차동 증폭기와 공통모드 제거
출력은 두 입력의 차에만 반응한다
V1 = 1V는 반전 입력 쪽에 고정이고, V2는 비반전 입력 쪽에 들어간다. 저항비로 정한 차동 이득은 2다. V2를 밀어 보라. 출력은 Vout = 2(V2 − V1)로 오직 두 입력의 차에만 반응한다. V2가 V1과 같아지면 출력은 0이 된다. 출력이 목표 6V에 닿도록 V2를 맞춰라.
한 신호는 +로, 다른 신호는 −로
반전 증폭기는 한 입력만, 그것도 반전 입력으로 받았다. 차동 증폭기는 두 신호를 양쪽 입력에 나눠 넣는다. V2는 비반전(+) 입력 쪽으로, V1은 반전(−) 입력 쪽으로 들어간다. 가상 단락이 두 입력 전위를 같게 맞추는 가운데, +쪽은 전위를 V2에 가깝게 끌어올리려 하고 −쪽은 V1을 기준으로 버틴다. 그 줄다리기의 결과가 출력에 나타나는데, 절묘하게도 두 신호의 차에만 반응한다.
공통으로 들어온 것은 사라진다
두 입력에 똑같은 신호가 함께 실리면, 가령 두 선이 나란히 달리며 같이 주워 온 잡음이 그렇다면, 그것을 공통모드라 한다. 차 V2 − V1이 0이므로 공통모드는 출력에 전혀 나오지 않는다. 저항들이 정확히 짝지어졌을 때, 곧 반전쪽 R1·Rf의 비와 비반전쪽 R3·R2의 비가 같을 때 공통 성분이 완벽히 상쇄된다. 그래서 차동 증폭기는 멀리서 약한 신호를 두 선으로 끌어올 때 두 선에 똑같이 묻은 잡음을 지우고 신호의 차이만 키운다. 이 공통모드 제거 능력이 계측 증폭기의 심장이다.
차동 이득과 순수 빼기
저항이 짝지어진 차동 증폭기의 출력은 Vout = (Rf/R1)(V2 − V1)이다. 앞의 Rf/R1이 차동 이득으로, 차를 얼마나 키울지 정한다. 네 저항을 모두 같게 두면 이득이 1이 되어 Vout = V2 − V1, 곧 두 전압을 그대로 빼는 감산기가 된다. 반전 증폭기가 부호를 뒤집고 비반전이 부호를 지켰다면, 차동 증폭기는 그 둘의 길을 합쳐 한 입력은 빼고 한 입력은 더하며, 잡음에 강한 측정의 기본 블록이 된다.
첫 화면으로 돌아가서
V2를 밀자 출력은 2(V2 − V1)로 자랐고, V2 = 4V에서 목표 6V에 닿았다(V1 = 1). V2가 V1과 같아지는 자리에서는 출력이 0이었으니, 출력이 오직 차에만 반응함을 눈으로 본 셈이다. 한 신호를 +로, 다른 신호를 −로 넣은 이 구조가 두 선에 똑같이 묻은 잡음을 지우고 차이만 키운다. 반전과 비반전의 길을 합친 이 차동 증폭이, 약한 신호를 멀리서 깨끗이 끌어오는 계측의 기본 블록이다.