4、仪表放大器：三运放结构、CMRR、增益计算与典型应用
仪表放大器这东西，说白了就是专门为传感器信号“量身定制”的放大器。普通运放搞不定的小信号、强共模干扰，到了它手里就服服帖帖。我最早接触它是在一个压力变送器项目里，电桥输出只有几毫伏，共模电压却接近电源轨——当时试了好几种方案，最后还是仪表放大器一把搞定。
4.1 三运放仪表放大器结构
经典的仪表放大器由三个运放组成。你拆开AD620或者INA128的芯片内部，看到的其实就是这个结构。它分成两级：
- 第一级：两个运放（A1、A2）构成对称的差分输入级，中间跨接一个增益电阻Rg。
- 第二级：一个运放（A3）构成标准的差分放大器，把第一级的差分信号转成单端输出。
我习惯把这个结构想象成“先放大差分信号，再抑制共模信号”。第一级只放大差模，对共模信号基本不理；第二级再把共模彻底干掉。两下配合，效果就出来了。
核心要点：三运放结构的精髓在于——第一级提供高输入阻抗和差分增益，第二级提供共模抑制。两者缺一不可。
下面这张图是我自己画的信号流，你看一眼就明白了：
4.2 共模抑制比（CMRR）
CMRR是仪表放大器最重要的指标，没有之一。它衡量的是放大器“忽略共模信号、只放大差模信号”的能力。
公式很简单：
CMRR = 20 × log10(Adm / Acm) 单位：dB其中Adm是差模增益，Acm是共模增益。理想情况下Acm=0，CMRR无穷大。但现实世界嘛……
我遇到过一件事。有次调试一个称重传感器电路，仪表放大器用的是INA128，数据手册上CMRR标称120dB。结果焊好板子一测，实际只有85dB。查了半天，发现是反馈电阻网络不匹配——四个电阻的精度差了0.1%。你想想看，0.1%的误差就能吃掉35dB的CMRR！
避坑指南：我曾经因为PCB布局不当，把仪表放大器附近的电源走线绕了个大圈，结果引入的共模噪声直接把CMRR干到了60dB以下。后来把走线缩短、加宽，问题才解决。记住——外部电阻匹配、PCB布局、电源去耦，任何一个环节出问题，芯片的CMRR都保不住。
影响CMRR的主要因素有：
- 电阻匹配精度：第二级差分放大器的四个电阻必须严格匹配，差0.01%都会明显降低CMRR。
- 运放本身的CMRR：A1、A2、A3各自的CMRR会叠加影响。
- 频率：CMRR随频率升高而下降，高频时可能掉到40dB以下。
- 增益设置：增益越高，CMRR通常越好（因为差模信号被放大了，共模没变）。
4.3 增益计算
三运放仪表放大器的增益由两个部分决定：
- 第一级增益：G1 = 1 + 2Rf / Rg
- 第二级增益：G2 = R2 / R1（通常固定为1倍或2倍）
总增益就是两者相乘：
G = G1 × G2 = (1 + 2Rf / Rg) × (R2 / R1)对于AD620和INA128这类集成芯片，内部Rf和R2/R1已经固定，你只需要外接一个Rg就能设定增益。以AD620为例：
G = 49.4kΩ / Rg + 1反过来，已知目标增益求Rg：
Rg = 49.4kΩ / (G - 1)举个例子，想要100倍增益：
Rg = 49.4kΩ / (100 - 1) = 49.4kΩ / 99 ≈ 499Ω我一般选标准E96系列的499Ω电阻，误差1%以内就行。
小技巧：如果你需要精确的增益值，可以用两个电阻串联来凑Rg。比如需要500Ω，可以用499Ω+1Ω串联。不过大多数情况下，1%精度的标准电阻已经够用了。
4.4 AD620与INA128典型应用
这两款芯片是仪表放大器里的“常青树”。我手头项目里用得最多的就是它们。下面做个对比：
| 参数 | AD620 | INA128 |
|---|---|---|
| 增益范围 | 1 ~ 10000 | 1 ~ 10000 |
| CMRR（G=100） | 110dB（典型） | 120dB（典型） |
| 输入偏置电流 | 0.5nA（最大） | 5nA（最大） |
| 带宽（G=100） | 120kHz | 200kHz |
| 静态电流 | 0.9mA（典型） | 0.7mA（典型） |
| 电源范围 | ±2.3V ~ ±18V | ±2.25V ~ ±18V |
从表里能看出来，INA128的CMRR更高、带宽更宽，适合精密测量；AD620的偏置电流更低，适合高阻抗传感器。
下面是一个典型的电桥传感器应用电路：
// AD620 与压力传感器电桥连接示例
// 电桥输出接AD620的IN+和IN-
// Rg = 499Ω，增益 = 100倍
// 引脚连接：
// 引脚1 (RG) —— 接Rg一端
// 引脚2 (IN-) —— 接电桥负输出
// 引脚3 (IN+) —— 接电桥正输出
// 引脚4 (V-) —— 接-5V
// 引脚5 (REF) —— 接GND（或参考电压）
// 引脚6 (OUT) —— 接ADC输入
// 引脚7 (V+) —— 接+5V
// 引脚8 (RG) —— 接Rg另一端
// 输出公式：
// Vout = (VIN+ - VIN-) × (49.4kΩ / Rg + 1) + Vref
// 本例中：Vout = (VIN+ - VIN-) × 100 + 0V实际项目中，我习惯在AD620的电源引脚上加10μF电解电容和0.1μF陶瓷电容并联去耦。REF引脚如果接GND，输出就以GND为参考；如果需要偏移输出，可以接一个精密参考电压。
经验之谈：用INA128做心电信号采集时，我踩过一个坑——输入保护没做好，静电把芯片打坏了。后来在输入端串了10kΩ电阻，并了两个反向并联的二极管到电源轨，再也没出过问题。仪表放大器的输入级很脆弱，保护电路不能省。
最后总结一下选型思路：
- 高精度、低噪声：选INA128，CMRR高，适合医疗、称重。
- 低偏置电流：选AD620，适合光电二极管、pH电极等高阻抗源。
- 低成本：可以用分立运放搭三运放结构，但性能会差一些。
- 高频信号：注意带宽限制，G=100时AD620只有120kHz，INA128有200kHz。
嗯，仪表放大器这部分内容就这些。记住——结构是基础，CMRR是灵魂，增益计算是基本功，选型应用是实战。把这四点吃透了，传感器信号调理这块你就拿下了大半。