차동 증폭기는 두 입력 신호의 차이를 증폭하는 전자 회로이다. 이상적인 경우, 출력 전압은 입력 전압의 차이에 차동 이득을 곱한 값으로 표현된다. 실제로는 공통 신호 이득을 고려하여 잡음이나 바이어스 전압을 제거한다. 차동 증폭기는 공통 모드 제거비(CMRR)를 사용하여 공통 신호(잡음) 억제 정도를 나타낸다. 롱테일 페어(Long-Tailed Pair, LTP)는 차동 증폭 회로 구현에 널리 사용되는 설계 방식이며, 연산 증폭기나 계측 증폭기와 같은 다양한 회로에 응용된다.
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여기서 와 는 입력 전압이고, 는 차동 신호 이득(differential-mode gain영어)이다.
그러나 실제로 2개의 입력 전압에 대한 이득은 완전히 같지 않다. 과 이 같더라도, 출력은 완전히 0이 아닐 것이다. 이것은 이상적인 상태에서만 가능한 일이다. 조금 더 현실적으로 차동 증폭기의 출력을 표현한다면, 두번째 항을 넣을 수 있다.
:
여기서 는 공통 신호 이득(common-mode gain영어)이다.
차동 증폭기는 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.
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\right)
이상적인 (완벽히 대칭인) 차동 증폭기의 는 0이므로 CMRR은 이다. 이 때 출력 전압 은 이 된다. 차동 증폭기의 2개의 입력 중 하나를 GND에 연결하면 결국 0V와의 차이를 증폭하는 것이므로, 차동 증폭기는 단일 입력 증폭기로도 사용 가능하다.
3. 롱테일 페어 (Long-Tailed Pair)
롱테일 페어(Long-Tailed Pair영어, LTP)는 차동 증폭기 회로 구현에 자주 사용되는 설계 방식이다.
롱테일 페어는 매우 작은 전압 이득의 전류를 증폭하며, 두 개의 능동 소자(트랜지스터 또는 진공관)를 사용한다. 바이폴라 NPN 트랜지스터를 예로 들면, 컬렉터 측은 각각 큰 저항을 통해 전압원에 연결되며, 이를 "롱 테일(long tail)"이라고 부른다. 이 부분은 전류원을 근사적으로 형성하며, 더 정밀한 설계를 위해 쌍의 정전류원(주로 전류 거울)으로 구성하기도 한다. 이 부분에 흐르는 전류를 '''테일 전류'''라고 부른다.
이러한 배선 방식을 통해 두 입력의 차동 증폭이 가능하다. 출력은 후속 회로의 필요에 따라 하나 또는 두 개일 수 있다. NPN형 트랜지스터를 사용한 롱테일 페어에서는 이미터가 상호 연결되어 전류원의 접지 측 또는 마이너스 측에 연결된다. 이는 두 트랜지스터 중 하나가 이미터 접지 회로 형식의 증폭 회로로, 다른 하나가 이미터 팔로워로 작동하게 하여, 한쪽 입력이 다른 쪽 이미터에 공급되도록 한다. 트랜지스터는 베이스-이미터 간 전류를 증폭하므로, 컬렉터에 흐르는 전류는 두 입력의 차이에 비례한다. 이 회로는 완전 대칭형이므로, 한쪽을 증폭 회로로 보면 다른 쪽이 이미터 팔로워가 되며, 반대로도 볼 수 있다.
차동 증폭 회로의 출력은 차동적(2개)인 경우가 많지만, 하나만 필요할 경우 다른 하나는 무시할 수 있다. 이득을 유지하려면 차동 출력을 단일 출력으로 변환하는 회로를 사용하며, 이는 전류원으로 구현하는 경우가 많다.
롱테일 페어는 피드백이 있는 선형 증폭 회로, 연산 증폭기 등에 사용된다. 스위치로 사용하는 경우, 왼쪽 베이스/그리드는 신호 입력, 오른쪽 베이스/그리드는 접지되며, 출력은 오른쪽 컬렉터/플레이트에서 얻는다. 입력이 0 또는 음수이면 출력은 0, 양수이면 출력은 거의 양수가 된다.
바이어스 안정성과 각종 파라미터로부터의 독립성을 높이기 위해서는, 캐소드/이미터 저항에 의한 부궤환을 도입한다.
