Single ended Amplifier와 Differential Amplifier의 차이점

안녕하세요

오늘은 Single ended OP AMP와 Differential OP AMP의 차이점에 대해서 공부하고 정리해보겠습니다.

이번에 OP AMP를 공부하고 있는데 가장 기본적인 단일증폭기와 차동증폭기를 비교해보았습니다.

 

 

Differential Amplifier란 기본적으로 두개의 입력신호의 전압차를 증폭시켜 하나의 출력으로 보내주는 회로입니다.

2개의 입력신호를 가지고 2개의 출력을 내보내줄 수도 있고 2개의 입력신호를 가지고 하나의 출력을 내보내 줄 수도 있습니다.

최근에 공부했던 Common source amplifier는 Gate단자를 입력으로 Drain단자를 출력으로 하는

하나의 입력신호를 증폭시켜 하나의 출력신호로 보내주는 증폭기였는데

이는 하나의 입력과 하나의 출력을 가지고 있기 때문에 Differential amplifier가 아닙니다.

 

Differential Amplifier의 대표적인 예로는 OP Amp가 있습니다.

두개의 입력신호의 전위차를 증폭시켜 하나의 출력으로써 사용하는 소자입니다. 

 

Differential Amplifier를 사용하는 이유

1. 커패시터를 사용할 필요가 없다.

BJT나 Mosfet을 이용한 Amplifier들은 회로에 커패시터들이 달려있습니다.

DC biasing을 위해서 커패시터들을 달아주어야하는데 Differential Amplfier의 경우에는 커패시터가 필요없습니다.

왜냐하면 위 그림과 같이 Differential Amplifier는 두 트렌지스터가 마주보고 있는 형태로 구성되어 있는데

두 트랜지스터 사이에 흐르는 전류는 전류원의 값 I로 제한되고 트랜지스터의 입력엔 각각 2개씩의 전압원이 연결되어 있습니다

그 중 \(V_{CM}\)은 Common mode voltage로써 두 트랜지스터를 바이어싱 해주는 DC전압입니다. 

DC 바이어싱을 위해서 AC전압원을 쇼트시키면 두 트랜지스터의 게이트 전압이 \(V_{CM}\)으로 같아지고

Source의 전압을 공통으로 공유하고 있으므로 결국 두 트랜지스터엔 같은 전류가 흐르게 됩니다.

두 트랜지스터에 흐르는 전류의 합은 I이므로 각각 1/2만큼의 전류가 흐르게 될 것입니다.

이렇게 전류가 쉽게 구해지면 Drain전압 또한 쉽게 구할 수 있고

따라서 DC바이어싱은 매우 간단하게 끝이나기 때문에 따로 커패시터가 필요없는것이죠!

 

2. Ripple을 없애준다.

위 그림과 같이 통과대역(pass band)와 저지대역(stop band)에서 보이는

리플을 없애주기 때문에 Differential Amplifier를 사용합니다. 

 

리플(Ripple)이란?

간단히 말하자면 신호나 전압등의 부분적인 변동, 출렁임을 말합니다.

우리가 회로에서 자주 표현하던 \(V_{DD}\), \(V_{EE}\), \(V_{SS}\)와 같은 전압원은

항상 아래 회로와 같이 가정하고 사용해왔습니다

그러나 전압원(베터리)의 경우 실제로 내부저항이 존재하는데

만약 내부저항이 위와 같이 0이라면 부하를 2개를 달던 3개를 달던 병렬의 저항에 걸리는 전압이 같아 집니다.

그러나 \(V_{DD}\)의 전압이 공급되지만 내부저항이 존재한다면 부하가 달릴 때마다 전압이 달라지고

여러 부하의 동작타이밍이 서로 다르다면 끊임없이 전압이 변동되겠죠?

이러한 전압의 변동을 바로 리플(Ripple)이라고 합니다. 그래서 노이즈처럼 물결 모양으로 보여지죠.

Differential Amplifier 기본구조

Differential Amplifier의 기본구조는 위 그림과 같습니다.

출력을 두 입력신호가 증폭된 \(V_{D1}\)과 \(V_{D2}\)의 차로 가져간다면 다음과 같이 식이 세워집니다.

위 식과 같이 Differential Amplfier를 사용하면 Ripple이 존재했던

\(V_{DD}\)가 사라지게 됨으로 리플이 제거되는 것을 확인할 수 있겠죠?

 

 

 

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