差動増幅回路の動作原理

差動増幅回路

差動増幅回路とは、2つの入力の差電圧を増幅する回路です。
差動増幅器とも呼ばれます。
オペアンプを使った回路では、減算回路とも言われます。

本稿では、トランジスタを使った差動増幅回路とオペアンプを使った回路について、わかりやすく解説していきます。

トランジスタを使った差動増幅回路

2つのトランジスタを使って構成します。

差動増幅回路

2つのトランジスタがペア(対)になっていることから、差動対とも呼ばれます。

動作原理

NPN型を例に説明していきます。

差動増幅回路

2つのトランジスタのエミッタ側の電圧は、IN1とIN2の大きい方の電圧からVBE下がった電圧となります。
IN2=2Vとして、IN1の電圧をスイープさせると、下図のようになります。

差動対の動作波形

2つのトランジスタのエミッタ電圧は等しいので、IN1>IN2の領域では、VBE1>VBE2となり、Q1のコレクタ電流が増加し、Q2のコレクタ電流が減少します。
よって、OUT1の電圧が低下、OUT2の電圧が上昇します。

差動増幅回路の動作波形

コレクタ電流の傾きが相互コンダクタンス:Gmになります。
この波形では、Gm=9.2mA/Vとなっています。

増幅率Avは、Av=Gm×R1=43.2倍となります。
入力にサイン波を加えて増幅波形を確認しましょう。

IN1に2V±1mV / 1kHzの波形を、IN2に位相を反転させた波形を入力します。

差動増幅波形

増幅率は、Av=85mV / 2mV = 42.5倍となり、先程の計算結果とほぼ一致します。

カレントミラーを使った差動対

カレントミラーを使った、片側出力の差動対です。
用途はオペアンプやコンパレータの入力段など。

カレントミラーを使った差動増幅回路

IC1はカレントミラーでQ2のコレクタ側に折り返されます。
IN1>IN2の状態では、Q2側に電流が多く流れ、IC1<IC2となり、出力電流はIC2-IC1の電流が流し出されます。

逆に、IN1<IN2の状態では、IC1>IC2となるため、IC1-IC2の電流が引き込まれます。

カレントミラー回路の動作原理と設計計算の方法

この回路の特徴は、出力インピーダンスが高いために高い電圧利得を得られることです。
動作波形は下図のようになり、少しの電圧差で出力が振り切っているのが分かります。

差動増幅回路の動作波形

増幅率は1,372倍となっています。

オペアンプを使った差動増幅回路(減算回路)

オペアンプを使った差動増幅回路は下図のような構成になります。

オペアンプを使った差動増幅回路

IN1とIN2の差電圧をR2 / R1倍して出力します。
抵抗値はR1=R3、R2=R4とします。

センサ回路などで、GND同士の電位差を測定する用途などで使われます。

オペアンプの基本動作については下記記事をご参照ください。
オペアンプ回路の基礎と設計計算の方法

利得の計算

差動増幅回路の動作原理

オペアンプの非反転入力端子の電圧:V+は、

差動増幅回路の利得計算

バーチャルショートの考え方より、

差動増幅回路の利得計算

抵抗:R1に流れる電流:I1は、

差動増幅回路の利得計算

よって、出力電圧:VOUTは、

差動増幅回路の利得計算

ここで、R1=R3、R2=R4とすると、

差動増幅回路の利得計算

したがって、利得はAv = R2 / R1で、2つの入力の差電圧:VIN2 – VIN1をAv倍していることが分かります。
これが減算回路とも言われる所以です。

計算例

R1=R3=10kΩ、R2=R4=47kΩ、VIN1=1V、VIN2=2Vとすると、増幅率Avは、

Av = R2 / R1 = 4.7倍

出力電圧は、

VOUT = Av ( VIN2 – VIN1 ) = 4.7 × 1 = 4.7V

となります。

この記事のキーワード

関連記事
エミッタ接地回路の特徴と使い方

エミッタ接地回路とは、バイポーラトランジスタのエミッタを入出力共通端子とし、ベースを入力、コレクタを出力として使う増幅回路です。 エミッタ共通回路、エミッタコモン回路とも呼ばれます。 本稿では、エミッタ接地回路の特徴や使い方、計算方法について解説していきます。 INDEX特徴動作…

コンパレータの設計方法とヒステリシスの作り方

コンパレータとは、2つの入力電圧を比較して出力を切り替える回路です。 非反転入力端子(+端子)の電圧の方が高ければ出力電圧はHi、反転入力端子(-端子)の電圧の方が高ければ出力電圧はLoとなります。 片側の入力電圧を固定して閾値とし、もう一方の電圧が閾値より高いか低いかを判定する…

A級、B級、C級、D級アンプの違い

A級~D級アンプの違いをまとめました。 クラス 回路図 効率 歪み 用途 A級 ~50% ○ 一般増幅回路オーディオ B級 ~78% × 一般増幅回路オーディオ AB級 ~78% ○ 一般増幅回路オーディオ C級 ~90% × 高周波回路 D級 ~90% × オーディオ INDE…

ベース接地回路の特徴と用途

ベース接地回路とは、バイポーラトランジスタのベースを入出力共通端子とし、エミッタを入力、コレクタを出力として使う回路です。 電圧増幅率が高く、電流増幅作用がない(1倍)という特徴を持ちます。 ベース共通回路、ベースコモン回路とも呼ばれます。 INDEXベース接地回路の特徴ベース接…

オペアンプ回路の基礎と設計計算の方法

オペアンプ(OPamp)とは、微小な電圧信号を増幅して出力することができる回路、またはICのことです。 反転入力端子と非反転入力端子の2つの入力端子を持ち、その2つの入力電圧の差を増幅して出力することができます。 通常、帰還(フィードバック)をかけて使い、増幅回路、微分回路、積分…