3. 1. 역사적 배경
롱테일 쌍은 푸시-풀 회로 기술 및 측정 브리지에 대한 초기 지식으로부터 개발되었다.[2] 1934년 영국의 신경생리학자 브라이언 매튜스는 롱테일 쌍과 매우 유사한 초기 회로를 발표했는데,[3] 이는 진정한 롱테일 쌍으로 의도되었지만 그림 오류와 함께 출판된 것으로 보인다. 가장 초기의 확실한 롱테일 쌍 회로는 1936년 앨런 블럼레인이 제출한 특허에 나타난다.[4] 1930년대 말까지 이 토폴로지는 잘 확립되었으며 프랭크 오프너(1937),[5] 오토 슈미트(1937),[6] 얀 프리드리히 토니에스(1938)를 포함한 다양한 저자에 의해 설명되었고,[7] 특히 생리적 임펄스의 감지 및 측정에 사용되었다.[8]
롱테일 쌍은 초기 영국 컴퓨터에서 매우 성공적으로 사용되었으며, 특히 파일럿 ACE 모델과 그 후계자,[9] 모리스 윌크스의 EDSAC, 그리고 블럼레인 또는 그의 동료들과 함께 일했던 사람들에 의해 설계된 다른 컴퓨터에서도 사용되었다. 롱테일 쌍은 스위치로 사용될 경우 여러 가지 장점이 있었다. 진공관(트랜지스터) 변동에 크게 면역(기계가 1,000개 이상의 진공관을 포함할 때 매우 중요함)이었고, 높은 이득, 이득 안정성, 높은 입력 임피던스, 중간/낮은 출력 임피던스, 좋은 클리퍼(너무 길지 않은 테일 포함), 비반전(''EDSAC에는 인버터가 없었음!'') 및 큰 출력 전압 스윙을 가진다는 장점이 있었다. 한 가지 단점은 출력 전압 스윙(일반적으로 ±10V~20V)이 높은 DC 전압(약 200V)에 가해져 신호 결합에 주의가 필요하며, 일반적으로 광대역 DC 결합 형태가 필요하다는 것이다. 이 시대의 많은 컴퓨터는 AC 결합 펄스 로직만 사용하여 이 문제를 피하려 했으며, 이로 인해 컴퓨터가 매우 크고 지나치게 복잡하거나(ENIAC: 20자리 계산기에 18,000개의 튜브) 신뢰성이 떨어졌다. DC 결합 회로는 제1세대 진공관 컴퓨터 이후 표준이 되었다.
3. 2. 구성 (Configurations)
차동(롱테일,[10] 이미터 결합) 쌍 증폭기는 공통 (이미터, 소스 또는 캐소드) 퇴화를 가진 두 개의 증폭 단으로 구성된다.
두 개의 입력과 두 개의 출력을 갖는 이 회로는 차동 증폭기 단을 형성한다(그림 2). 두 개의 베이스(또는 그리드 또는 게이트)는 트랜지스터 쌍에 의해 차동 증폭(감산 및 곱셈)되는 입력이며, 차동(평형) 입력 신호로 공급될 수 있다. 또는 하나의 입력을 접지하여 위상 분할기 회로를 형성할 수도 있다. 차동 출력을 가진 증폭기는 부유 부하 또는 차동 입력을 가진 다른 단을 구동할 수 있다.
만약 차동 출력이 필요하지 않다면, 하나의 출력만 사용될 수 있다(한쪽 컬렉터 (또는 애노드 또는 드레인)에서만 출력값을 얻고 다른 출력은 무시한다. 이러한 구성을 ''싱글 엔드 출력''이라고 한다). 이득은 차동 출력을 사용하는 경우의 절반이다. 이득 손실을 피하기 위해, 차동-싱글 엔드 변환기를 사용할 수 있는데, 이는 종종 전류 미러로 구현된다.
