4. 仪表放大器：三运放结构、CMRR与AD620仿真
仪表放大器，简称INA，是传感器调理电路里的“老大哥”。
为什么这么说？因为传感器出来的信号通常又弱又脏——弱到微伏级，脏到共模噪声比信号本身还大。普通运放根本搞不定。这时候就得请出INA。
4.1 三运放仪表放大器结构
经典的仪表放大器，内部其实就是三个运放搭起来的。我刚开始接触时也觉得这结构挺绕，但拆开来看其实很清晰。
核心思路：第一级做差分输入+增益，第二级做差分转单端+共模抑制。
三运放INA的工作流程是这样的：
- 第一级（A1、A2）：两个运放构成对称输入级。输入信号直接进同相端，反相端之间跨接一个电阻Rg。这一级只放大差分信号，共模信号被“晾”在一边。
- 第二级（A3）：标准的差分放大器，把第一级输出的双端信号转成单端，同时进一步抑制残余共模分量。
增益公式很简单：G = 1 + 2Rf / Rg。Rg越小，增益越大。我见过有人把Rg换成数字电位器，实现程控增益——想法挺好，但要注意寄生电容会影响高频性能。
4.2 共模抑制比（CMRR）概念
CMRR是仪表放大器最重要的指标，没有之一。
定义式：CMRR = 20 × log(Ad / Ac)，其中Ad是差模增益，Ac是共模增益。
说白了，CMRR衡量的是放大器“无视共模信号、只放大差分信号”的能力。单位是dB，越大越好。
我的经验：实际项目中，CMRR往往不是由芯片数据手册决定的，而是由外围电阻匹配精度决定的。我曾经在一个称重传感器项目里用了0.1%精度的电阻，CMRR做到了100dB以上；换成1%的电阻，直接掉到80dB。电阻匹配度每差0.1%，CMRR大约恶化20dB。
| 电阻匹配精度 | 理论CMRR（典型） | 实际表现 |
|---|---|---|
| 0.01% | 120 dB | 极佳，用于精密测量 |
| 0.1% | 100 dB | 良好，大多数工业场景够用 |
| 1% | 80 dB | 一般，噪声明显 |
| 5% | 66 dB | 差，不建议用于传感器调理 |
还有一个容易忽略的点：CMRR会随频率升高而下降。数据手册上给的CMRR通常是直流或低频值，到了1kHz以上可能掉20-30dB。如果你调理的信号带宽比较宽，一定要看CMRR vs Frequency曲线。
避坑提醒：我曾经在一个振动监测项目里，选了CMRR高达120dB的INA，结果现场调试时发现50Hz工频干扰还是很大。查了半天，发现是PCB布局导致地环路把共模噪声又引了进来。记住——芯片CMRR再高，也救不了糟糕的PCB layout。
4.3 AD620芯片仿真
AD620是ADI公司经典的仪表放大器芯片，也是我仿真时用得最多的INA模型。它内部就是三运放结构，但把所有电阻都集成在片内了，只用一只外接电阻Rg设定增益。
增益公式：G = 49.4kΩ / Rg + 1
比如你要100倍增益，Rg = 49.4kΩ / (100 - 1) ≈ 499Ω。
下面是一个LTspice仿真示例，模拟AD620对10mV差分信号+1V共模噪声的响应：
* AD620 仪表放大器仿真
V1 VIN+ 0 DC 1.01 AC 1
V2 VIN- 0 DC 0.99 AC 1
* 差分信号10mV，共模1V
XU1 VIN+ VIN- VOUT VCC VEE AD620
Rg VIN+ VIN- 499
VCC VCC 0 5
VEE VEE 0 -5
.tran 10m
.backanno
.end仿真结果会看到：输出端VOUT大约是1V峰峰值（10mV × 100倍增益），而1V的共模噪声几乎被完全抑制。这就是INA的厉害之处。
关键参数速查（AD620）：
- 供电范围：±2.3V ~ ±18V
- 静态电流：典型0.9mA（低功耗）
- CMRR：100dB（G=100时）
- 带宽：120kHz（G=100时）
- 输入噪声：0.28μV p-p（0.1Hz~10Hz）
仿真时我习惯先做DC扫描，确认增益线性度；再做AC扫描，看带宽和CMRR随频率的变化；最后做瞬态仿真，叠加实际噪声信号验证。
嗯，这里要注意——仿真模型里的CMRR通常是理想值。实际芯片受温度、电源电压、老化等因素影响，CMRR会略低。所以设计时一定要留余量，至少留10-20dB。
我个人习惯在仿真完成后，把Rg换成不同阻值跑一遍参数扫描，这样能直观看到增益变化对带宽和噪声的影响。你会发现增益越高，带宽越窄——这是INA的普遍规律，AD620也不例外。