差動増幅器：その概要、種類、用途を理解する

導入

差動増幅器は、その多様な用途から、今日の電子機器において広く用いられている回路です。しかし、このような回路を扱ったことのない方は、次のような疑問を抱くかもしれません。 差動増幅器とは何か?

差動増幅器とは、2つの入力を受け取り、その差のみを増幅するように設計された回路と定義できます。同時に、2つの入力における同相信号を除去します。

その 差動増幅器 各入力が示す全体的な電圧レベルを増幅するのではなく、信号間の差や変化に重点を置いています。

差動増幅器はどのように動作するのでしょうか?

その 差動オペアンプ 2つの入力端子があります。これらはVin+とVin-と名付けられます。アンプの役割は、回路の入力となるこれらの電圧の差のみを増幅することです。

この回路は、入力信号の差を増幅するだけでなく、同相除去機能も備えています。これにより、両入力端子に存在する干渉波やノイズは、アンプによって減衰または除去されます。

出力では、差動信号とも呼ばれる増幅された差が得られます。

 

差動増幅器の主な特性とパラメータ

差動増幅器には、次のような特性があります。

• 差動増幅器は、2 つの入力信号の差のみを増幅するため、優れたノイズ除去性能を発揮します。
• 高いゲインも期待できます。そのため、小さな電圧差でも優れた増幅率が得られます。 差動増幅器方程式.
• 結果として得られる信号はより正確です。 差動増幅器BJTコモンモードノイズを除去できます。これにより、必要な信号をより良く得ることができます。

留意すべき重要なパラメータには次のようなものがあります。

• 同相信号除去比（CMRR）：これは、アンプが同相信号を除去する能力を定量化したものです。CMRRが高いほどノイズ除去能力が高いため、高いCMRRを持つことが推奨されます。
• 入力オフセット電圧：アンプに入力信号がまだ印加されていない状態での2つの入力間の電圧差です。最高の精度を得るには、入力オフセット電圧を低く設定することが推奨されます。
• 差動ゲイン: 2 つの入力信号の差に対する増幅器の増幅率です。
• 入力抵抗：2つの入力端子間のインピーダンスです。入力抵抗が高いほど、信号源への負荷を軽減できます。
• 帯域幅: 差動増幅器が効果的に動作できる周波数範囲を定義します。

 

差動増幅器の種類

差動増幅器のゲインを求めるには、どのタイプを扱っているかを理解する必要があります。差動増幅器を分類する方法はいくつかあります。入力と出力の構成、BJTタイプ、オペアンプタイプなどです。

入力と出力の構成

この場合、タイプとして次のオプションを取得できます。

1. デュアル入力、バランス出力: この構成は、2 つの入力信号の差を増幅することで機能し、出力には 2 つの等しいが反対の信号が生成されます。
2. デュアル入力、アンバランス出力: この構成では、2 つの入力信号間の差が増幅されますが、今回は出力はシングルエンドになります。
3. 単一入力、バランス出力: このタイプの構成には 1 つの入力信号があり、2 つのバランス出力信号が生成されます。
4. シングル入力、アンバランス出力: この構成タイプは、シングルエンド出力を持つ 1 つの入力信号を備えています。

BJT差動増幅器

このタイプの差動増幅器は、2つの入力信号の差を増幅します。これは、様々なアナログ回路の基本的な構成要素と考えられています。

オペアンプ（差動増幅器）

これは差動増幅器のもう一つの重要なタイプであり、2つの入力電圧の差を増幅する役割を担います。2つの入力と1つの出力を備えています。主な機能は、2つの入力間の電圧差を、 差動オペアンプ回路.

 

差動増幅器の用途

簡単な 差動増幅器の計算ご覧いただければ、このような回路の使い方がいくつかあることがお分かりいただけるでしょう。使い方がわからない場合は、以下に差動増幅器の一般的な用途をいくつかご紹介します。

アナログ-デジタルコンバータの信号処理

これは完全差動アンプの一般的な用途です。差動ADC入力の駆動に最適です。アンチエイリアシングフィルタリング特性を簡便に実装できるため、ノイズの多い環境での信号取得にも適しています。

差動信号の測定

これらのアンプは差動信号をより正確に測定できます。精度が不可欠な電圧および電流の監視に最適です。

信号品質とノイズ除去

差動アンプはコモンモード除去機能を備えているため、コモンモード干渉や外部ノイズに対して堅牢です。この機能は、ノイズによって信号が劣化する可能性のあるアプリケーションにとって重要です。

計測機器とセンサー

高い入力インピーダンス、低ノイズ、高い同相除去比といった特長を持つ差動アンプは、計装アンプとして最適です。微弱な信号を取得し、必要なレベルまで増幅することができます。

電源アプリケーション

はい、差動増幅器は信号内の共通モードノイズとともに電源ノイズを除去できるため、電源アプリケーションにも適しています。

差動アンプの長所と短所

長所

• 差動増幅器は入力信号中のノイズを除去するのに非常に効果的である。
• 信号整合性とノイズ低減アプリケーションに重要な、期待されるバランス出力
• 差動アンプはノイズに敏感な環境にも適しており、センサーや計測機器を備えたアプリケーションに最適です。
• 差動増幅器の使用により高調波歪みが低減され、信号品質が向上します。
• これらのアンプはノイズを除去できるため、データ伝送、オーディオ、電話システムに適しています。

短所

• 差動アンプはシングルエンドアンプに比べて設計が複雑です。これは、サイズが大きくなるため、回路コストが増加する可能性があるためです。
• これらのアンプは通常、シングルエンド アンプを使用する場合に比べて、チップまたは回路基板上に多くのスペースを必要とします。
• 設定によってはインピーダンス不整合の問題が発生する場合もあります。これにより、同相除去比が低下する可能性があります。

 

差動アンプとシングルエンドアンプ

今では、 差動増幅器の式 そしてそれがどのように動作するか。シングルエンドアンプはどうでしょうか？

シングルエンドアンプは、1つの入力信号とグラウンド基準を持ちます。出力信号はグラウンドを基準として増幅されます。この構成では、コモンモードノイズも入力信号と共に増幅されるため、ノイズの影響を受けやすくなります。

シングルエンドアンプには限界があるにもかかわらず、依然として用途があります。基本的なオーディオ増幅など、ノイズが大きな問題にならない用途で使用されます。

2 つの主な違いは、差動アンプはコモンモード ノイズを除去するように構築されているのに対し、シングルエンド アンプはコモンモード ノイズを増幅するという点です。

また、コストも異なります。差動アンプはより複雑で、構築に必要な部品の数も多くなります。そのため、差動アンプにはより多くの費用がかかります。

信号品質はどうでしょうか？差動アンプはノイズを抑制することで信号品質を向上させます。そのため、シングルエンドアンプでは十分な性能を発揮できないアプリケーションもあります。

 

特徴	シングルエンドアンプ	差動増幅器
入力	1つ	二
出力	1つ	1つまたは2つ
増幅	地面に対する信号	2つの入力信号の差
ノイズ耐性	低い	高い
同相除去	低い	高い

 

結論

差動アンプの回路図を実際に操作してみると、いくつかのパラメータが他のアンプタイプよりも優れていることにすぐに気づくでしょう。これは制限がないという意味ではありませんが、全体的な機能性は非常に優れています。ノイズ耐性の向上、電圧ダイナミックレンジの拡大、高調波歪みの低減など、多くのメリットが得られます。もし今差動アンプを設計するのであれば、まず適切なツールを使用してシミュレーションを行い、最高の性能を得るために最適化が必要な箇所を特定しましょう。