차동 쌍은 입력 중 하나를 접지하거나 기준 전압에 고정하면 단일 종단 입력 증폭기로 사용할 수 있다(일반적으로 다른 컬렉터는 단일 종단 출력으로 사용됨). 이 배열은 캐스코드 공통 컬렉터 및 공통 베이스 단 또는 버퍼링된 공통 베이스 단으로 생각할 수 있다.[11]
이미터 결합 증폭기는 온도 드리프트에 대해 보상되며 VBE가 상쇄되고 밀러 효과 및 트랜지스터 포화가 방지된다. 그렇기 때문에 이미터 결합 증폭기(밀러 효과 방지), 위상 분할기 회로(두 개의 반전 전압 얻기), ECL 게이트 및 스위치(트랜지스터 포화 방지) 등을 형성하는 데 사용된다.
3. 3. 동작 원리 (Operation)
롱테일 페어(Long-Tailed Pair)는 차동 증폭기 회로 구현에 자주 사용되는 설계 방식이다. 롱테일 페어는 매우 작은 전압 이득의 전류를 증폭하며, 두 개의 능동 소자(트랜지스터 또는 진공관)를 사용한다. 바이폴라 NPN 트랜지스터를 예로 들면, 컬렉터 측은 각각 큰 저항을 통해 전압원에 연결되며, 이를 "롱 테일(long tail)"이라고 부른다. 이 부분은 전류원을 근사적으로 형성하며, 더 정밀한 설계를 위해 쌍의 정전류원(주로 전류 거울)으로 구성하기도 한다. 이 부분에 흐르는 전류를 '''테일 전류'''라고 부른다.
이러한 배선 방식을 통해 두 입력의 차동 증폭이 가능하다. 출력은 후속 회로의 필요에 따라 하나 또는 두 개일 수 있다. NPN형 트랜지스터를 사용한 롱테일 페어에서는 이미터가 상호 연결되어 전류원의 접지 측 또는 마이너스 측에 연결된다. 이는 두 트랜지스터 중 하나가 이미터 접지 회로 형식의 증폭 회로로, 다른 하나가 이미터 팔로워로 작동하게 하여, 한쪽 입력이 다른 쪽 이미터에 공급되도록 한다. 트랜지스터는 베이스-이미터 간 전류를 증폭하므로, 컬렉터에 흐르는 전류는 두 입력의 차이에 비례한다. 이 회로는 완전 대칭형이므로, 한쪽을 증폭 회로로 보면 다른 쪽이 이미터 팔로워가 되며, 반대로도 볼 수 있다.
차동 증폭 회로의 출력은 차동적(2개)인 경우가 많지만, 하나만 필요할 경우 다른 하나는 무시할 수 있다. 이득을 유지하려면 차동 출력을 단일 출력으로 변환하는 회로를 사용하며, 이는 전류원으로 구현하는 경우가 많다.
롱테일 페어는 피드백이 있는 선형 증폭 회로, 연산 증폭기 등에 사용된다. 스위치로 사용하는 경우, 왼쪽 베이스/그리드는 신호 입력, 오른쪽 베이스/그리드는 접지되며, 출력은 오른쪽 컬렉터/플레이트에서 얻는다. 입력이 0 또는 음수이면 출력은 0, 양수이면 출력은 거의 양수가 된다.
회로 작동은 크게 네 가지 모드로 구분할 수 있지만, 실제로는 이들 중 일부가 동시에 작용하며 그 효과가 중첩된다.
'''바이어스:''' 고전적인 증폭단이 베이스 측에서 바이어스되는 것과 달리, 차동 쌍은 이미터 측에서 직접 바이어스되어 전체 정지 전류를 싱크/주입한다. 직렬 부궤환(이미터 디제너레이션)은 트랜지스터가 전압 안정기로 작동하게 하며, 정지 전류가 컬렉터-이미터 접합을 통과하도록 VBE 전압(베이스 전류)을 조정하게 한다.[12]
'''공통 모드:''' 두 입력 전압이 같은 방향으로 변한다.
'''차동 모드:''' 두 입력 전압이 반대 방향으로 변한다.
바이어스 안정성과 독립성을 높이기 위해 캐소드/이미터 저항에 의한 부궤환을 도입한다.
