4. 增益级电路结构

在多量程可编程增益前端中，增益级并不是一个孤立的“放大倍数旋钮”，而是决定输入阻抗、共模抑制、噪声增益、带宽与量程切换方式的核心结构。同一组可编程电阻网络，放在同相、反相、差分或仪表放大器拓扑中，得到的系统行为完全不同。理解这四种结构的输入输出关系及其在多量程前端中的角色，是正确选型与设计量程切换策略的基础。

一、四种基本增益结构的核心原理

同相放大将输入信号接到运放同相端，反馈网络由 R_f 与 R_g 构成，增益为 A_v = 1 + R_f/R_g。其最大优点是输入阻抗极高，几乎不从前级取电流，适合直接连接高输出阻抗的传感器；缺点是增益不能小于 1，且反馈网络对共模无抑制能力，共模电压会随信号一起进入后级。

反相放大将输入经 R_in 接入反相端，同相端接地或接参考，增益为 A_v = −R_f/R_in。它天然支持小于 1 的衰减，适合把大信号压缩到 ADC 量程内；但输入阻抗等于 R_in，量程切换时输入阻抗会随增益变化，对前级驱动能力提出要求。此外，反相端的虚地使运放共模输入接近固定值，共模抑制压力较小。

差分放大用一只运放和四只电阻实现两个输入之差，增益为 A_v = R_f/R_in（当电阻匹配时）。它能抑制共模干扰，适合桥式传感器、电流采样等差分信号源。但其输入阻抗有限且两端不完全对称，电阻失配会直接转化为共模误差，因此对电阻匹配精度要求很高。

仪表放大器由两级构成：输入级两个同相缓冲加一只增益电阻 R_g，输出级为差分放大。增益为 A_v = 1 + 2R/R_g（以经典三运放结构为例）。它同时具备高输入阻抗、高共模抑制和稳定的差分增益，是精密多量程前端最常用的结构，代价是电路复杂、噪声与功耗略高、增益带宽积受限。

二、多量程前端的增益切换方法

多量程前端的核心任务，是在不改变信号链拓扑的前提下，用可控方式改变增益，使不同幅度的输入都能落入 ADC 的最佳输入范围。常见做法有三类：

• 反馈电阻切换：在反相或同相结构中，用模拟开关或继电器切换 R_f 或 R_g，改变闭环增益。优点是结构简单；缺点是开关导通电阻会引入增益误差，且切换瞬间可能产生毛刺。
• 仪表放大器 R_g 切换：仪表放大器的增益由单只 R_g 决定，切换一只电阻即可覆盖很宽的量程，且输入级始终对称，CMRR 稳定。这是精密多量程前端最推荐的方式。
• 多路输入衰减 + 固定增益：在前端用电阻分压网络把大信号先衰减，再送入固定增益放大级。适合高压输入场景，但衰减网络的电阻匹配和寄生电容会影响高频响应。

三、典型场景：桥式压力传感器的多量程采集

某桥式压力传感器输出满量程为 10 mV，共模电压为 2.5 V，后级 ADC 满量程为 2.5 V。若直接送入 ADC，信号仅占满量程的 0.4%，有效位数损失严重。此时应选用仪表放大器作为第一级，设置增益为 100，把 10 mV 放大到 1 V；再根据实际压力范围，通过切换 R_g 把增益在 10、100、1000 三档之间切换，实现多量程覆盖。

仪表放大器增益配置示例（R = 25 kΩ）：
Rg = 50 kΩ  → Av = 1 + 2×25k/50k = 2
Rg = 5 kΩ   → Av = 1 + 2×25k/5k  = 11
Rg = 500 Ω  → Av = 1 + 2×25k/500 = 101
Rg = 50 Ω   → Av = 1 + 2×25k/50  = 1001

量程规划：
档位1：Av=2    → 输入范围 ±1.25 V
档位2：Av=11   → 输入范围 ±227 mV
档位3：Av=101  → 输入范围 ±24.7 mV
档位4：Av=1001 → 输入范围 ±2.5 mV

该场景中，仪表放大器承担了“高输入阻抗 + 共模抑制 + 精密增益”三重角色，而 R_g 切换则成为量程切换的唯一控制点，极大简化了前端设计。

四、常见误区与复盘

五、结构选型速查清单

1. 信号源输出阻抗高、需要直接缓冲：优先同相放大或仪表放大器。
2. 需要把大信号压缩到 ADC 量程内：优先反相放大，利用其小于 1 的增益能力。
3. 信号为差分且共模干扰明显：优先差分放大或仪表放大器。
4. 需要多档精密增益且切换简单：优先仪表放大器，用 R_g 单电阻切换。
5. 对成本敏感、共模要求不高：可用同相或反相放大加模拟开关。
6. 对 CMRR 和长期稳定性要求高：选用集成仪表放大器，避免分立电阻失配。

综上，同相、反相、差分与仪表放大器在多量程前端中各有明确角色：同相负责高阻缓冲，反相负责衰减与虚地，差分负责共模抑制，仪表放大器负责精密多量程放大。理解它们的输入阻抗、增益公式、共模行为和切换代价，才能在量程规划中做出正确取舍，使前端在分辨率、带宽、噪声与成本之间取得平衡。