แอมพลิฟายเออร์แบบดิฟเฟอเรนเชียล เป็น แอมพลิฟายเออร์อิเล็กทรอนิกส์ชนิดหนึ่งที่ขยายความแตกต่างระหว่างแรงดัน อินพุตสองตัว แต่จะระงับแรงดันใดๆ ที่เหมือนกันในอินพุตทั้งสอง^{[ 1 ]}เป็นวงจรอนาล็อกที่มีอินพุตสองตัวและเอาต์พุตหนึ่งตัวโดยที่เอาต์พุตเป็นสัดส่วนกับความแตกต่างระหว่างแรงดันทั้งสองใน อุดมคติ${\displaystyle V_{\text{in}}^{-}}$${\displaystyle V_{\text{in}}^{+}}$${\displaystyle V_{\text{out}}}$

${\displaystyle V_{\text{out}}=A(V_{\text{in}}^{+}-V_{\text{in}}^{-}),}$

อัตราขยายของเครื่องขยายเสียง อยู่ที่ไหน${\displaystyle A}$

วงจรขยาย สัญญาณเดี่ยวโดยทั่วไปจะสร้างขึ้นโดยการเพิ่มตัวต้านทาน ป้อนกลับที่เหมาะสมให้กับ ออปแอมป์มาตรฐานหรือใช้ไอซีวงจร เฉพาะ ที่มีตัวต้านทานป้อนกลับภายใน นอกจากนี้ยังเป็นส่วนประกอบย่อยที่พบได้ทั่วไปในไอซีวงจรขนาดใหญ่ที่จัดการสัญญาณอนาล็อก

${\displaystyle V_{\text{out}}=A_{\text{d}}(V_{\text{in}}^{+}-V_{\text{in}}^{-}),}$

โดยที่และคือแรงดันไฟฟ้าขาเข้า และคืออัตราขยายเชิงอนุพันธ์ ${\displaystyle V_{\text{in}}^{+}}$${\displaystyle V_{\text{in}}^{-}}$${\displaystyle A_{\text{d}}}$

ในทางปฏิบัติ อัตราขยายของอินพุตทั้งสองจะไม่เท่ากันเสียทีเดียว ซึ่งหมายความว่า ตัวอย่างเช่น ถ้าและเท่ากัน ผลลัพธ์จะไม่เป็นศูนย์เหมือนในกรณีอุดมคติ ดังนั้น นิพจน์ที่สมจริงกว่าสำหรับผลลัพธ์ของตัวขยายสัญญาณแบบดิฟเฟอเรนเชียลจึงมีพจน์ที่สองเพิ่มเข้ามา: ${\displaystyle V_{\text{in}}^{+}}$${\displaystyle V_{\text{in}}^{-}}$

${\displaystyle V_{\text{out}}=A_{\text{d}}(V_{\text{in}}^{+}-V_{\text{in}}^{-})+A_{\text{c}}{\frac {V_{\text{in}}^{+}+V_{\text{in}}^{-}}{2}},}$

โดยที่เรียกว่า อัตราขยายโหมดร่วมของแอมพลิฟายเออร์ ${\displaystyle A_{\text{c}}}$

เนื่องจากแอมพลิฟายเออร์แบบดิฟเฟอเรนเชียลมักใช้เพื่อกำจัดสัญญาณรบกวนหรือแรงดันไบแอสที่ปรากฏที่อินพุตทั้งสอง จึงมักต้องการอัตราขยายโหมดร่วมที่ต่ำ

อัตราส่วนการปฏิเสธโหมดร่วม (CMRR) ซึ่งโดยทั่วไปกำหนดเป็นอัตราส่วนระหว่างอัตราขยายโหมดเชิงอนุพันธ์และอัตราขยายโหมดร่วม บ่งชี้ถึงความสามารถของแอมพลิฟายเออร์ในการยกเลิกแรงดันไฟฟ้าที่มาจากอินพุตทั้งสองได้อย่างแม่นยำ อัตราส่วนการปฏิเสธโหมดร่วมถูกกำหนดดังนี้

${\displaystyle {\text{CMRR}}=10\log _{10}\left({\frac {A_{\text{d}}}{A_{\text{c}}}}\right)^{2}=20\log _{10}{\frac {A_{\text{d}}}{|A_{\text{c}}|}}.}$

ในวงจรขยายสัญญาณแบบดิฟเฟอเรนเชียลที่มีความสมมาตรสมบูรณ์แบบค่า จะเป็นศูนย์ และค่า CMRR จะเป็นอนันต์ โปรดทราบว่าวงจรขยายสัญญาณแบบดิฟเฟอเรนเชียลเป็นรูปแบบทั่วไปของวงจรขยายสัญญาณมากกว่าวงจรขยายสัญญาณที่มีอินพุตเดียว โดยการต่อกราวด์อินพุตหนึ่งของวงจรขยายสัญญาณแบบดิฟเฟอเรนเชียล จะได้วงจรขยายสัญญาณแบบซิงเกิลเอนด์ ${\displaystyle A_{\text{c}}}$