3. 3. 1. 바이어스 (Biasing)
고전적인 증폭단이 베이스 측에서 바이어스되는 것과 대조적으로, 차동 쌍은 이미터 측에서 직접 바이어스된다. 이때 전체 정지 전류를 싱크/주입하는 방식을 사용한다. 직렬 부궤환(이미터 디제너레이션)은 트랜지스터가 전압 안정기로 작동하게 하며, 정지 전류가 컬렉터-이미터 접합을 통과하도록 VBE 전압(베이스 전류)을 조정하게 한다.[12] 따라서 부궤환으로 인해 정지 전류는 트랜지스터의 β에 거의 의존하지 않게 된다.
정지 컬렉터 전류를 발생시키는 데 필요한 바이어스 베이스 전류는 일반적으로 접지에서 발생하여 입력 소스를 통과하여 베이스로 들어간다. 따라서 소스는 바이어스 전류 경로를 보장하고, 소스에 상당한 전압 강하가 발생하지 않도록 충분히 낮은 저항을 갖도록 갈바닉(DC)이어야 한다. 그렇지 않으면, 추가적인 DC 소자를 베이스와 접지(또는 양의 전원 공급 장치) 사이에 연결해야 한다.
바이어스의 안정성과 각종 파라미터로부터의 독립성을 높이기 위해서는, 캐소드/이미터 저항에 의한 부궤환을 도입하면 된다.
3. 3. 2. 공통 모드 (Common mode)
공통 모드에서, 두 입력 전압은 같은 방향으로 변화한다. 두 이미터 팔로워는 공통 이미터 부하("롱 테일")에서 함께 작동하며, 공통 이미터 지점의 전압을 함께 조절한다. 이때, 동적 부하는 입력 전압과 같은 방향으로 저항을 변화시켜 두 공급 레일 사이의 총 저항을 일정하게 유지한다. 이는 완전한(100%) 부궤환으로, 입력 베이스 전압과 이미터 전압은 함께 변하지만 컬렉터 전류와 총 전류는 변하지 않아 출력 컬렉터 전압도 일정하게 유지된다.
Long-Tailed Pair (LTP)영어는 차동 증폭 회로에 자주 사용되는 설계이다. 이 회로는 두 개의 능동 소자(트랜지스터 또는 진공관)를 사용하며, 매우 작은 전압 이득의 전류를 증폭한다.[1] 바이폴라 NPN 트랜지스터의 경우, 컬렉터 측은 각각 큰 저항을 통해 전압원에 연결되며(이 구성을 "long tail"이라고 부름), 전류원을 근사적으로 형성한다.[1] 더 정밀한 설계를 위해 쌍의 정전류원으로 구성하기도 한다(커런트 미러가 자주 사용됨).[1] 이 부분에 흐르는 전류를 '''테일 전류'''라고 부른다.[1]
이러한 배선은 두 입력의 차동 증폭을 가능하게 한다. 출력은 하나 또는 두 개일 수 있다.[1] NPN형 트랜지스터를 사용한 Long-Tailed Pair영어에서는, 이미터가 상호 연결되어 전류원의 접지 측 또는 마이너스 측에 연결된다.[1] 이는 두 트랜지스터 중 하나는 이미터 접지 회로로, 다른 하나는 이미터 팔로워로 작동하게 하여, 한쪽 입력이 다른 쪽 이미터에 공급되도록 한다.[1] 트랜지스터는 베이스-이미터 간 전류를 증폭하므로, 컬렉터 전류는 두 입력 차이에 비례한다. 회로는 대칭형이므로, 한쪽을 증폭 회로로 보면 다른 쪽이 이미터 팔로워가 되며, 반대로도 볼 수 있다.[1]
차동 증폭 회로의 출력은 차동적(2개)인 경우가 많지만, 하나만 필요할 경우 다른 하나는 무시할 수 있다. 이득을 유지하려면 차동 출력을 단일 출력으로 변환하는 회로를 사용하며, 이는 전류원으로 구현하는 경우가 많다.[1]
