seegongsik
CR · 연산증폭기

차동 증폭기와 공통모드 제거

두 신호의 차이만 키우고 둘이 함께 주워 온 잡음은 버리고 싶을 때가 있다. 한 신호를 비반전 입력에, 다른 신호를 반전 입력에 넣으면 op-amp는 둘의 차를 증폭하고 공통 성분은 지운다. 이 유닛에서 그 차동 증폭의 원리를 익혀요.

출력은 두 입력의 차에만 반응한다

V1 = 1V는 위쪽 반전 입력 쪽에 고정되어 있고, V2는 아래쪽 비반전 입력 쪽으로 들어간다. 저항비로 정한 차동 이득은 2다. V2를 밀면 출력 쪽 화살표가 Vout = 2(V2 − V1)에 맞춰 늘고 줄어, 오직 두 입력의 차에만 반응한다. V2가 V1과 같아지면 출력은 0이 된다. 출력이 흰 점선의 목표 6V에 닿도록 V2를 맞춰요.

비반전 입력 V2V2 = 1.5 V
출력 전압 Vout = G(V2−V1)
Vout = 2(V2 − V1) = 1.0 V
목표 6V에서 멀다

한 신호는 +로, 다른 신호는 −로

반전 증폭기는 입력 하나를 반전 입력으로만 받았다. 차동 증폭기는 두 신호를 양쪽 입력에 나눠 넣어, V2는 R3를 거쳐 비반전(+) 입력으로, V1은 R1을 거쳐 반전(−) 입력으로 들어간다. 비반전 입력의 전위는 R3와 R2가 V2를 나눈 값으로 정해지고, 가상 단락이 반전 입력도 그 전위에 맞춘다. 그러면 V1에서 R1을 지나 들어오는 전류가 정해지고 그 전류가 Rf를 지나며 출력을 정하는데, 저항이 짝지어져 있으면 그 결과가 두 신호의 차에만 반응해요.

공통으로 들어온 것은 사라진다

두 입력에 똑같은 신호가 함께 실리는 경우, 이를테면 나란히 달리는 두 선이 같이 주워 온 잡음을 공통모드라 한다. 차 V2 − V1이 0이므로 공통모드는 출력에 나오지 않는다. 다만 이 상쇄가 완벽하려면 저항이 정확히 짝지어져 Rf/R1 = R2/R3여야 하고, 저항이 조금만 어긋나도 공통모드가 그만큼 출력에 새어 나온다. 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 핵심이에요.

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 비반전 증폭기가 부호를 지켰다면 차동 증폭기는 두 길을 합쳐 한 입력은 빼고 한 입력은 더하는 셈이고, 잡음에 강한 측정 회로의 기본 블록이 돼요.

관찰Vout = G(V2 − V1)
출력은 두 입력의 차예요.
고르기V1 = V2 → Vout = ?
공통 성분은 사라져요.
빈칸G = ?
차동 이득은 저항비다.
스스로R1 = Rf → Vout = ?
저항이 모두 같으면 순수한 빼기다.

첫 화면으로 돌아가서

V2를 밀자 출력 화살표는 2(V2 − V1)로 자랐고, V2 = 4V에서 목표 6V에 닿았다(V1 = 1). V2가 V1과 같아지는 자리에서는 출력이 0이었으니 출력이 오직 차에만 반응한다는 것을 눈으로 확인한 셈이다. 한 신호를 +로, 다른 신호를 −로 넣은 이 구조가 두 선에 똑같이 묻은 잡음을 지우고 차이만 키워요. 반전과 비반전의 길을 합친 차동 증폭이 약한 신호를 멀리서 깨끗하게 끌어오는 계측의 기본 블록이다.

차동 증폭기는 한 신호를 비반전(+) 입력에, 다른 신호를 반전(−) 입력에 넣어 둘의 차만 증폭하는 회로다. 저항이 짝지어지면 출력은 Vout = (Rf/R1)(V2 − V1)이고, 두 입력에 공통으로 실린 성분(공통모드)은 차가 0이라 상쇄되어 사라진다. 네 저항이 같으면 이득 1의 순수 감산기가 된다. 두 선에 똑같이 묻은 잡음을 지우고 약한 신호를 끌어올리는 계측 증폭기의 핵심이다.