วงจรขยายสัญญาณแบบดิฟเฟอเรนเชียลสมัยใหม่มักถูกสร้างขึ้นด้วยวงจรทรานซิสเตอร์สองตัวพื้นฐานที่เรียกว่า"คู่แบบหางยาว"หรือคู่แบบดิฟเฟอเรนเชียล วงจรนี้เดิมทีถูกสร้างขึ้นโดยใช้ หลอดสุญญากาศสองตัว วงจรนี้ทำงานในลักษณะเดียวกันสำหรับอุปกรณ์สามขั้วทั้งหมดที่มีอัตราขยายกระแส จุดไบแอสของวงจรตัวต้านทานแบบ "หางยาว" ส่วนใหญ่ถูกกำหนดโดยกฎของโอห์มและน้อยกว่านั้นโดยคุณลักษณะของส่วนประกอบแอคทีฟ

วงจรคู่หางยาวได้รับการพัฒนาจากความรู้ก่อนหน้านี้เกี่ยวกับเทคนิควงจรพุช-พูลและบริดจ์การวัด^{[ 2 ]}วงจรยุคแรกๆ ที่คล้ายกับวงจรคู่หางยาวได้รับการตีพิมพ์โดยนักประสาทสรีรวิทยาชาวอังกฤษ ไบรอัน แมทธิวส์ ในปี 1934 ^{[ 3 ]}และดูเหมือนว่านี่จะเป็นวงจรคู่หางยาวที่แท้จริง แต่ถูกตีพิมพ์โดยมีข้อผิดพลาดในการวาดภาพ วงจรคู่หางยาวที่แน่นอนที่เก่าแก่ที่สุดปรากฏในสิทธิบัตรที่ยื่นโดยอลัน บลัมไลน์ในปี 1936 ^{[ 4 ]}ในช่วงปลายทศวรรษ 1930 โครงสร้างทางโทโพโลยีได้รับการยอมรับอย่างดีและได้รับการอธิบายโดยผู้เขียนหลายคน รวมถึงแฟรงค์ ออฟเนอร์ (1937) ^{[ 5 ]}ออตโต ชมิตต์ (1937) ^{[ 6 ]}และแยน ฟรีดริช โทนนีส์ (1938) ^{[ 7 ]}และโดยเฉพาะอย่างยิ่งใช้สำหรับการตรวจจับและการวัดแรงกระตุ้นทางสรีรวิทยา^{[ 8 ]}

วงจรคู่สายยาวถูกนำมาใช้อย่างประสบความสำเร็จอย่างมากในการคำนวณของอังกฤษในยุคแรก โดยเฉพาะอย่างยิ่งใน รุ่น Pilot ACEและรุ่นต่อๆ มา^{[ nb 1 ]} EDSACของ Maurice Wilkes และอาจรวมถึงรุ่นอื่นๆ ที่ออกแบบโดยผู้ที่ทำงานร่วมกับ Blumlein หรือเพื่อนร่วมงานของเขา วงจรคู่สายยาวมีคุณสมบัติที่น่าสนใจหลายประการหากใช้เป็นสวิตช์ ได้แก่ ความต้านทานต่อการเปลี่ยนแปลงของหลอด (ทรานซิสเตอร์) สูง (ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งเมื่อเครื่องจักรมีหลอด 1,000 หลอดขึ้นไป) อัตราขยายสูง ความเสถียรของอัตราขยาย อิมพีแดนซ์อินพุต สูง อิม พีแดนซ์เอาต์พุตปานกลาง/ต่ำตัวตัดสัญญาณที่ดี (โดยมีสายยาวไม่มากเกินไป) ไม่กลับเฟส ( EDSAC ไม่มีอินเวอร์เตอร์! ) และแรงดันเอาต์พุตแกว่งกว้าง ข้อเสียอย่างหนึ่งคือ แรงดันเอาต์พุตแกว่ง (โดยทั่วไป ±10–20 V) ถูกกำหนดบนแรงดัน DC สูง (ประมาณ 200 V) ซึ่งต้องใช้ความระมัดระวังในการเชื่อมต่อสัญญาณ โดยปกติแล้วจะเป็นการเชื่อมต่อ DC แบบบรอดแบนด์บางรูปแบบ คอมพิวเตอร์หลายเครื่องในยุคนั้นพยายามหลีกเลี่ยงปัญหานี้โดยใช้ตรรกะพัลส์แบบ AC-coupled เท่านั้น ซึ่งทำให้เครื่องมีขนาดใหญ่และซับซ้อนเกินไป ( ENIAC : หลอดสุญญากาศ 18,000 หลอดสำหรับเครื่องคิดเลข 20 หลัก) หรือไม่น่าเชื่อถือ วงจรแบบ DC-coupled กลายเป็นมาตรฐานหลังจากคอมพิวเตอร์หลอดสุญญากาศรุ่นแรกๆ

แอมพลิฟายเออร์คู่แบบดิฟเฟอเรน เชียล (แบบหางยาว, ^{[ nb 2 ]}ต่อกับตัวส่งสัญญาณ) ประกอบด้วยขั้นตอนการขยายสัญญาณสองขั้นตอนที่มีการเสื่อมสภาพร่วมกัน ( ตัวส่งสัญญาณ , แหล่งกำเนิดหรือแคโทด )