LTP영어는 피드백이 있는 선형 증폭 회로, 연산 증폭기 등에 사용된다.[1] 스위치로 사용하는 경우, 왼쪽 베이스/그리드는 신호 입력, 오른쪽 베이스/그리드는 접지되며, 출력은 오른쪽 컬렉터/플레이트에서 얻는다.[1] 입력이 0 또는 음수이면 출력은 0, 양수이면 출력은 거의 양수가 된다. 내부 동작은 위에 설명된 내용과 거의 같다.[1] 바이어스 안정성과 독립성을 높이기 위해 캐소드/이미터 저항에 의한 부궤환을 도입한다.[1]
3. 3. 3. 차동 모드 (Differential mode)
차동 모드에서 두 입력 전압은 반대 방향으로 변한다. 이때, 두 전압(이미터) 팔로워는 서로 반대로 작용한다. 한쪽이 공통 이미터 지점의 전압을 높이려 하면, 다른 쪽은 낮추려 한다. 비유적으로, 한쪽이 공통 지점을 "올리면" 다른 쪽은 "내려" 움직이지 않도록 한다. 따라서 공통 지점은 전압 변화가 없고, 가상 접지처럼 동작하며, 그 크기는 공통 모드 입력 전압에 의해 결정된다. 높은 저항의 이미터 요소는 아무 역할도 하지 않고, 낮은 저항의 이미터 팔로워에 의해 단락된다. 입력 베이스 전압이 변해도 이미터 전압은 변하지 않으므로, 부귀환은 없다. 공통 대기 전류는 두 트랜지스터 사이에서 활발하게 조절되고, 출력 컬렉터 전압은 활발하게 변한다. 두 트랜지스터는 서로 이미터를 접지시키므로, 공통 컬렉터 단이지만, 실제로는 최대 이득을 가진 공통 이미터 단처럼 동작한다. 바이어스 안정성과 소자 파라미터 변화에 대한 독립성은 비교적 작은 저항의 음극/이미터 저항을 통해 도입된 부귀환으로 개선할 수 있다.
입력 차동 전압이 크게 변하면(약 수백 밀리볼트 이상), 낮은 입력 전압에 의해 구동되는 트랜지스터는 꺼지고 컬렉터 전압은 양의 전원 레일에 도달한다. 과도한 과도 입력에서는 베이스-이미터 접합이 역전된다. 다른 트랜지스터(높은 입력 전압에 의해 구동됨)가 모든 전류를 구동한다. 컬렉터의 저항이 크면 트랜지스터는 포화된다. 비교적 작은 컬렉터 저항과 적당한 과도 입력에서는 이미터가 포화 없이 입력 신호를 따라갈 수 있다. 이 모드는 차동 스위치 및 이미터 결합 논리 게이트에 사용된다.
입력 전압이 계속 증가하여 베이스-이미터 항복 전압을 초과하면, 낮은 입력 전압에 의해 구동되는 트랜지스터의 베이스-이미터 접합이 고장난다. 입력 소스가 저항이 낮으면 무제한 전류가 두 입력 소스 사이의 "다이오드 브리지"를 통해 직접 흘러 소자를 손상시킨다.
공통 모드에서는 이미터 전압이 입력 전압 변화를 따라가 완전한 부귀환이 발생하며 이득은 최소이다. 반면, 차동 모드에서는 이미터 전압이 고정되어(순간 공통 입력 전압과 같음) 부귀환이 없고 이득은 최대이다.
롱테일 페어(Long-Tailed Pair, LTP)는 차동 증폭기의 성능을 향상시키기 위한 회로 구성이다. 롱테일 페어는 두 개의 트랜지스터(또는 진공관)를 사용하여 매우 작은 전압 이득의 전류를 증폭한다.
일반적으로 컬렉터 측은 큰 저항을 통해 전압원에 연결하여 전류원을 근사적으로 형성하는데, 이때 흐르는 전류를 테일 전류라고 한다. 더 정교한 설계에서는 이 부분을 쌍의 정전류원 (주로 전류 미러)으로 대체한다.[1]
개선된 롱테일 페어 회로는 다음과 같은 특징을 갖는다.
전류 미러 부하: 컬렉터 저항 대신 전류 미러(그림 3의 파란색 부분)를 사용하여 이득을 높인다.
정전류 바이어스: 이미터 쪽에 정전류원(그림 3의 노란색 부분)을 사용하여 공통 모드 제거비(CMRR)를 향상시킨다.
