一、三运放结构概述

什么是三运放结构

三运放结构，说白了就是三个运算放大器搭出来的仪表放大器。我刚开始接触这玩意儿的时候，觉得它不就是三个运放连一起嘛，有啥好学的？后来才发现，这里面的门道可不少。

它的基本结构是这样的：两个运放组成输入级，一个运放做输出级。输入级那两个运放，负责把差分信号放大，同时把共模信号压下去。输出级那个运放，再把信号做进一步处理。

嗯，这里要注意。三运放结构和单运放结构最大的区别在哪？

单运放结构，你调增益的时候，共模抑制比会跟着变。三运放结构就不一样了，增益和共模抑制比是解耦的。你调增益，共模抑制比基本不动。这个特性在实际项目中太重要了。

我记得有一次做传感器信号调理，客户要求增益可调，但共模抑制比必须保持在100dB以上。用单运放结构，增益一调，共模抑制比就往下掉。换成三运放结构，问题就解决了。

三运放结构的典型应用场景

三运放结构最常见的应用场景，我给大家列几个：

• 传感器信号调理：比如压力传感器、温度传感器、应变片这些，输出信号都很微弱，而且共模电压往往很高。三运放结构能把有用信号放大，把共模干扰滤掉。
• 医疗仪器：心电图、脑电图这些，人体信号本身就弱，还容易受工频干扰。三运放结构的高共模抑制比，正好派上用场。
• 数据采集系统：多通道采集的时候，每个通道的共模电压可能不一样。三运放结构能保证每个通道的信号质量。
• 工业控制：现场环境噪声大，长线传输容易引入共模干扰。三运放结构抗干扰能力强。

你想想看，这些场景有个共同点：信号弱、噪声大、共模干扰严重。三运放结构就是为这种场景量身定做的。

三运放结构的优势

三运放结构的优势，我总结了几点：

优势	说明
高共模抑制比	理论上可以做到120dB以上，实际也能做到100dB左右
增益与共模抑制比解耦	调增益不影响共模抑制比，设计灵活
输入阻抗高	两个运放的同相输入端，输入阻抗极高，不拉低信号源
增益精度高	增益只取决于外部电阻比值，和运放本身参数关系不大

我曾经在一个项目中，需要测量微伏级的信号变化。信号源内阻有10kΩ，如果用单运放结构，输入阻抗不够高，信号就被拉低了。三运放结构输入阻抗极高，信号几乎无损地传进去。

三运放结构的局限性

任何东西都有两面性。三运放结构也不是万能的。

第一个局限：功耗大

三个运放同时工作，功耗自然比单运放结构大。我做过一个低功耗项目，电池供电，要求整机功耗不超过1mA。三运放结构光运放就吃掉0.5mA，剩下的给其他电路，捉襟见肘。后来只能改用其他方案。

第二个局限：噪声

三个运放，每个都会贡献噪声。虽然输入级那两个运放的噪声会被差分结构抑制一部分，但输出级那个运放的噪声会直接加到输出端。所以选运放的时候，噪声指标要特别留意。

第三个局限：成本

三个运放加一堆精密电阻，成本自然比单运放方案高。如果对性能要求不高，用单运放结构更划算。

第四个局限：共模输入范围

输入级那两个运放，它们的共模输入范围受电源电压限制。如果共模电压接近电源轨，运放会饱和，信号就失真了。我曾经吃过这个亏，信号源共模电压是4.5V，我用5V单电源供电，结果输出波形削顶了。后来换成双电源供电才解决。

什么时候该用三运放结构？

我个人习惯这样判断：

• 信号幅度在微伏到毫伏级别
• 共模干扰比信号大几个数量级
• 对共模抑制比要求高于80dB
• 功耗和成本不是首要考虑因素

满足这些条件，三运放结构就是你的首选。

好了，这一章就讲到这里。三运放结构的基本概念、应用场景、优势和局限性，我都给大家梳理了一遍。下一章，我会详细讲三运放结构的工作原理，包括增益怎么算、共模抑制比怎么分析、电阻怎么选。到时候见。