差動増幅器

2つの入力と2つの出力を持つこの回路は、差動増幅段を構成します（図 2）。2つのベース（またはグリッド、ゲート）は、トランジスタペアによって差動増幅（減算と乗算）される入力です。これらのベースには、差動（平衡）入力信号を入力することも、一方の入力を接地して位相分割回路を構成することもできます。差動出力を持つ増幅器は、フローティング負荷や、差動入力を持つ別の段を駆動することができます。

差動出力が不要な場合は、1 つの出力のみを使用できます (コレクタ (またはアノードまたはドレイン) のいずれか一方からのみ出力を取得し、もう一方の出力は無視します)。この構成はシングルエンド出力と呼ばれます。ゲインは、差動出力のステージの半分になります。ゲインを犠牲にしないようにするには、差動からシングルエンドへのコンバータを使用できます。これは多くの場合、電流ミラーとして実装されます (下の図 3 )。

差動ペアは、入力の一方が接地されているか基準電圧に固定されている場合（通常、もう一方のコレクタはシングルエンド出力として使用されます）、シングルエンド入力のアンプとして使用できます。この構成は、カスケード接続された共通コレクタおよび共通ベース段、またはバッファ付き共通ベース段と考えることができます。^{[ nb 3 ]}

エミッタ結合型増幅器は、温度ドリフトが補償され、VBE_がキャンセルされ、ミラー効果とトランジスタ飽和が回避されます。そのため、エミッタ結合型増幅器（ミラー効果の回避）、位相スプリッタ回路（2つの逆電圧の取得）、ECLゲートおよびスイッチ（トランジスタ飽和の回避）などの構成に使用されます。

ベース側からバイアスされる従来の増幅段（そのためβに大きく依存する）とは対照的に、差動ペアは全静止電流をシンク/注入することでエミッタ側から直接バイアスされます。直列負帰還（エミッタ縮退）によりトランジスタは電圧安定化器として機能し、静止電流をコレクタ-エミッタ接合に流すためにVBE電圧（ベース電流）を調整します_。 [ ^{nb 4 ]}したがって、負帰還により、静止電流はトランジスタのβにわずかにしか依存しません。

静止コレクタ電流を誘起するために必要なバイアスベース電流は、通常、グランドから供給され、入力電源を経由してベースに流れ込みます。そのため、バイアス電流の経路を確保するために、電源はガルバニック（直流）である必要があり、かつ、電源間で大きな電圧降下が生じないように、抵抗値が低い必要があります。そうでない場合は、ベースとグランド（または正電源）の間に、追加の直流素子を接続する必要があります。

コモンモード（2つの入力電圧が同じ方向に変化する）では、2つの電圧（エミッタ）フォロワが互いに協力し、共通の高抵抗エミッタ負荷（「ロングテール」）に作用します。これら2つのフォロワは、共通のエミッタ点の電圧を一緒に増減させます（比喩的に言えば、一緒に「引き上げる」か「引き下げる」ことで電圧を移動させます）。さらに、動的負荷は、入力電圧と同じ方向に瞬時抵抗を変化させることで（電圧が上昇すると抵抗値も上昇し、電圧が下降すると抵抗値も低下します）、2つの電源レール間の総抵抗を一定に保ちます。完全な（100%）負帰還が行われます。2つの入力ベース電圧とエミッタ電圧は同時に変化しますが、コレクタ電流と総電流は変化しません。その結果、出力コレクタ電圧も変化しません。

通常。差動モード（2 つの入力電圧が逆方向に変化する）では、2 つの電圧（エミッタ）フォロワが互いに反対方向に動作します。一方のフォロワが共通エミッタ点の電圧を上げようとすると、もう一方のフォロワはそれを下げようとします（比喩的に言えば、一方が共通点を「引き上げ」、もう一方がそれを「引き下げ」て固定します）。逆もまた同様です。したがって、共通点の電圧は変化しません。共通モードの入力電圧によって決まる大きさの仮想接地のように動作します。高抵抗のエミッタ素子は役割を果たしません。もう一方の低抵抗のエミッタフォロワによってシャントされます。入力ベース電圧が変化してもエミッタ電圧は全く変化しないため、負帰還はありません。共通の静止電流は 2 つのトランジスタ間を激しく流れ、出力コレクタ電圧は激しく変化します。2 つのトランジスタは互いにエミッタを接地します。したがって、これらは共通コレクタ段ではあるものの、実際には最大利得を持つ共通エミッタ段として機能します。比較的抵抗値の小さいカソード／エミッタ抵抗を介して負帰還を導入することで、バイアス安定性とデバイスパラメータの変動に対する独立性を向上させることができます。