3. 4. 1. 컬렉터 전류 미러 (Collector current mirror)
컬렉터 저항은 전류 미러(그림 3의 상단 파란색 부분)로 대체될 수 있으며, 이 전류 미러의 출력 부분은 액티브 부하로 작동한다. 따라서 차동 컬렉터 전류 신호는 내재적인 50% 손실 없이 단일 종단 전압 신호로 변환되므로 이득이 두 배로 증가한다. 이는 입력 컬렉터 전류를 왼쪽에서 오른쪽으로 복사하여 두 입력 신호의 크기가 더해지도록 함으로써 달성된다. 이를 위해 전류 미러의 입력은 왼쪽 출력에 연결되고, 전류 미러의 출력은 차동 증폭기의 오른쪽 출력에 연결된다.
전류 미러는 왼쪽 컬렉터 전류를 복사하여 오른쪽 컬렉터 전류를 생성하는 오른쪽 트랜지스터를 통과시킨다. 차동 증폭기의 이 오른쪽 출력에서 두 신호 전류(양 및 음 전류 변화)가 감산된다. 이 경우(차동 입력 신호) 두 신호는 크기가 같고 반대 방향이다. 따라서 차이는 개별 신호 전류의 두 배가 되며(Δ''I'' − (−Δ''I'') = 2Δ''I''), 차동 대 단일 종단 변환은 이득 손실 없이 완료된다. 그림 4는 이 회로의 전달 특성을 보여준다.
그림 4: 전달 특성
3. 4. 2. 이미터 정전류원 (Emitter constant current source)
정지 전류는 공통 모드에서 일정한 컬렉터 전압을 보장하기 위해 일정해야 한다. 차동 출력을 사용하는 경우에는 두 컬렉터 전압이 동시에 변하더라도 그 차이(출력 전압)는 변하지 않기 때문에 이러한 요구 사항은 덜 중요하다. 그러나 단일 종단 출력을 사용하는 경우에는 출력 컬렉터 전압이 변동하므로 일정한 전류를 유지하는 것이 매우 중요하다. 따라서 전류원()의 저항이 높을수록 공통 모드 이득()은 낮아진다.
필요한 정전류는 공유된 이미터 노드와 전원 레일 사이에 매우 높은 저항을 가진 소자(저항)를 연결하여 생성할 수 있다(NPN의 경우 음수, PNP 트랜지스터의 경우 양수). 하지만 그렇게 하려면 높은 전원 전압이 필요하다. 따라서 더 정교한 설계에서는 "긴 꼬리" 대신에 정전류원에 근접하는 높은 차동(동적) 저항을 가진 소자를 사용한다. 일반적으로 높은 순응 전압 때문에 전류 미러로 구현된다.[1]
Long-Tailed Pair영어 (LTP, 롱테일 페어)는 차동 증폭 회로의 구현에 자주 사용되는 설계이다. 매우 작은 전압 이득의 전류를 증폭한다. 2개의 능동 소자(트랜지스터 또는 진공관)를 사용한다. 정전원인 경우 일반적으로 상단에 표기하는 경우가 많지만, 컬렉터 측이 각각 큰 저항을 통해 전압원에 연결되어 있으며(전류원을 근사적으로 형성), 이 부분에 흐르는 전류를 '''테일 전류'''라고 부른다. 더 비용을 들인 설계에서는 long tail을 쌍의 정전류원으로 한다(커런트 미러가 자주 사용됨).[1]
3. 5. 인터페이스 고려 사항 (Interfacing considerations)
차동 증폭기 회로를 사용할 때는 몇 가지 인터페이스 문제를 고려해야 한다.
플로팅 입력 소스: 바이어스 베이스 전류가 흐를 수 있는 경로를 확보해야 한다. 갈바닉 소스는 베이스 중 하나와 접지 사이에 저항을 하나만 연결하면 되지만, 커패시티브 소스는 두 개의 베이스와 접지 사이에 두 개의 저항을 연결해야 한다.[1]
입력/출력 임피던스: 차동 쌍의 입력 임피던스는 입력 모드에 따라 다르다. 공통 모드에서는 높고, 차동 모드에서는 낮다. 출력 임피던스는 높다.
