差動増幅器と同相除去
出力は二つの入力の差にだけ反応する
V1 = 1V は反転入力側に固定で、V2 は非反転入力側に入る。抵抗比で定めた差動利得は2だ。V2 を動かそう。出力 Vout = 2(V2 − V1) は二つの入力の差にだけ反応する。V2 が V1 と等しくなると出力は0になる。出力が目標 6V に届くよう V2 を合わせよ。
一方は+へ、もう一方は−へ
反転増幅器は一つの入力だけ、しかも反転入力で受けた。差動増幅器は二つの信号を両方の入力に分けて入れる。V2 は非反転(+)入力側へ、V1 は反転(−)入力側へ入る。仮想短絡が二つの入力電位を等しく保つ中で、+側は電位を V2 へ引き上げようとし、−側は V1 を基準に踏ん張る。その綱引きの結果が出力に現れ、見事に二つの信号の差にだけ反応する。
共通で入ったものは消える
二つの入力に同じ信号が一緒に乗ると、たとえば二本の線が並んで走り一緒に拾った雑音がそうなら、それを同相成分(コモンモード)という。差 V2 − V1 が0なので同相成分は出力にまったく出ない。抵抗が正確に対になったとき、すなわち反転側 R1 と Rf の比と非反転側 R3 と R2 の比が等しいとき、共通部分は完全に相殺される。だから差動増幅器は遠くから弱い信号を二本の線で運ぶとき、両線に等しく付いた雑音を消し信号の差だけを増幅する。この同相除去能力が計測増幅器の心臓だ。
差動利得と純粋な引き算
抵抗が対になった差動増幅器の出力は Vout = (Rf/R1)(V2 − V1) だ。先頭の Rf/R1 が差動利得で、差をどれだけ増幅するか定める。四つの抵抗をすべて等しくすると利得が1になり Vout = V2 − V1、二つの電圧をそのまま引く減算器になる。反転増幅器が符号を反転し非反転が符号を保ったのに対し、差動増幅器はその二つの道を合わせ、一方の入力を引き一方を足して、雑音に強い測定の基本ブロックになる。
最初の画面に戻ると
V2 を動かすと出力は 2(V2 − V1) と育ち、V2 = 4V で目標 6V に届いた(V1 = 1)。V2 が V1 と等しくなる所では出力が0だったので、出力が差にだけ反応することを目で見たわけだ。一方を+へ、もう一方を−へ入れたこの構造が、二本の線に等しく付いた雑音を消し差だけを増幅する。反転と非反転の道を合わせたこの差動増幅が、弱い信号を遠くからきれいに運ぶ計測の基本ブロックだ。