Для увеличения входного сопротивления в схеме сложения аналоговых сигналов используются инструментальные усилители.
Поскольку стоимость инструментальных усилителей постоянно снижается, то, для повышения производительности, их можно использовать в схемах, традиционно выполняемых на операционных усилителях. Схема сложения аналогового сигнала на операционных усилителях, показанная на рис.1, имеет несколько недостатков. Во-первых, входной импеданс имеет низкое или среднее значение, который определяется номиналом резистора в цепи каждого сигнала. Эта схема вызывает большую ошибку смещения, когда импеданс источника входного сигнала является большим или необходимо создать буфер для источника сигнала с низким импедансом. Кроме того, рассматриваемая схема имеет маленький коэффициент подавления синфазного сигнала общего вида, поскольку имеет асимметричные входы.
Канал с большим коэффициентом усиления накладывает ограничения на производительность всей системы. Большой коэффициент усиления одного из каналов приводит к узкой полосе пропускания, большим нелинейным искажениям и увеличивает шум системы во всех каналах. Чтобы уменьшить эти эффекты, даже для создания низко производительной схемы сложения аналоговых сигналов требуется высокопроизводительный операционный усилитель с широкой полосой пропускания.
Коэффициент усиления шумового сигнала для рассматриваемой схемы сложения аналогового сигнала на операционных усилителях составляет 1+10,000/(10||10,000). Входной сигнал в канале с высоким усилением и 10 входом преобладает над усилением шума, но для всех входов характерно повышенное напряжение смещения, ошибки коэффициента усиления, повышенный уровень шума и большие нелинейные искажения сигнала. Повысить значение входного импеданса и увеличить коэффициент подавления синфазного сигнала общего вида можно применив инструментальный усилитель.
Выходное напряжение инструментального усилителя пропорционально разности напряжений, приложенных к положительному и отрицательному входам. Коэффициент усиления сигнала можно задавать, присоединяя резистор, RGAIN, к выводам RG (рис.2). Выходное напряжение создается между опорным и выходным выводом. Такой принцип работы позволяет использовать опорный вывод для объединения нескольких сигналов вместе, получая конфигурацию схемы сложения сигналов. Для каждого инструментального усилителя можно, независимо, устанавливать произвольный коэффициент усиления.
Такая система имеет несколько преимуществ перед одиночным операционным усилителем. Например, каждый вход имеет экстремально высокий входной импеданс и независимое подавление синфазного сигнала общего вида, поскольку каждый инструментальный усилитель в схеме является независимым. Схему характеризует больший коэффициент усиления в каждом из каналов, более высокий коэффициент подавления синфазного сигнала и меньшая итоговая ошибка. Кроме того легко можно получить схему сложения или вычитания аналогового сигнала, используя инвертирующий или неинвертирующий входы инструментального усилителя и, при желании, использование в дифференциальных входов для складываемых сигналов.
Кроме того, нелинейные искажения, шумовой коэффициент усиления и полоса пропускания для каждого канала являются независимыми, что приводит к малым напряжению смещения, ошибке коэффициента усиления, уровню шума и нелинейных искажений. График на рис.3 для THD+N (общие гармонические искажения плюс шум) показывает для схемы сложения аналоговых сигналов на основе инструментального усилителя в пять раз меньший уровень нелинейных искажений, чем для схемы сложения на операционном усилителе, даже несмотря на то, что инструментальный усилитель имеет полосу пропускания 1 МГц и потребляемый ток 1 мА, в то время как операционный усилитель имеет полосу пропускания 8 МГц и потребляемый ток 4.5 мА.