입력/출력 범위: 공통 모드 입력 전압은 두 전원 레일 사이에서 변동될 수 있지만, 전류 미러의 출력 트랜지스터에 최소 1볼트 정도의 전압 강하가 필요하므로 전원 레일에 너무 가까이 갈 수 없다.[1]
3. 5. 1. 플로팅 입력 소스 (Floating input source)
두 개의 베이스 사이에 플로팅 소스를 연결하는 것이 가능하지만, 바이어스 베이스 전류에 대한 경로를 확보해야 한다.[1] 갈바닉 소스의 경우, 베이스 중 하나와 접지 사이에 하나의 저항만 연결하면 된다.[1] 바이어스 전류는 이 베이스로 직접 들어가고, 간접적으로(입력 소스를 통해) 다른 베이스로 들어간다.[1] 소스가 커패시티브 소스인 경우, 베이스 전류에 대한 서로 다른 경로를 확보하기 위해 두 개의 베이스와 접지 사이에 두 개의 저항을 연결해야 한다.[1]
3. 5. 2. 입력/출력 임피던스 (Input/output impedance)
차동 쌍의 입력 임피던스는 입력 모드에 따라 크게 달라진다. 공통 모드에서 두 부분은 이미터 부하가 높은 공통 컬렉터 스테이지처럼 동작한다. 따라서 입력 임피던스는 매우 높다. 차동 모드에서 두 부분은 접지된 이미터를 가진 공통 이미터 스테이지처럼 동작한다. 따라서 입력 임피던스는 낮다.
차동 쌍의 출력 임피던스는 높다(특히 그림 3에 표시된 전류 미러가 있는 개선된 차동 쌍의 경우).
3. 5. 3. 입력/출력 범위 (Input/output range)
공통 모드 입력 전압은 두 전원 레일 사이에서 변동될 수 있지만, 전원 레일에 근접하게 도달할 수는 없다. 그 이유는 두 전류 미러의 출력 트랜지스터에 어느 정도의 전압 강하(최소 1볼트)가 남아 있어야 하기 때문이다.[1]
4. 연산 증폭기를 이용한 차동 증폭기 (Operational amplifier as differential amplifier)
연산 증폭기(op-amp)는 매우 높은 차동 모드 이득, 매우 높은 입력 임피던스, 낮은 출력 임피던스를 갖는 차동 증폭기이다. 부궤환(negative feedback)을 적용하면 예측 가능하고 안정적인 이득을 갖는 op-amp 차동 증폭기를 만들 수 있다.[13]
연산 증폭기를 이용한 차동 증폭기
몇몇 종류의 차동 증폭기는 보통 여러 개의 더 간단한 증폭기를 포함한다. 예를 들어 전체 차동 증폭기, 계측 증폭기, 절연 증폭기 등은 여러 개의 op-amp를 조합하여 만들기도 한다.
5. 응용 분야 (Applications)
차동 증폭기는 부궤환을 사용하는 많은 회로(연산 증폭기 팔로워, 비반전 증폭기 등)에서 발견되며, 한쪽 입력은 입력 신호에, 다른 쪽은 궤환 신호에 사용된다(일반적으로 연산 증폭기로 구현됨).[14] 1940년대 초의 구식 반전 단일 종단 연산 증폭기는 추가적인 저항 네트워크를 연결하여 병렬 부궤환만 구현할 수 있었다(연산 증폭기 반전 증폭기가 가장 인기 있는 예).[14]
일반적인 응용 분야는 전동기 또는 서보 기구의 제어뿐만 아니라 신호 증폭이다. 개별 전자 소자에서 차동 증폭기를 구현하기 위한 일반적인 구성은 장미 다단이며, 이는 대부분의 연산 증폭기 집적 회로에서 차동 소자로도 사용된다.[14] 장미 다단은 차동 전압을 한쪽 입력으로, 바이어스 전류를 다른 쪽 입력으로 하여 아날로그 곱셈기로 사용할 수 있다.
차동 증폭기는 이미터 결합 논리 게이트의 입력단 및 스위치로 사용된다. 입력이 0 또는 음수일 때, 출력은 0에 가깝다(하지만 포화되지 않을 수 있음).[14] 입력이 양수일 때, 출력은 가장 양수이며, 동적 동작은 위에서 설명한 증폭기 사용과 동일하다.
차동 증폭기는 음극 팔로워 발진기에 사용된다. 장점은 차동 증폭기 입력 및 출력의 높은 임피던스와 입력과 출력 간의 작은 위상 변화이다.
