3. 仪表放大器：三运放结构、共模抑制比(CMRR)、AD620/INA128应用
各位好，我是老周。今天咱们聊聊传感器信号调理里最核心的器件之一——仪表放大器。
说实话，我刚开始做传感器项目那会儿，也踩过不少坑。最典型的一次，是给一个工业压力传感器做信号采集。传感器输出只有10mV级别的差分信号，但共模电压却有2.3V。我直接用普通运放搭了个差分放大，结果输出全是噪声，根本没法用。后来换成仪表放大器，问题一下就解决了。
为什么？因为仪表放大器天生就是干这个活的。
3.1 三运放结构：经典架构拆解
仪表放大器最经典的实现方式，就是三运放结构。说白了，它由三个运算放大器组成：两个输入级运放 + 一个差分输出级运放。
核心要点：三运放结构的本质是「先缓冲，后差分」。输入级提供高阻抗和增益，输出级负责消除共模信号。
我画了一张结构图，你看一眼就明白了：
你看这个结构：A1和A2是两个同相放大器，它们直接接传感器信号。中间跨接的RG是关键——改变RG就能调增益。A3是个差分放大器，把A1和A2的输出做减法，把共模信号干掉。
我个人习惯把这个结构记成「两级放大 + 一级减法」。这样记，调试的时候思路特别清晰。
3.2 共模抑制比(CMRR)：为什么它这么重要
共模抑制比，英文叫CMRR，是仪表放大器最重要的指标，没有之一。
CMRR的定义很简单：差模增益除以共模增益。单位是dB。
CMRR (dB) = 20 × log(Adm / Acm)
其中 Adm 是差模增益，Acm 是共模增益。
举个例子：如果差模增益是100倍，共模增益是0.01倍，那CMRR就是20×log(100/0.01) = 20×log(10000) = 80dB。
80dB意味着什么？意味着共模信号被抑制了10000倍。你想想看，如果传感器输出端有2V的共模电压，经过这个放大器后，等效到输出的共模干扰只有0.2mV。这就是仪表放大器厉害的地方。
实战经验：我曾经在一个医疗心电项目中，遇到50Hz工频干扰特别严重。后来查了数据手册，发现我用的仪表放大器在G=100时CMRR只有86dB，换成G=1000时CMRR提升到110dB，干扰一下就压下去了。所以，尽量让仪表放大器工作在较高增益下，CMRR会更好。
影响CMRR的因素有哪些？我列个表：
| 因素 | 影响程度 | 说明 |
|---|---|---|
| 电阻匹配精度 | 极高 | 输出级电阻R2/R3不匹配，CMRR直接下降 |
| 增益设置 | 高 | 增益越高，CMRR通常越好 |
| 频率 | 中 | 高频下CMRR会下降，注意信号带宽 |
| 电源抑制比 | 中 | 电源噪声会耦合到输出，降低有效CMRR |
| 温度 | 低-中 | 温度变化导致电阻漂移，CMRR恶化 |
避坑指南：我曾经在一个项目中，用了4个分立电阻搭差分放大器，想省成本。结果电阻精度只有1%，实测CMRR不到60dB。后来换成集成仪表放大器，CMRR直接到100dB以上。所以，别用分立元件搭仪表放大器，除非你愿意花大价钱买0.01%精度的电阻。
3.3 AD620与INA128：两款经典芯片实战对比
说到具体的芯片，AD620和INA128是我用得最多的两款。它们都是经典的三运放结构仪表放大器，但各有特点。
| 参数 | AD620 | INA128 |
|---|---|---|
| 供电范围 | ±2.3V ~ ±18V | ±2.25V ~ ±18V |
| 静态电流 | 1.3mA（典型） | 700μA（典型） |
| CMRR (G=100) | 110dB（最小） | 120dB（最小） |
| 输入偏置电流 | 1nA（最大） | 5nA（最大） |
| 增益公式 | G = 49.4kΩ/RG + 1 | G = 50kΩ/RG + 1 |
| 带宽 (G=100) | 120kHz | 200kHz |
| 噪声 (1kHz) | 9nV/√Hz | 8nV/√Hz |
从表格能看出来：INA128的CMRR更高、功耗更低、带宽更宽。但AD620的输入偏置电流更小，适合高阻抗传感器。
我个人习惯是：
- 传感器内阻 > 10kΩ，比如pH电极、压电传感器 → 选AD620，偏置电流小
- 需要高CMRR、低功耗，比如电池供电设备 → 选INA128
- 通用场景，两者都能用，看价格和供货
3.4 增益设置与RG计算
这两款芯片的增益设置方式几乎一样——外接一个电阻RG就行。
AD620的增益公式：
G = 49.4kΩ / RG + 1INA128的增益公式：
G = 50kΩ / RG + 1反过来，已知增益求RG：
RG = 49.4kΩ / (G - 1) // AD620
RG = 50kΩ / (G - 1) // INA128举个例子，我想要G=100：
AD620: RG = 49.4kΩ / 99 ≈ 499Ω
INA128: RG = 50kΩ / 99 ≈ 505Ω实际选型时，我会选最接近的标准电阻值。比如499Ω是E96系列的标准值，正好能用。
小技巧：如果你需要精确增益，可以用两个电阻串联。比如需要RG=505Ω，可以用499Ω + 5.1Ω串联。不过大多数情况下，1%精度的电阻就够用了。
3.5 实战电路：压力传感器信号调理
最后，我分享一个实际项目中的电路。这是一个压阻式压力传感器的信号调理电路：
// 电路参数
// 传感器：全桥压阻式，满量程输出 20mV/V
// 激励电压：5V
// 满量程输出：100mV
// 目标输出：0~5V
// 计算增益
G = 5V / 0.1V = 50
// 选择INA128
RG = 50kΩ / (50 - 1) = 50kΩ / 49 ≈ 1020Ω
// 实际选型：1kΩ + 20Ω 串联，或直接用 1.02kΩ 1% 电阻电路连接要点：
- 传感器差分输出接INA128的IN+和IN-
- REF引脚接参考电压，单电源供电时接VCC/2
- 电源引脚加10μF+0.1μF去耦电容
- 输入引脚加100pF滤波电容（如果信号频率不高）
重要提醒：REF引脚不能悬空！单电源供电时，REF必须接到一个稳定的参考电压上，否则输出会饱和。我见过有人把REF直接接地，结果输出只有正半周，负半周全被削掉了。
嗯，仪表放大器的内容就这些。记住三句话：三运放结构是基础，CMRR是灵魂，选型看应用场景。你把这些吃透了，传感器信号调理这块就稳了。