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差動増幅段: 差だけ増やし共通は捨てる

演算増幅器の入口は、二つの入力の差だけを選んで増幅し、両方に同じように乗った信号は抑え込みます。入力の差を自分で広げながら、一対が分け合うテール電流が片側へ傾くとき、差動出力が生まれる過程をたどります。

入力の差を広げて、テール電流を片側へ傾ける

図の二つの枝は、下で一つのテール電流を分け合っています。二つの入力の差 vdiff = v+ − v− を広げると、それぞれの枝を流れる電流の点の密度が変わります。差が 0 なら電流は左右に等しく分かれますが、一方の入力が高くなるとその枝へ電流が寄り、棒で描かれた差動出力もその分伸びます。

差動入力 vdiffvdiff = 0 mV
電流の偏りと差動出力
I1 : I2 = 50 : 50
vod = Ad vdiff (Ad = gm Rd)
二つの入力が等しい。テール電流が左右に等しく分かれて二つの枝の電流がそろい、出力の差は 0 です。
均衡 · 差動出力0

テール電流を分け合う一対

差動増幅段は、同じように作った二つのトランジスタのソース(またはエミッタ)をひとつにまとめ、その下に一定の電流を流すテール電流源を一つつけます。二つの枝が分け合える電流の合計は、いつもこのテール電流で決まっています。だから一方の枝が多く取れば、もう一方はちょうどその分だけ少なくなります。二つの入力が決めるのは、この決まった合計を左右にどう分けるかだけです。

差を増幅する、電流が偏る

一方の入力 v+ がもう一方の v− より高くなると、そちらのトランジスタが強くオンになってテール電流を多く引き込み、反対側の枝の電流はその分減ります。二つの枝に同じ負荷抵抗をつけておくと、電流の多い側は抵抗での電圧降下が大きく、少ない側は小さくなるので、二つの出力の差が入力の差に比例して開きます。二つの出力の間で測ったこの差動利得は Ad = gm Rd で、共通ソース増幅器と同じ形です。ただし比例するのは真ん中付近だけです。差が数十ミリボルトを超えると、テール電流がほぼすべて片側へ移り、出力は飽和します。

同相は除去する、CMRR

今度は二つの入力が同じだけ一緒に上がるとします。二つの差は 0 のままなので、電流をどちらかへ傾ける理由がありません。そのうえ下のテール電流源が合計を一定に保っているので、二つの枝の電流は相変わらず半分ずつで、差動出力はびくともしません。雑音や温度ドリフト、電源の揺れのように二つの入力に同じように乗る同相信号は、こうして取り除かれます。差動利得を同相利得で割った値が同相除去比 CMRR で、大きいほど優れています。実際のテール電流源は完全ではなく、二つのトランジスタもまったく同じではないので、同相信号はわずかに漏れます。そのため CMRR は無限大ではなく、普通デシベルで書く有限の値です。差だけをきれいに増幅するこの性質があるから、この一対はあらゆる演算増幅器の入力段を受け持ちます。

観察I1 + I2 = Itail
二つの枝の電流の合計は、いつもテール電流で決まっています。
選ぶvod = Ad ?
差動出力は、二つの入力の差を増幅したものです。
空欄Ad = gm ?
差動利得はトランスコンダクタンスと負荷抵抗の積です。
自分でCMRR = Ad / ?
CMRR は差動利得を同相利得で割った値です。

最初の画面に戻ると

二つの入力が等しいとき、テール電流は左右に等しく分かれ、差動出力は 0 でした。一方の入力を上げると電流がその枝へ寄り、出力が差に比例して開きました。差が大きくなると電流がすべて片側へ移り、出力はそれ以上伸びませんでした。鍵は下でまとめられた一つのテール電流です。合計がいつも一定なので、一方が取った分だけもう一方が手放し、その傾きがそのまま差動出力になります。二つの入力が一緒に上がるときは差がないので電流が傾く理由がなく、合計も変わらないので出力は変化しません。差だけを増幅して共通分を捨てるこの一対から、次に出会う演算増幅器の大きな利得が始まります。

差動増幅段は、テール電流を分け合う、対にした二つのトランジスタです。二つの入力の差 vdiff = v+ − v− がテール電流を片側へ傾け、差動出力 vod = Ad·vdiff(Ad = gm Rd)を作ります。二つの入力が一緒に動く同相信号は、テール電流源が合計を一定に保つので出力が変わらず、除去されます。差動利得と同相利得の比が CMRR で、差だけを増幅するこの構造があらゆる演算増幅器の入力段です。

次へつながる流れ

差動増幅段が作る大きな差動利得を何段も重ねると、演算増幅器の開ループ利得、つまり無限大に近い利得になります。しかし、その利得はただではありません。次のユニットでは、周波数が高くなるほど演算増幅器の利得が下がるという現実と、利得と帯域幅の積が一定に保たれるという利得帯域幅積(GBW)を扱います。