ด้วยอินพุตสองตัวและเอาต์พุตสองตัว วงจรนี้จึงประกอบเป็นวงจรขยายสัญญาณแบบดิฟเฟอเรนเชียล (รูปที่ 2) ฐานทั้งสอง (หรือกริดหรือเกต) เป็นอินพุตที่ถูกขยายสัญญาณแบบดิฟเฟอเรนเชียล (ลบและคูณ) โดยคู่ทรานซิสเตอร์ สามารถป้อนสัญญาณอินพุตแบบดิฟเฟอเรนเชียล (สมดุล) เข้าไป หรืออาจต่ออินพุตตัวใดตัวหนึ่งลงกราวด์เพื่อสร้าง วงจร แยกเฟส วงจรขยายสัญญาณที่มีเอาต์พุตแบบดิฟเฟอเรนเชียลสามารถขับโหลดแบบลอยตัวหรือวงจรอื่นที่มีอินพุตแบบดิฟเฟอเรนเชียลได้

หากไม่ต้องการเอาต์พุตแบบดิฟเฟอเรนเชียล ก็สามารถใช้เอาต์พุตเพียงตัวเดียวได้ (โดยดึงมาจากตัวเก็บประจุ (หรือแอโนดหรือเดรน) ตัวใดตัวหนึ่งเท่านั้น) โดยไม่คำนึงถึงเอาต์พุตอีกตัวหนึ่ง การกำหนดค่านี้เรียกว่าเอาต์พุตแบบซิงเกิลเอนด์อัตราขยายจะเท่ากับครึ่งหนึ่งของวงจรที่มีเอาต์พุตแบบดิฟเฟอเรนเชียล เพื่อหลีกเลี่ยงการสูญเสียอัตราขยาย สามารถใช้ตัวแปลงจากดิฟเฟอเรนเชียลเป็นซิงเกิลเอนด์ได้ ซึ่งมักจะนำไปใช้ในรูปแบบของวงจรสะท้อนกระแส ( รูปที่ 3 ด้านล่าง )

วงจรดิฟเฟอเรนเชียลคู่สามารถใช้เป็นแอมพลิฟายเออร์ที่มีอินพุตแบบซิงเกิลเอนด์ได้ หากอินพุตตัวใดตัวหนึ่งต่อลงกราวด์หรือต่อกับแรงดันอ้างอิง (โดยปกติแล้ว ตัวเก็บประจุอีกตัวจะใช้เป็นเอาต์พุตแบบซิงเกิลเอนด์) การจัดเรียงนี้สามารถมองได้ว่าเป็นวงจรคอมมอนคอลเลคเตอร์และคอมมอนเบสแบบเรียงต่อกัน หรือเป็นวงจรคอมมอนเบสแบบบัฟเฟอร์^{[ nb 3 ]}

วงจรขยายสัญญาณแบบต่อกับตัวส่งสัญญาณ ( Emitter-coupled amplifier) ​​จะได้รับการชดเชยสำหรับการเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ VBE _​​จะถูกยกเลิก และ หลีกเลี่ยง ปรากฏการณ์มิลเลอร์ (Miller effect) และการอิ่มตัวของทรานซิสเตอร์ ด้วยเหตุนี้จึงถูกนำไปใช้ในการสร้างวงจรขยายสัญญาณแบบต่อกับตัวส่งสัญญาณ (เพื่อหลีกเลี่ยงปรากฏการณ์มิลเลอร์) วงจร แยกเฟส (เพื่อให้ได้แรงดันผกผันสองค่า) เกตและสวิตช์ ECL (เพื่อหลีกเลี่ยงการอิ่มตัวของทรานซิสเตอร์) เป็นต้น

เพื่ออธิบายการทำงานของวงจร จะมีการแยกโหมดเฉพาะสี่โหมดไว้ด้านล่าง แม้ว่าในทางปฏิบัติ บางโหมดจะทำงานพร้อมกันและผลกระทบของพวกมันจะซ้อนทับกันก็ตาม

ตรงกันข้ามกับวงจรขยายสัญญาณแบบคลาสสิกที่ได้รับไบแอสจากด้านฐาน (และดังนั้นจึงขึ้นอยู่กับค่า β อย่างมาก) วงจรคู่ดิฟเฟอเรนเชียลจะได้รับไบแอสโดยตรงจากด้านตัวปล่อยโดยการดึง/ฉีดกระแสนิ่งทั้งหมด การป้อนกลับเชิงลบแบบอนุกรม (การลดทอนของตัวปล่อย) ทำให้ทรานซิสเตอร์ทำหน้าที่เป็นตัวรักษาเสถียรภาพแรงดันไฟฟ้า โดยบังคับให้ทรานซิสเตอร์ปรับแรงดัน VBE ₍กระแสฐาน) เพื่อให้กระแสนิ่งไหลผ่านจุดเชื่อมต่อระหว่างตัวเก็บประจุและตัวปล่อย^{[ nb 4 ]}ดังนั้น เนื่องจากการป้อนกลับเชิงลบ กระแสนิ่งจึงขึ้นอยู่กับค่า β ของทรานซิสเตอร์เพียงเล็กน้อย

