4. 仪表放大器
仪表放大器，咱们行内人常叫它「仪放」。搞传感器调理，这玩意儿是绕不开的核心器件。说白了，它就是个专门为差分小信号量身定做的放大器。跟普通运放搭的差分电路比，它省心太多了——输入阻抗高、共模抑制能力强、增益设定还简单。
我记得刚入行那会儿，有个项目测压力传感器，输出才几毫伏。我图省事，用俩普通运放搭了个差分电路。结果呢？工频干扰比信号还大，折腾了两天没搞定。后来老工程师扔给我一片AD620，换上去立马清净了。从那以后，我对仪放就多了几分敬畏。
4.1 三运放结构：经典架构拆解
先看最经典的三运放结构。它分两级：前级是两个运放构成的对称输入级，后级是一个差分放大器。
核心思路：前级只放大差模信号，对共模信号不做放大；后级负责把双端信号转成单端，并进一步抑制残余共模分量。
前级为啥能抑制共模？你想想看，两个运放的同相端分别接输入信号。共模信号过来时，两个运放的反相端电压跟着一起变化，但Rg两端的电压差不变。所以共模增益是1。而差模信号呢？它会在Rg上产生压降，被放大到(1 + 2Rf/Rg)倍。
后级就是个标准差分放大器，增益通常设为1倍，主要做电平转换。整个仪放的增益公式是：
G = (1 + 2Rf / Rg) * (R4 / R3)实际应用中，Rf和R4/R3都是内部精密电阻，用户只需要调整Rg就能改变增益。方便得很。
我的习惯：选Rg时尽量让增益落在10~1000倍之间。太低浪费了仪放的高CMRR优势，太高噪声和失调会跟着放大。
4.2 共模抑制比(CMRR)：仪放的灵魂指标
CMRR，全称Common Mode Rejection Ratio。它衡量的是放大器对共模信号的抑制能力。公式是：
CMRR = 20 * log10(Adm / Acm) 单位：dBAdm是差模增益，Acm是共模增益。CMRR越高，说明放大器越能「无视」共模干扰。
我做过一个测试：用信号发生器给仪放输入端同时加1V共模电压和10mV差模信号。如果CMRR是100dB，输出端看到的共模分量只有10μV级别。这就是仪放厉害的地方。
| CMRR (dB) | 共模抑制倍数 | 典型应用场景 |
|---|---|---|
| 60 | 1000 | 低精度、短距离信号传输 |
| 80 | 10000 | 工业传感器、4-20mA采集 |
| 100 | 100000 | 医疗仪器、精密称重 |
| 120 | 1000000 | 生物电信号、地震监测 |
影响CMRR的因素有哪些？我总结了几条：
- 电阻匹配精度：后级差分放大器的四个电阻，哪怕只有0.1%的失配，CMRR也会掉到80dB以下。
- 运放自身CMRR：前级两个运放的CMRR一致性很重要。我习惯选双运放封装，比如OPA2277，芯片内部匹配更好。
- 频率影响：CMRR会随频率升高而下降。数据手册上通常给的是直流或低频值，高频时要留余量。
我曾经踩过的坑：有个项目用INA128测桥式传感器，PCB布局时把反馈电阻Rg的走线拉得太长。结果高频CMRR从110dB掉到了75dB，怎么查都查不出来。后来用示波器探针直接测Rg两端，才发现走线寄生电感引入了共模噪声。从此以后，Rg的走线我都是紧贴着芯片引脚走，绝不绕路。
4.3 AD620与INA128：两颗经典芯片的对比
AD620和INA128是市面上最常用的两款仪放。我两个都用过，各有千秋。
| 参数 | AD620 | INA128 |
|---|---|---|
| 供电范围 | ±2.3V ~ ±18V | ±2.25V ~ ±18V |
| 静态电流 | 1.3mA (典型) | 700μA (典型) |
| 输入偏置电流 | 1nA (最大) | 5nA (最大) |
| CMRR (G=100) | 110dB (最小) | 120dB (最小) |
| 带宽 (G=100) | 120kHz | 200kHz |
| 噪声 (0.1~10Hz) | 0.28μVpp | 0.2μVpp |
| 增益公式 | G = 49.4kΩ / Rg + 1 | G = 50kΩ / Rg + 1 |
说说我的选型经验：
- 电池供电设备：选INA128，静态电流只有AD620的一半左右。
- 高精度测量：INA128的CMRR和噪声指标更优，适合称重传感器、应变片。
- 通用场景：AD620更皮实，输入偏置电流更低，适合高阻抗信号源。
- 成本敏感：AD620价格略低，货源也更稳定。
增益电阻的计算很简单。以AD620为例：
Rg = 49.4kΩ / (G - 1)
举例：想要G=100
Rg = 49.4kΩ / 99 ≈ 499Ω
选标准值499Ω，实际增益G = 49.4k / 499 + 1 ≈ 100我建议：Rg尽量用0.1%精度的金属膜电阻，温度系数选25ppm/℃或更好。别小看这颗电阻，它直接决定了增益精度和温漂。
4.4 PCB布局：让理论落地
电路图画得再好，PCB布局一塌糊涂，照样白搭。仪放对布局的要求比普通运放高得多。我总结了几条铁律：
第一，输入走线要短且对称。差分信号的两条线必须等长、等宽、紧耦合。我习惯把它们并行走，中间不穿插其他信号。长度差控制在1mm以内。
第二，反馈电阻Rg要靠近芯片。Rg两端连接的是前级运放的反相端，阻抗很高。走线长了容易耦合噪声。我一般把Rg放在芯片正下方或紧邻引脚的位置。
第三，电源去耦不能省。每个电源引脚放一个0.1μF陶瓷电容，位置尽量靠近引脚。我还会在板子入口处加一个10μF钽电容做低频去耦。
第四，地平面要完整。仪放下面不要走数字信号线，尤其是时钟线和PWM线。我习惯在仪放区域铺一个完整的地铜皮，用多个过孔连接到主地平面。
第五，输入保护要跟上。如果传感器在板外，输入端要加ESD保护二极管和串联电阻。我常用BAT54S双二极管，串联电阻选1kΩ~10kΩ。
我曾经犯过的错：有个项目赶工期，把仪放的输入走线从板子边缘绕了一大圈。结果生产了100块板子，有30块共模抑制不合格。后来查出来是走线不对称，引入了共模到差模的转换。重新布局后，良率直接拉到98%。
下面这张图是我总结的仪放PCB布局要点，画成流程图方便你对照检查：
最后说一句，仪放用得好不好，七分靠选型，三分靠布局。选对了芯片，再花点心思把PCB画好，传感器信号调理这块基本就稳了。嗯，今天就聊到这儿。