차동증폭단: 차만 키우고 공통은 버린다
두 입력의 차를 벌려 꼬리 전류를 한쪽으로 기울인다
그림의 두 가지는 아래에서 하나의 꼬리 전류를 나눠 쓴다. 두 입력의 차 vdiff = v+ − v−를 벌리면 각 가지를 흐르는 전류 점의 밀도가 달라진다. 차가 0이면 전류가 좌우로 똑같이 갈리지만, 한쪽 입력이 높아지면 그쪽 가지로 전류가 쏠리고 막대로 그린 차동 출력도 그만큼 자라요.
꼬리 전류를 나눠 갖는 한 쌍
차동증폭단은 똑같이 만든 두 트랜지스터의 소스(또는 이미터)를 한데 묶고, 그 아래에 일정한 전류를 흘리는 꼬리 전류원 하나를 단다. 두 가지가 나눠 쓸 수 있는 전류의 합은 언제나 이 꼬리 전류로 정해져 있다. 그래서 한 가지가 더 가져가면 다른 가지는 정확히 그만큼 덜 가져간다. 두 입력이 정하는 것은 이 고정된 합을 좌우로 어떻게 나눌지뿐이에요.
차를 증폭한다, 전류가 쏠린다
한쪽 입력 v+가 다른 쪽 v−보다 높아지면 그쪽 트랜지스터가 더 세게 켜져 꼬리 전류를 더 많이 끌어가고, 반대쪽 가지의 전류는 그만큼 준다. 두 가지에 같은 부하 저항을 달아 두면 전류가 많은 쪽은 저항에서 전압이 더 많이 떨어지고 적은 쪽은 덜 떨어지므로, 두 출력의 차가 입력의 차에 비례해 벌어진다. 두 출력 사이에서 잰 이 차동 이득은 Ad = gm Rd로 공통소스 증폭기와 같은 꼴이다. 다만 비례하는 구간은 가운데 근처뿐이다. 차가 수십 밀리볼트를 넘으면 꼬리 전류가 한쪽으로 거의 다 넘어가 출력이 포화한다.
공통은 거부한다, CMRR
이번에는 두 입력이 같은 만큼 함께 올라간다고 하자. 둘의 차는 그대로 0이니 전류를 어느 쪽으로 기울일 까닭이 없다. 게다가 아래의 꼬리 전류원이 합을 일정하게 붙들고 있어 두 가지의 전류는 여전히 절반씩이고, 차동 출력은 꿈쩍하지 않는다. 잡음이나 온도 드리프트, 전원 흔들림처럼 두 입력에 똑같이 실리는 공통 신호는 이렇게 걸러진다. 차동 이득을 공통 이득으로 나눈 값이 공통 모드 제거비 CMRR이고, 클수록 좋다. 실제 꼬리 전류원은 완벽하지 않고 두 트랜지스터도 똑같지 않아 공통 신호가 조금은 새어 나가므로, CMRR은 무한대가 아니라 보통 데시벨로 적는 유한한 값이에요. 차만 깨끗이 키우는 이 성질 덕에 이 한 쌍이 모든 연산증폭기의 입력단을 맡는다.
첫 화면으로 돌아가서
두 입력이 같을 때 꼬리 전류는 좌우로 똑같이 갈렸고 차동 출력은 0이었다. 한쪽 입력을 올리자 전류가 그 가지로 쏠리며 출력이 차에 비례해 벌어졌고, 차가 커지자 전류가 한쪽으로 다 넘어가 출력이 더는 자라지 않았다. 열쇠는 아래에 묶인 하나의 꼬리 전류다. 합이 늘 일정하니 한쪽이 가져간 만큼 다른 쪽이 내놓고, 그 기울기가 곧 차동 출력이 된다. 두 입력이 함께 올라갈 때는 차가 없어 전류가 기울 까닭이 없고 합도 그대로라 출력이 변하지 않는다. 차만 키우고 공통은 버리는 이 한 쌍에서, 다음에 만날 연산증폭기의 큰 이득이 시작돼요.
이어지는 흐름
차동증폭단이 만든 큰 차동 이득을 여러 단 쌓으면 연산증폭기의 개방 이득, 곧 무한에 가까운 큰 이득이 된다. 그러나 그 이득은 공짜가 아니다. 다음 유닛에서는 주파수가 높아질수록 연산증폭기의 이득이 떨어지는 현실과, 이득과 대역폭을 곱한 값이 일정하게 유지된다는 이득-대역폭 곱(GBW)을 다룬다.