กระแสไบแอสที่จำเป็นต่อการกระตุ้นกระแสคอลเลคเตอร์ในสภาวะสงบ มักมาจากกราวด์ ผ่านแหล่งจ่ายอินพุต และเข้าสู่เบส ดังนั้น แหล่งจ่ายจะต้องเป็นแบบกัลวานิก (กระแสตรง) เพื่อให้แน่ใจว่ามีเส้นทางสำหรับกระแสไบแอส และต้องมีความต้านทานต่ำพอที่จะไม่ทำให้เกิดแรงดันตกคร่อมอย่างมีนัยสำคัญ มิเช่นนั้น จะต้องเชื่อมต่อองค์ประกอบกระแสตรงเพิ่มเติมระหว่างเบสและกราวด์ (หรือแหล่งจ่ายไฟบวก)

ในโหมดทั่วไป (แรงดันอินพุตทั้งสองเปลี่ยนแปลงไปในทิศทางเดียวกัน) วงจรติดตามแรงดัน (อีมิเตอร์) ทั้งสองตัวจะทำงานร่วมกันโดยใช้โหลดอีมิเตอร์ที่มีความต้านทานสูงร่วมกัน (ส่วน "หางยาว") พวกมันจะเพิ่มหรือลดแรงดันที่จุดอีมิเตอร์ร่วม (โดยเปรียบเทียบแล้ว พวกมันจะ "ดึงขึ้น" หรือ "ดึงลง" เพื่อให้แรงดันเคลื่อนที่) นอกจากนี้ โหลดแบบไดนามิกจะ "ช่วย" พวกมันโดยการเปลี่ยนความต้านทานโอห์มิกทันทีในทิศทางเดียวกับแรงดันอินพุต (มันจะเพิ่มขึ้นเมื่อแรงดันเพิ่มขึ้นและในทางกลับกัน) จึงทำให้ความต้านทานรวมระหว่างรางจ่ายไฟทั้งสองคงที่ มีการป้อนกลับเชิงลบอย่างสมบูรณ์ (100%) แรงดันฐานอินพุตทั้งสองและแรงดันอีมิเตอร์เปลี่ยนแปลงพร้อมกัน ในขณะที่กระแสคอลเลคเตอร์และกระแสรวมไม่เปลี่ยนแปลง ส่งผลให้แรงดันคอลเลคเตอร์เอาต์พุตไม่เปลี่ยนแปลงเช่นกัน

ปกติในโหมดดิฟเฟอเรนเชียล (แรงดันอินพุตทั้งสองเปลี่ยนแปลงไปในทิศทางตรงกันข้าม) ตัวตามแรงดัน (อีมิเตอร์) ทั้งสองตัวจะทำงานตรงข้ามกัน โดยตัวหนึ่งพยายามเพิ่มแรงดันที่จุดอีมิเตอร์ร่วม ในขณะที่อีกตัวหนึ่งพยายามลดแรงดันนั้น (พูดโดยเปรียบเทียบ ตัวหนึ่ง "ดึงขึ้น" จุดร่วม ในขณะที่อีกตัวหนึ่ง "ดึงลง" เพื่อให้จุดร่วมคงที่) และในทางกลับกัน ดังนั้น จุดร่วมจึงไม่เปลี่ยนแปลงแรงดัน มันทำหน้าที่เหมือนกราวด์เสมือนที่มีขนาดกำหนดโดยแรงดันอินพุตในโหมดร่วม องค์ประกอบอีมิเตอร์ที่มีความต้านทานสูงจะไม่ทำงานใดๆ เพราะมันถูกขนานโดยตัวตามอีมิเตอร์ที่มีความต้านทานต่ำอีกตัวหนึ่ง ไม่มีการป้อนกลับเชิงลบ เนื่องจากแรงดันอีมิเตอร์ไม่เปลี่ยนแปลงเลยเมื่อแรงดันเบสอินพุตเปลี่ยนแปลง กระแสไฟฟ้านิ่งร่วมจะไหลเวียนอย่างรุนแรงระหว่างทรานซิสเตอร์ทั้งสองตัว และแรงดันคอลเลคเตอร์เอาต์พุตจะเปลี่ยนแปลงอย่างรุนแรง ทรานซิสเตอร์ทั้งสองตัวต่อกราวด์ที่อีมิเตอร์ของกันและกัน ดังนั้น แม้ว่าจะเป็น วงจรแบบ common-collectorแต่ในความเป็นจริงแล้วมันทำงานเหมือน วงจรแบบ common-emitterที่มีอัตราขยายสูงสุด ความเสถียรของไบแอสและความเป็นอิสระจากการเปลี่ยนแปลงของพารามิเตอร์ของอุปกรณ์สามารถปรับปรุงได้โดยการป้อนกลับเชิงลบผ่านตัวต้านทานแคโทด/อีมิเตอร์ที่มีความต้านทานค่อนข้างต่ำ

