이번 포스팅은 차동증폭기를 제대로 이해하는데에 앞서 에피타이져의 식으로
장단점과 단일 증폭기에 대한 차이점을 이해하도록 하기 위함과 차동증폭기 본문의 분량이 많아질 것을 우려해 해당 글을 나눠 이번 포스팅을 적음
| 구분(W/L)이 같은 경우 | 동작 | 장단점 |
| 단일 증폭기 | 하나의 CS 또는 CG를 통해 입력 신호를 증폭함 | 장점 : 차동 증폭기에 비해 전력소모가 적다 단점 : 차동 증폭기에 비해 전압이득이 적다 잡음이 들어온 경우 신호의 손상 발생 |
| 차동 증폭기 | 서로 반대인 위상을 입력으로 받는 두개의 CS를 통해 출력 전압을 증폭시킨다. | 장점 : CS에 비해 전압이득은 같지만 잡음 성분들을 제거할 수 있다. 단점 : CS가 추가됨으로써 전력소모가 2배 |
단일 증폭기와 차동 증폭기의 출력
먼저 사진 1. 단일 신호의 출력을 보면 출력되는 전압을 측정하기 위해 (+ -)에 디지털 멀티미터의 프로브를 연결하여 해당되는 출력을 확인 할 수 있다.
이를 통해 알 수 있는 것은 출력 전압에는 바이어스를 잡기 위한 DC 성분과 어떤 신호인 AC 성분이 같이 들어오게 되며 이는 아래 식 1로 표현이 가능하다.
사진 2의 구성을 보게되면 Vin1은 (+)의 위상을 가지는 신호가 입력이 되고 Vin2는 (-)의 위상을 가지는 신호가 동시에 입력이 되는 구성을 가지고 있습니다.
+단자와 -단자를 그라운드에 접지시켜 출력 전압을 확인하는 단일 증폭기와 달리 차동 증폭기는 양쪽 노드(X, Y)에 디지털 멀티미터의 프로브를 연결하여 출력 전압을 확인할 수 있습니다.
사진 2에서의 점선은 차동 신호에서의 중심 전위(Center Potential) 즉 dc레벨을 의미하며 이는 공통 모드(Common Mode, CM) 레벨이라 부릅니다.
각 노드 X와 Y에 출력 전압은 식 2와 같이 표현이 가능합니다.
그러면 측정을 두 노드 X, Y에 연결을 하니 출력 전압 Vout은 식 3과 같이 표현이 가능하게 됩니다.
식 3을 통해 알 수 있는 점은 DC 성분은 없어지고, 신호를 단일 증폭기에 비해 두배 증폭시켜줌을 알 수 있습니다.
잡음의 영향 비교
잡음의 영향을 보기 위해 먼저 단일 증폭기를 봅시다. 공급 전압에 어떤 잡음이 포함되었을 때 출력은 해당 잡음의 성분이 같이 섞여서 나오게 됩니다.
이는 사진 3과 식 4를 통해 확인 할 수 있습니다.
식 4에선 DC성분과 AC 성분이 같이 포함된 값으로 표현되었음을 참고하시기 바라며 출력전압에 공급전압의 잡음 성분이 나오는 것을 알 수 있다.
반대로 차동증폭기는 식 3과 동일한 결과가 나오게 되며 사진 4와 식 5를 참조해보면 알 수 있다.
식 4와 5를 비교하게 되면 공급전압에 생기는 잡음을 수식으로 보게 될 때 단일 증폭기는 잡음이 그대로 출력에 나와 신호를 손상시키는 반면에 차동증폭기는 잡음성분을 제거함을 알 수 있다.
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