差動増幅段: 差だけ増やし共通は捨てる
入力の差を広げて電流を偏らせる
下の対は一つの尾部電流を共に分け合う。入力の差 vdiff = v+ − v− を広げてみよう。差が0なら電流が左右に等しく分かれるが、片方の入力が高くなるとその枝へ電流が偏り差動出力が生じる。
尾部電流を分け合う一対
差動増幅段は同一に作った二つのトランジスタのソース(またはエミッタ)を一つに束ね、その下に一つの一定な尾部電流源を付ける。二枝が使える電流の和は常にこの尾部電流に固定される。だから一枝が多く取れば他枝はその分少なく取る。二つの入力はこの固定された和を左右にどう分けるかを決めるだけだ。
差を増幅する、電流が偏る
片方の入力v+が他方v−より高くなると、そのトランジスタが強く入り尾部電流を多く引く。その分反対の枝の電流は減る。二枝に同じ負荷抵抗を付けると、電流が多い側は電圧がより下がり少ない側は下がらず、二つの出力の差が入力の差に比例して広がる。この差動利得はAd = gm Rdで、コモンソース増幅器のそれと同じ形だ。
共通は拒否する、CMRR
今度は二つの入力が一緒に同じだけ上がるとしよう。両者の差はそのまま0なので電流をどちらかへ偏らせる理由がない。さらに下の尾部電流源が和を一定に保ち、二枝の電流は依然として等しく半分ずつだ。だから差動出力はびくともしない。雑音、温度ドリフト、電源の揺れのように二つの入力に等しく乗る共通信号がこうして拒否される。差動利得と共通利得の比が同相除去比CMRRで、この値が大きいほど良い。差だけを綺麗に増やすこの性質が、すべての演算増幅器の入力段である理由だ。
最初の画面に戻ると
二つの入力が等しいとき尾部電流は左右に等しく分かれ差動出力は0だった。片方の入力を上げると電流がその枝へ偏り出力が差に比例して広がった。秘密は下に束ねた一つの尾部電流だ。和は常に一定なので一方が取った分他方が出し、その傾きが差動出力だ。だが二つの入力が一緒に上がると差がなく電流が偏る理由がなく、和も固定なので出力はそのままだ。差だけを増やし共通を捨てるこの一対が、次に出会う演算増幅器の巨大な利得が始まる入力段だ。
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積むと、演算増幅器のほぼ無限に近い開ループ利得になる。だがその利得はただではない。次のユニットでは演算増幅器の利得が周波数が高くなるほど落ちるという現実と、利得と帯域幅の積が一定に保たれる利得帯域幅積(GBW)を見る。