โอเวอร์ไดรฟ์หากแรงดันอินพุตแบบดิฟเฟอเรนเชียลเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญ (มากกว่าประมาณหนึ่งร้อยมิลลิโวลต์) ทรานซิสเตอร์ที่ถูกขับด้วยแรงดันอินพุตที่ต่ำกว่าจะปิด และแรงดันที่ตัวเก็บประจุจะไปถึงแรงดันไฟเลี้ยงบวก ที่โอเวอร์ไดรฟ์สูง รอยต่อเบส-อีมิเตอร์จะกลับขั้ว ทรานซิสเตอร์อีกตัว (ที่ถูกขับด้วยแรงดันอินพุตที่สูงกว่า) จะขับกระแสทั้งหมด หากตัวต้านทานที่ตัวเก็บประจุมีค่าค่อนข้างมาก ทรานซิสเตอร์จะอิ่มตัว แต่ถ้าตัวต้านทานที่ตัวเก็บประจุมีค่าค่อนข้างน้อยและโอเวอร์ไดรฟ์ปานกลาง อีมิเตอร์ยังคงสามารถตอบสนองต่อสัญญาณอินพุตได้โดยไม่อิ่มตัว โหมดนี้ใช้ในสวิตช์แบบดิฟเฟอเรนเชียลและเกต ECL

การพังทลาย หากแรงดันไฟฟ้าขาเข้าเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องและเกิน แรงดันไฟฟ้าพังทลายระหว่างฐานและตัวปล่อยแรงดันไฟฟ้าพังทลายจะเกิดขึ้นที่จุดเชื่อมต่อฐานและตัวปล่อยของทรานซิสเตอร์ที่ถูกขับเคลื่อนด้วยแรงดันไฟฟ้าขาเข้าที่ต่ำกว่า หากแหล่งจ่ายขาเข้ามีความต้านทานต่ำ กระแสไฟฟ้าที่ไม่จำกัดจะไหลผ่าน "สะพานไดโอด" ระหว่างแหล่งจ่ายขาเข้าทั้งสองโดยตรงและจะทำให้แหล่งจ่ายเหล่านั้นเสียหาย

ในโหมดคอมมอน แรงดันที่ตัวส่งสัญญาณจะเปลี่ยนแปลงตามแรงดันอินพุต มีการป้อนกลับเชิงลบอย่างสมบูรณ์ และอัตราขยายต่ำสุด ในโหมดดิฟเฟอเรนเชียล แรงดันที่ตัวส่งสัญญาณจะคงที่ (เท่ากับแรงดันอินพุตทั่วไป ณ ขณะนั้น) ไม่มีการป้อนกลับเชิงลบ และอัตราขยายสูงสุด

ตัวต้านทานคอลเลคเตอร์สามารถแทนที่ด้วยวงจรสะท้อนกระแส (ส่วนสีน้ำเงินด้านบนในรูปที่ 3) ซึ่งส่วนเอาต์พุตทำหน้าที่เป็นโหลดแบบแอคทีฟดังนั้นสัญญาณกระแสคอลเลคเตอร์แบบดิฟเฟอเรนเชียลจึงถูกแปลงเป็นสัญญาณแรงดันแบบซิงเกิลเอนด์โดยไม่มีการสูญเสีย 50% ที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ ทำให้เกนเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า ทำได้โดยการคัดลอกกระแสคอลเลคเตอร์ขาเข้าจากด้านซ้ายไปยังด้านขวา ซึ่งขนาดของสัญญาณขาเข้าทั้งสองจะบวกกัน เพื่อจุดประสงค์นี้ อินพุตของวงจรสะท้อนกระแสจะเชื่อมต่อกับเอาต์พุตด้านซ้าย และเอาต์พุตของวงจรสะท้อนกระแสจะเชื่อมต่อกับเอาต์พุตด้านขวาของแอมพลิฟายเออร์แบบดิฟเฟอเรนเชียล

วงจร Current Mirror จะคัดลอกกระแสคอลเลคเตอร์ด้านซ้ายและส่งผ่านไปยังทรานซิสเตอร์ด้านขวาซึ่งสร้างกระแสคอลเลคเตอร์ด้านขวา ที่เอาต์พุตด้านขวาของวงจรขยายสัญญาณแบบดิฟเฟอเรนเชียล กระแสสัญญาณทั้งสอง (การเปลี่ยนแปลงกระแสบวกและลบ) จะถูกลบกัน ในกรณีนี้ (สัญญาณอินพุตแบบดิฟเฟอเรนเชียล) กระแสทั้งสองจะเท่ากันและตรงข้ามกัน ดังนั้น ผลต่างจึงเป็นสองเท่าของกระแสสัญญาณแต่ละตัว (Δ I  − (−Δ I ) = 2Δ I ) และการแปลงจากสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลเป็นสัญญาณซิงเกิลเอนด์จะเสร็จสมบูรณ์โดยไม่มีการสูญเสียอัตราขยาย รูปที่ 4 แสดงลักษณะการส่งผ่านของวงจรนี้

