Differentialförstärkning

Differentialförstärkning är en teknik inom elektronik som förstärker skillnaden mellan två ingångssignaler (Vplus och Vminus) medan gemensamma störningar som påverkar båda ingångarna i stor utsträckning minimeras. Denna princip ligger till grund för differential- och instrumentationförstärkare samt för ingångssteg i de flesta operativförstärkare. Syftet är att öka immuniteten mot störningar och brus som ligger samma på båda ingångarna.

Principen byggs oftast kring en diff- eller long-tailed pair, där två transistorer delar en gemensam strömkälla (tail). Skillnaden mellan ingångarna styr hur mycket ström som finns i respektive gren, vilket ger en utgång som är proportionell mot skillnaden mellan ingångsvärdena. I sin enklaste form kan utgången beskrivas som Vout ≈ Ad × (V+ − V−), där Ad är differentialförstärkningen. I praktiken används ofta differentialsteg i operativförstärkare med mycket hög differentialförstärkning och sedan kapslad i feedback som ger ett kontrollerat slutgiltigt gain.

Viktiga mått inom differentialförstärkning är differentialförstärkning Ad och gemensam-modeförstärkning Ac, samt deras förhållande CMRR = Ad/Ac (ofta uttryckt i decibel). En hög CMRR innebär bättre förmåga att avskärma störningar som påverkar båda ingångarna lika.

Användningar omfattar instrumentationförstärkare, balanserade signalvägar i kommunikation och mätinstrument, samt ingångssteget i många op-amp-baserade system. Fördelarna är hög störningsimmunitet och exakt förstärkning av signalskillnaden, medan begränsningar inkluderar temperaturdrift, mismatch mellan komponenter och offset som kan kräva kompensation eller feedbackdesign.