain을 온전히 복원할 수 있다. 또 current mirror 부하를 사용하면 differential gain은 키우고 common-mode gain은 줄여 큰 CMRR을 확보할 수 있다.
연산 증폭기 소자를 사용해 두 입력의 차이를 증폭하는 회로를 구성할 수 있는데, 이 회로도 differential amplifier라고 부른다.