差動對
差動對是幾乎每個運算放大器的輸入級,也是繼電晶體本身之後最重要的單一類比積木。概念是:兩顆配對的電晶體共用一個由單一電流源餵入的共同射極接點,電路放大兩個輸入之間的「差」,而忽略它們共有的部分。它回應一個深層需求——從疊在兩條線都有的大不要訊號之上、挑出一個微小的要訊號。
想像兩顆電晶體的射極綁在一起,並由一股固定的「尾」電流(常來自電流鏡)餵入那個接點。因為總射極電流被尾電流源維持為常數,兩顆電晶體必須「分享」它。若兩個基極一起上移(共模訊號),它們分享的方式不變——輸出幾乎不動。但若一個基極上移、另一個下移(差模訊號),一顆電晶體便從另一顆偷走電流,那份不平衡就成為大的輸出。所以這對放大差、拒斥共有訊號——這個品質以共模拒斥比衡量。直覺算法:1 mA 尾電流均分,靜態時每邊各帶 0.5 mA;微小的差模輸入打破平衡,把更多送往一個集極、更少送往另一個。
為何它無所不在:真實世界的訊號充滿共有雜訊——纜線兩條線都拾到的哼聲、電源漣波、接地偏移——而差動對把這些全部拒斥,只放大真正的差。它是每個運算放大器的前端(你稱為 + 與 - 的兩個輸入就是兩個基極)、儀表放大器的核心、也是高速數位邏輯家族的基礎。它的誠實完全取決於「配對」:若兩顆電晶體有差異,部分共模訊號會漏過去,且輸出會出現直流偏移(可怕的輸入失調電壓)。這就是為何差動對如同電流鏡,真正歸屬於單一晶片——那裡兩半被做得一模一樣。
一條麥克風纜線在兩條導線上都等量拾到 50 mV 的市電哼聲,外加一個作為兩者之差的 2 mV 音樂訊號。把兩者餵入差動對:50 mV 的共模哼聲被拒斥,只有 2 mV 的差被放大。平衡式音訊與運放輸入就是這樣保持安靜。
放大差、拒斥共有——乾淨、低雜訊輸入的基礎。
差動對拒斥共模訊號的能力,只與其兩半的配對程度一樣好。真實的失配正是運放有有限共模拒斥比與非零輸入失調電壓的原因——完美拒斥是理想,不是保證。