2、关键参数详解（上）：增益（Gain）、共模抑制比（CMRR）、输入阻抗

各位工程师朋友，大家好。今天我们聊聊仪表放大器最核心的三个参数。说实话，这三个参数搞明白了，仪表放大器你就掌握了七成。

我刚开始做信号链设计那会儿，总觉得参数嘛，看看数据手册就行了。结果有一次项目调试，传感器输出信号死活不对，折腾了两天。后来才发现，是共模抑制比没选对。从那以后，我对这三个参数就格外上心。

增益，说白了就是放大器能把信号放大多少倍。仪表放大器的增益通常通过一个外部电阻来设置。为什么用外部电阻？因为灵活。你想想看，不同传感器的输出幅度差别很大，热电偶可能只有几毫伏，而应变片桥路可能有几十毫伏。一个固定增益的放大器，很难通吃所有场景。

典型的仪表放大器，比如AD620，增益公式是：

G = 1 + (49.4kΩ / Rg)

这里的49.4kΩ是内部精密电阻网络的总和。Rg是你外接的增益电阻。我习惯用0.1%精度的金属膜电阻，温漂要控制在25ppm/℃以内。为什么？因为增益精度直接决定了测量精度。

关键点：增益不是越大越好。增益太大，噪声也跟着放大，信噪比反而可能下降。我一般会先估算信号的最小幅度，然后留出20%~30%的余量来选择增益。

举个例子：假设传感器输出范围是0~20mV，ADC的满量程输入是5V。那么需要的增益大约是：

G = 5V / 20mV = 250

代入公式：Rg = 49.4kΩ / (250 - 1) ≈ 198.4Ω。实际中我会选200Ω的精密电阻，实际增益约248倍，完全够用。

小技巧：如果增益要求很高（比如超过1000），建议分两级放大。第一级用仪表放大器，第二级用普通运放。我曾经在一个项目中需要5000倍增益，一级放大根本不行，噪声大得离谱。分成两级后，效果立竿见影。

共模抑制比，这是仪表放大器最引以为傲的参数。它衡量的是放大器抑制共模信号的能力。什么是共模信号？就是同时出现在两个输入端的相同信号。比如工频干扰、地线噪声，这些都是共模信号。

CMRR的定义是差模增益与共模增益的比值，通常用分贝表示：

CMRR = 20 * log(Ad / Acm)

其中Ad是差模增益，Acm是共模增益。CMRR越高，说明放大器对共模干扰的抑制能力越强。

我记得有一次做医疗设备，心电信号只有几毫伏，但患者身上有50Hz的工频干扰，幅度能达到几百毫伏。如果CMRR不够，这50Hz的干扰就会混入信号中，根本没法看。后来选了一款CMRR大于120dB的仪表放大器，问题迎刃而解。

注意：CMRR会随频率升高而下降。数据手册上给的CMRR通常是直流或低频下的值。实际应用中，如果信号频率较高，一定要看频率- CMRR曲线。我曾经吃过这个亏，以为120dB的CMRR够用，结果信号频率到了1kHz，CMRR掉到了80dB，干扰又回来了。

影响CMRR的因素有很多，我列几个常见的：

避坑指南：我曾经在PCB布局时，把增益电阻Rg的两个引脚走线长度差了5mm，结果CMRR下降了15dB。后来我把走线做成等长，问题就解决了。所以，布局时一定要对称、对称、再对称。

输入阻抗，这个参数很多人容易忽略。仪表放大器的输入阻抗通常很高，典型值在10^9Ω以上。为什么需要这么高？因为传感器输出阻抗往往也不低，比如pH电极的输出阻抗高达10^8Ω。如果放大器的输入阻抗不够高，信号就会被分压，测量精度大打折扣。

你想想看，一个输出阻抗为1MΩ的传感器，接上一个输入阻抗为1MΩ的放大器，信号直接衰减一半。这还怎么测？

仪表放大器的输入阻抗有两个特点：

这里要特别提一下输入偏置电流。虽然输入阻抗很高，但偏置电流如果太大，会在传感器输出阻抗上产生压降，造成误差。比如偏置电流是10nA，传感器输出阻抗是100kΩ，那么误差电压就是1mV。对于微伏级的信号来说，这已经很大了。

我的建议：如果传感器输出阻抗很高（比如光电二极管、pH电极），优先选择FET输入的仪表放大器，偏置电流可以低到pA级别。我做过一个光电检测项目，用的就是FET输入的仪表放大器，偏置电流只有1pA，完全不用担心误差问题。

好了，增益、共模抑制比、输入阻抗这三个参数，今天就讲到这里。下一节我们继续聊带宽、噪声和温漂。这三个参数同样重要，尤其是噪声，搞不好会让你前功尽弃。我们下次见。