กระแสไฟฟ้าขณะหยุดทำงานต้องคงที่เพื่อให้แน่ใจว่าแรงดันไฟฟ้าที่ตัวเก็บประจุคงที่ในโหมดร่วม ข้อกำหนดนี้ไม่สำคัญมากนักในกรณีของเอาต์พุตแบบดิฟเฟอเรนเชียล เนื่องจากแม้ว่าแรงดันไฟฟ้าที่ตัวเก็บประจุทั้งสองจะเปลี่ยนแปลงพร้อมกัน แต่ผลต่าง (แรงดันไฟฟ้าเอาต์พุต) จะไม่เปลี่ยนแปลง แต่ในกรณีของเอาต์พุตแบบซิงเกิลเอนด์ การรักษากระแสไฟฟ้าให้คงที่นั้นสำคัญอย่างยิ่ง เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าที่ตัวเก็บประจุของเอาต์พุตจะเปลี่ยนแปลง ดังนั้น ยิ่งความต้านทานของแหล่งจ่ายกระแส ในวงจรดั้งเดิมของรูปที่ 2 สูงเท่าใด อัตราขยายในโหมดร่วม ก็ จะยิ่งต่ำลง (ดีขึ้น) เท่านั้น${\displaystyle R_{\text{e}}}$${\displaystyle A_{\text{c}}}$

กระแสคงที่ที่ต้องการสามารถสร้างได้โดยการเชื่อมต่อองค์ประกอบ (ตัวต้านทาน) ที่มีความต้านทานสูงมากระหว่างจุดอีมิเตอร์ร่วมและรางจ่ายไฟ (ลบสำหรับทรานซิสเตอร์ NPN และบวกสำหรับทรานซิสเตอร์ PNP) แต่ต้องใช้แรงดันไฟฟ้าสูง ดังนั้นในการออกแบบที่ซับซ้อนกว่านั้น จึงใช้องค์ประกอบที่มีความต้านทานเชิงอนุพันธ์สูง (ไดนามิก) ที่ใกล้เคียงกับ แหล่งจ่าย/ตัวรับ กระแสคงที่ (ส่วนล่างของรูปที่ 3) แทน "หางยาว" โดยปกติจะใช้ตัวสะท้อนกระแสเนื่องจากมีแรงดันไฟฟ้าจำกัดสูง (แรงดันตกคร่อมทรานซิสเตอร์เอาต์พุตน้อย)

สามารถต่อแหล่งจ่ายแบบลอยตัวระหว่างฐานทั้งสองได้ แต่จำเป็นต้องจัดให้มีเส้นทางสำหรับกระแสไบแอสฐาน ในกรณีของแหล่งจ่ายแบบกัลวานิก จะต้องต่อตัวต้านทานเพียงตัวเดียวระหว่างฐานหนึ่งกับกราวด์ กระแสไบแอสจะเข้าสู่ฐานนี้โดยตรงและเข้าสู่ฐานอีกฐานหนึ่งโดยอ้อม (ผ่านแหล่งจ่ายอินพุต) หากแหล่งจ่ายเป็นแบบคาปาซิทีฟ จะต้องต่อตัวต้านทานสองตัวระหว่างฐานทั้งสองกับกราวด์เพื่อให้แน่ใจว่ามีเส้นทางที่แตกต่างกันสำหรับกระแสฐาน

อิมพีแดนซ์อินพุตของวงจรคู่ดิฟเฟอเรนเชียลขึ้นอยู่กับโหมดอินพุตเป็นอย่างมาก ในโหมดคอมมอน วงจรทั้งสองจะทำงานเหมือนวงจรคอมมอนคอลเลคเตอร์ที่มีโหลดที่อีมิเตอร์สูง ดังนั้นอิมพีแดนซ์อินพุตจึงสูงมาก ในโหมดดิฟเฟอเรนเชียล วงจรทั้งสองจะทำงานเหมือนวงจรคอมมอนอีมิเตอร์ที่มีอีมิเตอร์ต่อลงดิน ดังนั้นอิมพีแดนซ์อินพุตจึงต่ำ

อิมพีแดนซ์เอาต์พุตของคู่ดิฟเฟอเรนเชียลมีค่าสูง (โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับคู่ดิฟเฟอเรนเชียลที่ได้รับการปรับปรุงด้วยวงจรสะท้อนกระแส ดังแสดงในรูปที่ 3 )

แรงดันอินพุตโหมดร่วมสามารถเปลี่ยนแปลงได้ระหว่างรางจ่ายไฟทั้งสอง แต่ไม่สามารถเข้าใกล้รางจ่ายไฟทั้งสองได้ เนื่องจากต้องมีแรงดันตกคร่อมทรานซิสเตอร์เอาต์พุตของวงจรสะท้อนกระแสทั้งสอง (อย่างน้อย 1 โวลต์)