過駆動状態。入力差動電圧が大きく変化すると（約100ミリボルト以上）、低い入力電圧で駆動されるトランジスタがオフになり、コレクタ電圧が正の電源レールに達します。高い過駆動状態では、ベース・エミッタ接合が反転します。もう一方のトランジスタ（高い入力電圧で駆動される）がすべての電流を駆動します。コレクタ抵抗が比較的大きい場合、トランジスタは飽和します。コレクタ抵抗が比較的小さく、過駆動が適度な場合、エミッタは飽和することなく入力信号に追従できます。このモードは、差動スイッチやECLゲートで使用されます。

ブレークダウン。入力電圧が上昇し続け、ベース・エミッタ間のブレークダウン電圧を超えると、低い入力電圧で駆動されているトランジスタのベース・エミッタ接合がブレークダウンします。入力電源の抵抗が低い場合、2つの入力電源間の「ダイオードブリッジ」に無制限の電流が流れ、ダイオードブリッジが損傷します。

コモンモードでは、エミッタ電圧は入力電圧の変動に追従します。完全な負帰還がかかり、ゲインは最小になります。ディファレンシャルモードでは、エミッタ電圧は固定され（瞬時のコモン入力電圧に等しい）、負帰還はかからず、ゲインは最大になります。

コレクタ抵抗は、出力部がアクティブ負荷として機能するカレントミラー（図3の上部の青色の部分）に置き換えることができます。これにより、差動コレクタ電流信号は、本来の50%の損失なしにシングルエンド電圧信号に変換され、ゲインが2倍になります。これは、入力コレクタ電流を左側から右側にコピーすることで実現され、2つの入力信号の大きさが加算されます。このため、カレントミラーの入力は差動増幅器の左側の出力に接続され、カレントミラーの出力は右側の出力に接続されます。 

電流ミラーは左側のコレクタ電流をコピーし、右側のトランジスタに通して右側のコレクタ電流を生成します。差動増幅器のこの右側の出力では、2つの信号電流（正と負の電流変化）が減算されます。この場合（差動入力信号）、それらは等しく逆向きです。したがって、差は個々の信号電流の2倍（Δ I  −  (−Δ I ) = 2Δ I）となり、ゲイン損失なしで差動からシングルエンドへの変換が完了します。図 4はこの回路の伝送特性を示しています。

コモンモードでコレクタ電圧を一定に保つためには、静止電流を一定に保つ必要があります。差動出力の場合、2つのコレクタ電圧は同時に変化しますが、その差（出力電圧）は変化しないため、この要件はそれほど重要ではありません。しかし、シングルエンド出力の場合は、出力コレクタ電圧が変化するため、電流を一定に保つことが非常に重要です。したがって、電流源の抵抗が大きいほど、${\displaystyle R_{\text{e}}}$図2の元の回路では 、コモンモードゲインが低いほど（優れているほど）良い。${\displaystyle A_{\text{c}}}$。

必要な定電流は、共通エミッタノードと電源レール（NPNトランジスタの場合は負、PNPトランジスタの場合は正）の間に非常に高い抵抗を持つ素子（抵抗器）を接続することで生成できますが、そのためには高い電源電圧が必要です。そこで、より高度な設計では、 「ロングテール」の代わりに、定電流源／シンクに近似する高い差動（動的）抵抗を持つ素子（図3の下部）が使用されます。これは通常、高いコンプライアンス電圧（出力トランジスタの両端の電圧降下が 小さい）を持つカレントミラーによって実現されます。

2つのベース間にフローティング電源を接続することは可能ですが、バイアスベース電流の経路を確保する必要があります。ガルバニック電源の場合は、一方のベースとグランドの間に抵抗器を1つ接続するだけで済みます。バイアス電流はこのベースに直接流れ込み、もう一方のベースには（入力電源を介して）間接的に流れます。電源が容量性の場合は、ベース電流の経路を分けるために、2つのベースとグランドの間に抵抗器を2つ接続する必要があります。

差動ペアの入力インピーダンスは、入力モードに大きく依存します。コモンモードでは、2つの部分は高エミッタ負荷を持つ共通コレクタ段として動作するため、入力インピーダンスは非常に高くなります。差動モードでは、接地されたエミッタを持つ共通エミッタ段として動作するため、入力インピーダンスは低くなります。

差動対の出力インピーダンスは高い（特に図 3に示すような電流ミラーを備えた改良型差動対の場合）。

コモンモード入力電圧は2つの電源レール間で変化させることができますが、2つのカレントミラーの出力トランジスタにはある程度の電圧降下（最低1ボルト）が残る必要があるため、それらの電圧に非常に近い値にすることはできません。