차동 증폭 회로는 입력이 하나인 증폭 회로보다 범용적인 형태이다. 기준 전압과 입력 신호의 차이를 증폭하는 것처럼 보이므로 비교기로 이용할 수 있다. 또한, 입력의 한쪽을 접지하면 대지 전압과 입력 신호의 차이 신호가 증폭되므로 단일 입력의 증폭 회로와 동등하게 된다.
차동 증폭 회로는 부궤환을 사용한 시스템에서 자주 사용된다. 구체적인 응용으로 전동기의 제어, 서보 기구, 일반적인 신호 증폭 회로 등이 있다.
다양한 용도로 사용되지만, 특히 미세 신호를 증폭하는 심전계나 스트레인 게이지 등의 정밀 계측 분야 및 통신 분야 등에서 널리 사용된다.
5. 1. 대칭 피드백 네트워크를 통한 공통 모드 이득 및 바이어스 제거
그림 6: 비이상적인 연산 증폭기를 사용한 차동 증폭기: 입력 바이어스 전류 및 차동 입력 임피던스
연산 증폭기(비이상적)의 입력 바이어스 전류 또는 차동 입력 임피던스가 상당한 영향을 미치는 경우, 공통 모드 입력 신호 및 바이어스의 영향을 개선하는 피드백 네트워크를 선택할 수 있다. 그림 6에서, 전류 발생기는 각 단자에서 입력 바이어스 전류를 모델링한다. ''I''+b 및 ''I''−b는 각각 단자 ''V''+ 및 ''V''−에서의 입력 바이어스 전류를 나타낸다.
''V''+ 단자를 구동하는 네트워크에 대한 테브냉 등가는 전압 ''V''+' 및 임피던스 ''R''+'를 갖는다.
:
''V''− 단자를 구동하는 네트워크의 경우:
:
만약,
:
와 같은 관계가 성립하면, 다음과 같은 결과를 얻을 수 있다.
:
이는 차동 신호에 대한 폐루프 이득이 ''V''+in − ''V''−in임을 의미하지만, 공통 모드 이득은 0이다.
또한, 공통 모드 입력 바이어스 전류가 상쇄되어 입력 오프셋 전류 ''I''Δb = ''I''+b − ''I''−b만 남아 있으며, 계수는 ''R''i이다. 입력 오프셋 전류는 입력 저항 ''R''i를 가로질러 작용하는 입력 오프셋 전압과 동일하며, 이는 입력 단자에 대한 피드백 네트워크의 소스 저항이다.
개방 루프 전압 이득 ''A''ol이 1보다 훨씬 큰 경우, 폐루프 전압 이득은 ''R''f/''R''i이며, 이는 "가상 접지"로 알려진 방법으로 얻을 수 있는 값이다.[14]
참조
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[9]
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[10]
문서
Long-tail is a figurative name of high resistance that represents the high emitter resistance at common mode with a common long tail with a proportional length (at differential mode this tail shortens up to zero). If additional emitter resistors with small resistances are included between the emitters and the common node (to introduce a small negative feedback at differential mode), they can be figuratively represented by short tails.
[11]
문서
More generally, this arrangement can be considered as two interacting voltage followers with negative feedback: the output part of the differential pair acts as a voltage follower with constant input voltage (a voltage stabilizer) producing constant output voltage; the input part acts as a voltage follower with varying input voltage trying to change the steady output voltage of the stabilizer. The stabilizer reacts to this intervention by changing its output quantity (current, respectively voltage) that serves as a circuit output.
[12]
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Interestingly, it is as though the negative feedback has reversed the transistor behavior - the collector current has become an input quantity while the base current serves as an output one.
[13]
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In this arrangement it seems strange that a high-gain differential amplifier (op-amp) is used as a component of a low-gain differential amplifier, in the way that a high-gain inverting amplifier (op-amp) serves as a component in a low-gain [[Operational amplifier applications#Inverting amplifier|inverting amplifier]]. This paradox of negative-feedback amplifiers impeded [[Harold Stephen Black|Harold Black]] obtaining his patent.
[14]
문서
For the closed-loop common-mode gain to be zero only requires that the ratio of resistances Rf / Ri be matched in the inverting and non-inverting legs. For the input bias currents to cancel, the stricter relation given here must obtain.
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