4、经典三运放仪表放大器结构：第一级差分放大、第二级差分转单端、共模抑制比分析

好，咱们今天聊聊三运放仪表放大器。这个结构，说它是仪表放大器界的「扛把子」一点不为过。我入行那会儿，第一个接触的精密模拟芯片就是AD620，拆开一看，里面就是这结构。这么多年过去了，它依然是高精度测量的首选。

4.1 第一级差分放大：两个运放，一个核心

先看第一级。两个运放A1和A2，加上三个电阻R1、R2、R3，构成了对称的差分输入级。你想想看，输入信号V_IN+和V_IN-分别接到两个运放的同相端。

这里有个关键点：R1和R2是匹配的，R3是增益设置电阻。第一级的增益公式很简单：

G1 = 1 + 2*R1/R3

嗯，这里要注意。R3是跨接在两个运放反相端之间的电阻。改变R3，就能改变第一级增益。我在项目中遇到过，有些工程师喜欢把R3做成可调电阻，方便调试。但我个人习惯用固定电阻加模拟开关切换，稳定性更好。

第一级输出的差分电压是：

Vdiff_out = (VIN+ - VIN-) * (1 + 2*R1/R3)

说白了，第一级只放大差模信号，对共模信号基本不理。为什么？因为共模信号在两个运放的同相端同时出现，两个运放的反相端通过R3连在一起，共模增益只有1倍。

4.2 第二级差分转单端：减法器的艺术

第一级输出的是差分信号，但大多数ADC和后续电路需要单端信号。所以第二级登场了——一个经典的差分转单端电路，也就是减法器。

第二级由运放A3和四个电阻R4、R5、R6、R7组成。这四个电阻必须严格匹配，否则CMRR会断崖式下跌。我见过一个案例，电阻匹配误差0.1%，CMRR就从120dB掉到了80dB。你想想看，这损失有多大。

第二级的增益公式：

G2 = R6/R4  （假设R4=R5，R6=R7）

总增益就是两级增益的乘积：

G_total = G1 * G2 = (1 + 2*R1/R3) * (R6/R4)

我建议在设计时，把大部分增益放在第一级。为什么？因为第一级放大的是差分信号，噪声和失调会被第二级进一步放大。第一级增益高了，信噪比自然就好。

4.3 共模抑制比分析：为什么三运放结构这么强？

共模抑制比，说白了就是电路对共模信号的「免疫力」。三运放结构之所以能成为经典，就是因为它的CMRR可以做到非常高。

我们来拆解一下CMRR的来源：

• 第一级的贡献：第一级对共模信号增益为1，对差模信号增益为G1。所以第一级自身的CMRR就是G1。G1越大，第一级贡献的CMRR越高。
• 第二级的贡献：第二级的CMRR完全取决于四个电阻的匹配精度。电阻匹配越好，CMRR越高。
• 总CMRR：总CMRR ≈ 第一级CMRR × 第二级CMRR。但实际中，总CMRR受限于第二级的电阻匹配。

为什么会这样？我举个例子。假设第一级CMRR是100dB，第二级CMRR是80dB。总CMRR并不是180dB，而是大约80dB。因为第二级是瓶颈。

所以，提升CMRR的关键在于：

1. 提高第一级增益：G1越大，第一级贡献的CMRR越高。但要注意，G1太大可能会让第一级输出饱和。
2. 保证第二级电阻匹配：使用精密电阻网络或激光微调电阻。我习惯用四电阻一体封装的产品，匹配精度可以做到0.01%甚至更高。
3. 运放本身的CMRR：选择高CMRR的运放，尤其是第一级的两个运放，最好用同一批次、同一封装的配对产品。

影响因素	对CMRR的影响	改善方法
第一级增益G1	正比关系，G1每增加10倍，CMRR增加20dB	适当提高G1，但注意输出摆幅限制
第二级电阻匹配	匹配误差0.1%对应CMRR约60dB	使用0.01%精密电阻或电阻网络
运放自身CMRR	限制总CMRR上限	选择CMRR>120dB的运放
PCB布局	寄生参数会降低高频CMRR	对称布局，减少寄生电容差异

嗯，说到PCB布局，我再啰嗦一句。高频下，哪怕电阻匹配得再好，PCB上的寄生电容也会破坏CMRR。我建议第一级的两个运放输入走线要完全对称，长度一致，周围用地线包围。这些细节，往往决定了最终性能。