ตัวขยายสัญญาณปฏิบัติการหรือ op-amp คือตัวขยายสัญญาณแบบดิฟเฟอเรนเชียลที่มีอัตราขยายแบบดิฟเฟอเรนเชียลสูงมาก อิมพีแดนซ์อินพุตสูงมาก และอิมพีแดนซ์เอาต์พุตต่ำ ตัวขยายสัญญาณแบบดิฟเฟอเรนเชียลที่ใช้ op-amp สามารถสร้างได้ด้วยอัตราขยายที่คาดการณ์ได้และเสถียรโดยการใช้ ฟีดแบ็ก เชิงลบ (รูปที่ 5) ^{[ nb 5 ]}ตัวขยายสัญญาณแบบดิฟเฟอเรนเชียลบางชนิดมักประกอบด้วยตัวขยายสัญญาณแบบดิฟเฟอเรนเชียลที่ง่ายกว่าหลายตัว ตัวอย่างเช่นตัวขยายสัญญาณแบบดิฟเฟอเรนเชียลเต็มรูปแบบตัวขยายสัญญาณสำหรับเครื่องมือวัดหรือตัวขยายสัญญาณแบบแยกส่วนมักสร้างขึ้นจากการรวมกันของ op-amp หลายตัว

วงจรขยายสัญญาณแบบดิฟเฟอเรนเชียลพบได้ในวงจรหลายประเภทที่ใช้การป้อนกลับเชิงลบ แบบอนุกรม (เช่น วงจรติดตามออปแอมป์ วงจรขยายสัญญาณแบบไม่กลับเฟส เป็นต้น) โดยที่อินพุตหนึ่งใช้สำหรับสัญญาณอินพุต และอีกอินพุตหนึ่งใช้สำหรับสัญญาณป้อนกลับ (โดยปกติจะใช้ออปแอมป์ ) เพื่อเปรียบเทียบ ออปแอมป์แบบกลับเฟสแบบซิงเกิลเอนด์รุ่นเก่าจากช่วงต้นทศวรรษ 1940 สามารถสร้างการป้อนกลับเชิงลบแบบขนานได้เท่านั้นโดยการเชื่อมต่อเครือข่ายตัวต้านทานเพิ่มเติม (วงจรขยายสัญญาณแบบกลับเฟสที่ใช้ออปแอมป์เป็นตัวอย่างที่นิยมใช้มากที่สุด) การใช้งานทั่วไปคือการควบคุมมอเตอร์หรือเซอร์โวรวมถึงการขยายสัญญาณ ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ แบบแยกชิ้น การจัดเรียงทั่วไปสำหรับการใช้งานวงจรขยายสัญญาณแบบดิฟเฟอเรนเชียลคือคู่สายยาวซึ่งมักพบเป็นองค์ประกอบดิฟเฟอเรนเชียลในวงจรรวม ออปแอมป์ส่วนใหญ่ คู่สายยาวสามารถใช้เป็นตัวคูณแบบอนาล็อกโดยใช้แรงดันดิฟเฟอเรนเชียลเป็นอินพุตหนึ่ง และกระแสไบแอสเป็นอีกอินพุตหนึ่ง

วงจรขยายสัญญาณแบบดิฟเฟอ เรนเชียลถูกใช้เป็นทั้งวงจรป้อนเข้าและวงจรลอจิกแบบคัปปลิ้งที่ขาอีมิเตอร์ เมื่อใช้เป็นสวิตช์ ขาเบส/กริด "ซ้าย" จะใช้เป็นสัญญาณป้อนเข้า และขาเบส/กริด "ขวา" จะต่อลงกราวด์ ส่วนสัญญาณเอาต์พุตจะมาจากขาคอลเลคเตอร์/เพลตด้านขวา เมื่อสัญญาณป้อนเข้าเป็นศูนย์หรือค่าลบ สัญญาณเอาต์พุตจะใกล้เคียงกับศูนย์ (แต่จะไม่ถึงจุดอิ่มตัว) เมื่อสัญญาณป้อนเข้าเป็นค่าบวก สัญญาณเอาต์พุตจะมีค่าบวกมากที่สุด การทำงานแบบไดนามิกจึงเหมือนกับการใช้งานวงจรขยายสัญญาณที่อธิบายไว้ข้างต้น

วงจรขยายสัญญาณแบบดิฟเฟอเรนเชียลใช้ในวงจร oscillator แบบ cathode followerข้อดีคือ อิ มพีแดนซ์สูงของอินพุตและเอาต์พุตของวงจรขยายสัญญาณแบบดิฟเฟอเรนเชียล และการเลื่อนเฟสเล็กน้อยระหว่างอินพุตและเอาต์พุต การใช้งานนี้ใช้เพียงอินพุตเดียวและเอาต์พุตเดียวของวงจรขยายสัญญาณแบบดิฟเฟอเรนเชียล

ในกรณีที่กระแสไบแอสอินพุต (ที่ไม่สมบูรณ์แบบ) หรืออิมพีแดนซ์อินพุตแบบดิฟเฟอเรนเชียลของตัวขยายสัญญาณปฏิบัติการมีผลกระทบอย่างมาก เราสามารถเลือกวงจรป้อนกลับที่ปรับปรุงผลกระทบของสัญญาณอินพุตแบบคอมมอนโหมดและไบแอสได้ ในรูปที่ 6 ตัวสร้างกระแสจำลองกระแสไบแอสอินพุตที่แต่ละขั้ว โดยI ⁺ _bและI ⁻ _bแทนกระแสไบแอสอินพุตที่ขั้วV ⁺และV ⁻ตามลำดับ

