3. 仪表放大器设计

3.1 三运放仪表放大器结构

仪表放大器（Instrumentation Amplifier, IA）是生物电信号采集前端的核心模块。其基本要求是：高输入阻抗、低噪声、高共模抑制比（CMRR）以及可调的精确增益。最经典的结构是三运放仪表放大器，由两级构成：

• 第一级：对称差分输入级（两个运放A1、A2）。
• 第二级：差分转单端输出级（一个运放A3）。

典型电路结构描述：

1. 输入信号V_IN+和V_IN-分别接入A1、A2的同相输入端。
2. A1和A2的反相输入端之间跨接增益电阻R_G。
3. A1和A2的输出端分别通过等值电阻R₁、R₂连接到A3的反相和同相输入端。
4. A3及其外围电阻R₃、R₄、R₅、R₆构成差分放大器（通常R₃=R₄=R₅=R₆）。

3.2 增益计算

三运放仪表放大器的总增益由两级增益相乘得到：

• 第一级增益（差分输入级）： G₁ = 1 + (2R₁ / R_G) （假设R₁=R₂）
• 第二级增益（差分输出级）： G₂ = R₄ / R₃ （通常设为1倍，即R₃=R₄）

总增益公式：

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

当第二级增益为1时：

G_total = 1 + 2R1 / RG

设计要点：

• R_G 是唯一决定增益的外部电阻，改变R_G即可精确调整增益。
• R₁、R₂ 通常取相同值（如10kΩ~50kΩ），以保证对称性。
• 第二级电阻必须严格匹配（精度0.1%或更高），否则会严重降低共模抑制比。

3.3 共模抑制比优化

共模抑制比（CMRR）是仪表放大器最重要的性能指标，定义为差模增益与共模增益之比（dB）。对于生物电信号（如ECG、EEG），共模干扰（50/60Hz工频）远大于信号幅度，因此CMRR通常要求 > 100dB。

影响CMRR的关键因素及优化策略：

因素	影响机制	优化方法
电阻匹配精度	第二级差分放大器的电阻失配直接产生共模到差模的转换	使用0.01%精度电阻阵列或集成电阻网络；采用激光微调技术
运放自身CMRR	第一级运放A1、A2的有限CMRR会叠加到总CMRR中	选用高CMRR（>120dB）的精密运放（如OPA2277、AD8628）
增益设置电阻RG	RG的温漂和不对称会影响第一级增益平衡	使用低温度系数（±25ppm/℃）的金属膜电阻；RG尽量靠近运放引脚
PCB布局与屏蔽	寄生电容、漏电流导致共模信号不平衡	输入走线等长等宽；地平面完整；输入引脚加Guard Ring保护
输入偏置电流	偏置电流流过源阻抗产生差模电压	选用低偏置电流运放（FET输入型）；确保源阻抗平衡

CMRR与增益的关系：

• CMRR通常随增益增大而提高（因为差模增益增加，共模增益不变）。
• 例如，AD620在G=100时CMRR典型值为130dB，在G=1时降至100dB。
• 设计时应根据信号幅度选择合适的增益，避免增益过低导致CMRR不足。

3.4 经典芯片应用：AD620与INA128

集成仪表放大器芯片将三运放结构、精密电阻网络和激光微调技术集成于单芯片，极大简化了设计。以下为两款最经典的生物电采集芯片：

3.4.1 AD620

• 特点： 低功耗（最大1.3mA）、低噪声（0.28μV_p-p 0.1~10Hz）、高CMRR（G=100时130dB）。
• 增益设置： 仅需一个外部电阻R_G，公式为：
  G = 49.4kΩ / RG + 1
• 典型应用： ECG、EEG、血压监测等便携式医疗设备。
• 设计注意事项：
  • 输入偏置电流为0.5nA（最大2nA），需考虑源阻抗匹配。
  • 参考端（REF）可接参考电压，用于输出电平偏移（如单电源应用）。
  • 电源去耦电容需紧靠芯片引脚（0.1μF陶瓷电容+10μF钽电容）。

3.4.2 INA128

• 特点： 超低偏置电压（最大50μV）、低漂移（0.5μV/℃）、高CMRR（G=100时120dB）。
• 增益设置： 公式为：
  G = 50kΩ / RG （注意：与AD620不同，INA128的增益公式不含“+1”）
• 典型应用： 高精度生物电信号（如神经电生理）、工业传感器。
• 设计注意事项：
  • 输入保护：需在输入端串联限流电阻（如10kΩ）和钳位二极管，防止过压损坏。
  • INA128的共模输入范围较宽（V_S- + 2V 至 V_S+ - 2V），适合单电源供电。
  • 输出端可加一级低通滤波器（如Sallen-Key结构）以抑制高频噪声。

3.4.3 芯片选型对比

参数	AD620	INA128	适用场景
增益公式	G = 49.4kΩ/RG + 1	G = 50kΩ/RG	AD620适合低增益（G=1~1000），INA128适合中高增益（G=1~10000）
输入噪声 (0.1~10Hz)	0.28μVp-p	0.2μVp-p	INA128噪声略低，适合微弱信号
静态电流	1.3mA (max)	0.7mA (typ)	INA128更省电，适合电池供电
CMRR @ G=100	130dB (min)	120dB (min)	AD620共模抑制能力更强
输入偏置电流	0.5nA (max)	5nA (max)	AD620偏置电流更低，适合高源阻抗

3.5 设计实例：心电信号（ECG）前置放大器

设计目标： 将±1mV的ECG信号放大至±1V（总增益1000倍），同时抑制50Hz共模干扰。

步骤：

1. 芯片选择： 选用AD620（高CMRR，低功耗）。
2. 增益分配： 第一级仪表放大器增益设为100倍，第二级（后置放大器）增益设为10倍。
3. 计算R_G： 由G=100，得 100 = 49.4kΩ / R_G + 1 → R_G = 49.4kΩ / 99 ≈ 499Ω（选用标准值499Ω，1%精度）。
4. 共模抑制优化：
   • 在AD620的REF引脚接入右腿驱动电路（DRL），进一步抑制共模电压。
   • 输入端串联10kΩ电阻和100pF电容构成低通滤波器（截止频率约160Hz），滤除高频干扰。
5. 电源与去耦： 采用±5V双电源供电，每个电源引脚对地接0.1μF陶瓷电容+10μF钽电容。

注意事项：

• 输入保护：在AD620输入端并联两个背对背的1N4148二极管至电源轨，防止静电放电（ESD）损坏。
• PCB布局：输入信号走线远离数字信号和电源线；在芯片下方铺设完整地平面。