차동증폭단: 차만 키우고 공통은 버린다
두 입력의 차를 벌려 전류를 쏠리게 하라
아래 짝은 하나의 꼬리 전류를 함께 나눠 갖는다. 두 입력의 차 vdiff = v+ − v−를 벌려 보라. 차가 0이면 전류가 좌우로 똑같이 갈리지만, 한쪽 입력이 높아지면 그쪽 가지로 전류가 쏠리고 차동 출력이 생긴다.
꼬리 전류를 나눠 갖는 한 쌍
차동증폭단은 똑같이 만든 두 트랜지스터의 소스(또는 이미터)를 한데 묶고, 그 아래에 하나의 일정한 꼬리 전류원을 단다. 두 가지가 함께 쓸 수 있는 전류의 합은 늘 이 꼬리 전류로 고정된다. 그래서 한 가지가 더 많이 가져가면 다른 가지는 그만큼 덜 가져간다. 두 입력은 이 고정된 합을 좌우로 어떻게 나눌지를 정할 뿐이다.
차를 증폭한다, 전류가 쏠린다
한쪽 입력 v+가 다른 쪽 v−보다 높아지면, 그쪽 트랜지스터가 더 세게 켜져 꼬리 전류를 더 많이 끌어간다. 그만큼 반대쪽 가지의 전류는 줄어든다. 두 가지에 같은 부하 저항을 달면, 전류가 많은 쪽은 전압이 더 떨어지고 적은 쪽은 덜 떨어져, 두 출력의 차가 입력의 차에 비례해 벌어진다. 이 차동 이득은 Ad = gm Rd로, 공통소스 증폭기의 그것과 같은 꼴이다.
공통은 거부한다, CMRR
이번에는 두 입력이 함께 같은 만큼 올라간다고 하자. 둘 사이의 차는 그대로 0이니 전류를 어느 쪽으로 쏠리게 할 이유가 없다. 게다가 아래의 꼬리 전류원이 합을 일정하게 붙들어, 두 가지의 전류는 여전히 똑같이 절반씩이다. 그래서 차동 출력은 꿈쩍도 하지 않는다. 잡음, 온도 드리프트, 전원 흔들림처럼 두 입력에 똑같이 실리는 공통 신호가 이렇게 거부된다. 차동 이득과 공통 이득의 비가 공통 모드 제거비 CMRR이고, 이 값이 클수록 좋다. 차만 깨끗이 키우는 이 성질이 모든 연산증폭기의 입력단인 까닭이다.
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 벌어졌다. 비밀은 아래에 묶인 하나의 꼬리 전류다. 합은 늘 일정하니 한쪽이 가져간 만큼 다른 쪽이 내놓고, 그 기울기가 곧 차동 출력이다. 그런데 두 입력이 함께 올라가면 차가 없어 전류가 쏠릴 이유가 없고, 합도 고정이라 출력은 그대로다. 차만 키우고 공통은 버리는 이 한 쌍이, 다음에 만날 연산증폭기의 거대한 이득이 시작되는 입력단이다.
이어지는 흐름
차동증폭단이 만든 큰 차동 이득을 여러 단 쌓으면 연산증폭기의 거의 무한에 가까운 개방 이득이 된다. 그러나 그 이득은 공짜가 아니다. 다음 유닛에서는 연산증폭기의 이득이 주파수가 높아질수록 떨어진다는 현실, 그리고 이득과 대역폭의 곱이 일정하게 유지된다는 이득-대역폭 곱(GBW)을 본다.