В новых операционных усилителях, оптимизированных для высококачественных аудио- и ультразвуковых приложений, чрезвычайно низкие общие гармонические искажения плюс шум (THD+N), достигающие –130 дБ, сочетаются с большими выходными напряжениями при тяжелых нагрузках 600 Ом. Можно было бы подумать, что эти усилители являются универсальными строительными блоками.
В реальной жизни все немного сложнее. Например, входная емкость операционного усилителя нелинейно зависит от входного напряжения. Соответствующий входной ток создаст нелинейное падение напряжения на внутреннем импедансе источника сигнала [1]. Возьмем спектр искажений буфера с единичным усилением на основе микросхемы LME49710 (Рисунок 1, кривая а). Источником сигнала является генератор синусоидального сигнала с выходным напряжением 5 В с.к.з. и выходным сопротивлением 1 МОм.
 | |
| Рисунок 1. | Эти спектры выходного сигнала повторителя с единичным усилением на основе LME49710 иллюстрируют искажения при отсутствии обратной связи, входном сигнале 5 В с.к.з. и выходном сопротивлении источника сигнала, равном 1 МОм (а), а также искажения в схеме на Рисунке 2 при таком же входном сигнале (б) и остаточный шум генератора синусоидального сигнала (в). Для удобства восприятия каждый последующий спектр смещен на +200 Гц и –10 дБ. Более высокие уровни шума для кривых (а) и (б) обусловлены тепловым шумом сопротивления источника 1 МОм. |
Эти ошибки можно уменьшить различными методами, включая инвертирующий режим работы, смещение по постоянному току, уменьшение размаха сигнала, правильный выбор операционного усилителя и компенсацию входного импеданса [1]. Согласование полных импедансов со стороны инвертирующего и неинвертирующего входов операционного усилителя обеспечивает одинаковые искажения на обоих входах, в результате чего искажения компенсируются.
Однако для некоторых приложений обработки сигналов требуется входной интерфейс, поведение которого не зависит от импеданса источника. Примерами могут служить системы сбора данных, такие как осциллографы, дискретизаторы и другие устройства, которые могут быть подключены к источнику с высоким (более 50 кОм) или неизвестным выходным сопротивлением.
Другое традиционное решение для устранения ошибки, обусловленной импедансом источника, основано на уменьшении входной емкости с помощью компенсационной обратной связи к входам устройства [2], к подложке [3] и/или к шинам питания [4]. Обратная связь, основываясь на своем чувствительном узле, может уменьшить входную емкость, ускорить операционный усилитель и сместить доминирующий полюс в сторону более высоких частот, или же она может позволить работать с более высокими напряжениями.
За счет подключения к выходу дополнительного повторителя U2 двух RC-цепей обратной связи (R3-C9 и R4-C10) к шинам питания операционного усилителя U1, схема на Рисунке 2 обеспечивает высокий входной импеданс и незначительную погрешность, обусловленную импедансом источника. Спектр искажений этой схемы с сопротивлением источника 1 МОм (генератор сигналов, включенный последовательно с R1) и нагрузкой 50 Ом значительно улучшается (Рисунок 1, кривая б). Третья гармоника вносится генератором (Рисунок 1, кривая в). Компоненты C1, C2 и R9 обеспечивают устойчивость петли обратной связи.
 | |
| Рисунок 2. | Использование схемы, включающей составной буфер с единичным усилением и цепь компенсационной обратной связи к шинам питания значительно улучшает характеристики искажения устройства. |
Кроме того, составной буфер на Рисунке 2 полностью устраняет ошибки, связанные с рассеиванием мощности на входе операционного усилителя [1]. Конденсаторы C9 и C10 можно заменить регулируемыми параллельными стабилизаторами, а резисторы R3 и R4 – источниками тока или повторителями. В этом случае схема будет иметь большое входное сопротивление и на постоянном токе.
На Рисунке 3 показано, как можно изменить схему, чтобы использовать усилитель с коэффициентом усиления больше единицы. Повторитель U2 обеспечивает достаточный ток, необходимый цепи обратной связи R3-R4-C9-C10. Входная емкость усилителя U2 и резистор R7 вносят фазовую задержку в петлю обратной связи.
 | |
| Рисунок 3. | При небольших изменениях схемы принцип компенсационной обратной связи применим и для усилителя с коэффициентом усиления больше единицы. |