วงจรเทียบเท่า Théveninสำหรับเครือข่ายที่ขับ ขั้ว V ⁺จะมีแรงดันV ⁺ ' และอิมพีแดนซ์R ⁺ ':

${\displaystyle {V^{+}}'=V_{\text{in}}^{+}R_{\parallel }^{+}/R_{\text{i}}^{+}-I_{\text{b}}^{+}R_{\parallel }^{+};\quad {\text{where}}\quad {R^{+}}'=R_{\parallel }^{+}=R_{\text{i}}^{+}\parallel R_{\text{f}}^{+},}$

ในขณะที่สำหรับเครือข่ายที่ขับเคลื่อน เทอร์มินัล V ⁻ นั้น :

${\displaystyle {V^{-}}'=V_{\text{in}}^{-}R_{\parallel }^{-}/R_{\text{i}}^{-}+V_{\text{out}}R_{\parallel }^{-}/R_{\text{f}}^{-}-I_{\text{b}}^{-}R_{\parallel }^{-};\quad {\text{where}}\quad {R^{-}}'=R_{\parallel }^{-}=R_{\text{i}}^{-}\parallel R_{\text{f}}^{-}.}$

เอาต์พุตของออปแอมป์ก็คืออัตราขยายแบบวงจรเปิดAol _คูณด้วยกระแสอินพุตแบบดิฟเฟ อเรนเชียล iคูณด้วยอิมพีแดนซ์อินพุตแบบดิฟเฟอเรนเชีย_ล2Rdดังนั้น

${\displaystyle V_{\text{out}}=A_{\text{ol}}\cdot 2R_{\text{d}}{\frac {{V^{+}}'-{V^{-}}'}{2R_{\parallel }+2R_{\text{d}}}}=({V^{+}}'-{V^{-}}')A_{\text{ol}}R_{\parallel }/(R_{\parallel }\parallel R_{\text{d}}),}$

โดย ที่R _||คือค่าเฉลี่ยของR ⁺ _||และR ⁻ _||

สมการเหล่านี้จะง่ายขึ้นอย่างมากหาก

${\displaystyle R_{\text{i}}^{+}=R_{\text{i}}^{-},\quad R_{\text{f}}^{+}=R_{\text{f}}^{-},}$

ส่งผลให้เกิดความสัมพันธ์

${\displaystyle V_{\text{in}}^{+}-V_{\text{in}}^{-}-R_{\text{i}}I_{\text{b}}^{\Delta }=V_{\text{out}}\left[{\frac {R_{\text{i}}}{R_{\text{f}}}}+{\frac {1}{A_{\text{ol}}{\frac {R_{\text{i}}}{R_{\text{i}}\parallel R_{\text{f}}\parallel R_{\text{d}}}}}}\right],}$

ซึ่งหมายความว่าอัตราขยายแบบวงปิดสำหรับสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลคือV ⁺ _in  −  V ⁻ _inแต่อัตราขยายแบบคอมมอนโหมดมีค่าเป็นศูนย์โดยสมบูรณ์

นอกจากนี้ยังหมายความว่ากระแสไบแอสอินพุตโหมดร่วมได้หักล้างกันไปแล้ว เหลือเพียงกระแสออฟเซ็ตอินพุตI ^Δ _b = I ⁺ _b  −  I ⁻ _b เท่านั้น ที่ยังคงอยู่ โดยมีสัมประสิทธิ์เป็นR _iเสมือนว่ากระแสออฟเซ็ตอินพุตเทียบเท่ากับแรงดันออฟเซ็ตอินพุตที่กระทำต่อความต้านทานอินพุตR _iซึ่งเป็นความต้านทานแหล่งกำเนิดของเครือข่ายป้อนกลับไปยังขั้วอินพุต

สุดท้าย ตราบใดที่อัตราขยายแรงดันแบบวงเปิดA _olมีค่ามากกว่าหนึ่งมาก อัตราขยายแรงดันแบบวงปิดจะเป็นR _f / R _iซึ่งเป็นค่าที่ได้จากการวิเคราะห์ตามกฎทั่วไปที่เรียกว่า "กราวด์เสมือน" ^{[ nb 6 ]}

• เซลล์กิลเบิร์ต
• แอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัด
• การกำหนดค่าดิฟเฟอเรนเชียลของออปแอมป์
• ตรรกะแบบเชื่อมต่อตัวส่งสัญญาณ

• วงจรขยายสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลแบบ BJT – วงจรและคำอธิบาย
• แท่นทดสอบสำหรับวงจรดิฟเฟอเรนเชียล
• เอกสารแนะนำการใช้งาน: Analog Devices – AN-0990 : การต่อวงจรขยายสัญญาณแบบดิฟเฟอเรนเชียลในแอปพลิเคชันอินพุตแบบซิงเกิลเอนด์