シングルエンド増幅器と差動増幅器：設計、動作、応用

シングルエンド増幅器と差動増幅器

回路設計において、増幅器の複雑な内部構造はしばしば単一の三角形シンボルに簡略化されます。この抽象化により、回路図を読みやすく保ちながら、デバイスの本質的な機能を伝えることができます。

このシンボルは、2つの電源ピン（+Vと-V）と単一の入力・出力リードを示しています。すべての信号ノードがグラウンドと呼ばれる共通点を参照しているため、入力と出力は単一の導体として描かれます。多くの実用回路では、片方の電源レールがグラウンドに接続されています。

入力ソース、負荷抵抗、電源を備えた現実的な増幅器回路は以下のようになります：

シングルエンド増幅器と差動増幅器：設計、動作、応用

回路図から一目でわかるのは、入力電圧V_inが増幅され、負荷R_loadを駆動することです。詳細な解析を行うには、電圧利得A_V、電流利得A_I、電力利得A_P、バイアス点またはQ点を追加します。

増幅器が真の交流波形、つまり正負両方にスイングする波形を出力する必要がある場合、分割（またはデュアル）電源が使用されます。グラウンドを正負のレールの中間に配置することで、増幅器に対称的な電圧基準を与えます。

シングルエンド増幅器と差動増幅器：設計、動作、応用

総電源電圧30Vの場合、分割電源は±15Vのレールを生成し、出力を+15Vから-15Vまでスイングさせることができます。ピークツーピーク振幅は変わりませんが、追加の結合部品なしで出力がゼロを横切れるようになります。

シングルエンド増幅器とは異なり、差動増幅器は2つの入力間の電圧差を増幅します。三角形シンボルを使用すると、その回路図は以下のようになります：

シングルエンド増幅器と差動増幅器：設計、動作、応用

2つの入力ピンは(-)と(+)とラベル付けされ、それぞれが出力に与える影響が逆であることを反映しています。出力ピンは右側に、電源レールは上下に配置されます。

電圧利得4の差動増幅器における入出力関係を以下の表に示します：

シングルエンド増幅器と差動増幅器：設計、動作、応用

重要なポイント：

理解を助けるため、エンジニアはしばしば差動増幅器を、敏感な電圧計で制御される可変電圧源としてモデル化します：

シングルエンド増幅器と差動増幅器：設計、動作、応用

この抽象化では、検流計（高感度電圧計）が出力電圧を設定し、入力信号はその設定にのみ影響を与えます。実際の出力電流は入力信号ではなく電源から供給されます。

差動電圧が入力のラベル付けと一致する場合、出力は正になります。極性が相反する場合、出力は負になります。これはデジタル電圧計が電圧を表示する仕組みと同じです：赤いリードを正とみなします。

シングルエンド増幅器と差動増幅器：設計、動作、応用

差動増幅器は2つの入力間の差のみを増幅するため、出力極性はそれらの入力の相対的な符号のみに依存し、いずれかの入力とグラウンドの関係には依存しません。

差動増幅器は計装および制御システムで広く使用されています：

アナログコンピュータでは、2つの数学的信号を比較します。
プロセス計装では、物理量の差（例：2つのタンクの液位）を測定し、差が閾値を超えるとアラームを発報します。
フィードバックループでは、プロセス変数と設定値を比較します。結果として得られる差動信号がコントローラ（バルブ、モーターなど）を駆動し、プロセスを設定値近くに維持します。