4、仪表放大器深度解析：三运放架构原理、共模抑制比(CMRR)、增益设置、典型芯片（AD620、INA128）应用电路

仪表放大器，这玩意儿在精密信号调理里，可以说是「看家法宝」了。

我刚开始做传感器采集那会儿，总觉得用普通运放搭两级放大就行。结果呢？共模干扰大得离谱，信号根本没法看。后来老老实实用仪表放大器，问题一下就解决了。

说白了，仪表放大器就是专门为差分小信号设计的。它能把微伏级的信号从强共模噪声里「捞」出来。

4.1 三运放架构：经典中的经典

仪表放大器最经典的架构，就是三个运放搭起来的。我习惯叫它「三运放仪表放大器」。你想想看，为什么非要用三个？

结构上分两级：

• 第一级：两个运放构成差分输入级。这一级只放大差模信号，对共模信号「视而不见」。说白了，就是两个同相放大器背靠背。
• 第二级：一个运放构成差分转单端输出级。把第一级输出的差分信号，变成对地的单端信号。

这里有个关键点：第一级的两个运放，它们的共模增益是1倍，但差模增益可以做得很大。为什么？因为共模信号在输入端是同向的，两个运放输出端共模电压相等，在第二级一相减就抵消了。

4.2 共模抑制比(CMRR)：仪表放大器的灵魂

CMRR，全称Common Mode Rejection Ratio。我经常跟新人说：CMRR就是仪表放大器的「看家本领」。

定义很简单：差模增益除以共模增益。单位是dB。

CMRR = 20 * log10(Adm / Acm)

举个例子：AD620的CMRR典型值是100dB。这意味着什么？如果共模信号是1V，等效到输入端的误差只有10μV。厉害吧？

但这里有个坑——CMRR会随频率升高而下降。我在项目中遇到过，用AD620做50Hz工频抑制时效果很好，但换成10kHz的共模干扰，CMRR直接掉了20dB。

影响CMRR的因素还有：

• 电阻匹配精度：三运放架构中，第二级的四个电阻必须精确匹配。0.1%的电阻和1%的电阻，CMRR能差20dB。
• 运放本身的CMRR：第一级两个运放的CMRR要尽量一致。
• PCB布局：不对称的走线会引入额外的共模误差。

4.3 增益设置：一个电阻搞定

仪表放大器最方便的地方，就是用一个外部电阻RG来设置增益。公式很简单：

G = 1 + (Rf / RG)

对于AD620：

G = 49.4kΩ / RG + 1

对于INA128：

G = 50kΩ / RG + 1

嗯，这里要注意：RG的精度直接影响增益精度。我建议用0.1%的精密电阻，温度系数要低于25ppm/℃。

增益	AD620的RG值	INA128的RG值
10	5.49kΩ	5.56kΩ
100	499Ω	505Ω
1000	49.9Ω	50.5Ω

4.4 典型芯片：AD620 vs INA128

这两个芯片，是我用得最多的。它们各有千秋。

AD620：经典之选

• 最大输入失调电压：50μV
• 最大输入偏置电流：2nA
• CMRR（G=100）：100dB
• 带宽（G=100）：120kHz
• 静态电流：1.3mA

AD620的优点是功耗低、价格便宜。适合电池供电的设备。我有个手持式测温仪项目，就是用AD620，一节锂电池能用一周。

INA128：高精度之选

• 最大输入失调电压：50μV
• 最大输入偏置电流：5nA
• CMRR（G=100）：120dB
• 带宽（G=100）：200kHz
• 静态电流：700μA

INA128的CMRR更高，带宽更宽。适合高精度测量。我做过一个应变片测量系统，用INA128配合0.1%电阻，分辨率做到了0.1μV。

4.5 应用电路：实战案例

我分享一个桥式传感器信号调理电路，这是仪表放大器最经典的应用场景。

电路结构：
1. 电桥输出接AD620的IN+和IN-
2. RG接在1脚和8脚之间（增益设置）
3. REF脚接参考电压（通常接地）
4. 输出接ADC或后续电路

关键元件：
- AD620
- RG = 499Ω（增益100倍）
- 输入保护：两个10kΩ电阻串联在输入端
- 滤波电容：0.1μF在电源引脚

实际调试时要注意：

• 输入保护：传感器线缆可能引入静电，输入端要加串联电阻和TVS管。
• 参考电压：REF脚的噪声会直接耦合到输出。我习惯用精密基准源，比如REF5025。
• 电源去耦：每个电源引脚都要有0.1μF陶瓷电容，靠近芯片放置。

好了，仪表放大器的核心内容就这些。记住：选对芯片、设好增益、注意共模范围、做好PCB布局，你的信号调理电路就成功了一大半。