4、信号调理电路设计（一）：同相/反相放大器设计、差分放大器与仪表放大器、可编程增益放大器（PGA）应用

传感器出来的信号，说白了就是又小又乱。几毫伏的电压，叠加着共模噪声，直接送ADC？那基本是白费功夫。信号调理电路就是干这个的——把传感器信号“收拾”成ADC喜欢的样子。

我个人习惯把调理电路分成三步：放大、滤波、电平移位。今天咱们先聊放大这块，也是最核心的一步。

4.1 同相放大器与反相放大器

运放构成的基本放大电路，是调理电路的基础。我刚开始做项目时，总觉得这两个电路太简单，结果在阻抗匹配上栽过跟头。

4.1.1 同相放大器

同相放大器的输入阻抗极高（理想无穷大），对传感器信号几乎不产生负载效应。这是它最大的优势。

增益公式：Av = 1 + Rf / Rg

我曾经用同相放大器处理一个压电传感器的输出。压电传感器内阻很高，如果用反相放大器，信号衰减得厉害。换成同相结构，问题就解决了。

4.1.2 反相放大器

反相放大器的输入阻抗等于Rin，增益公式：Av = -Rf / Rin

反相放大器有个好处——输入端是虚地，没有共模电压问题。这在单电源系统中特别有用。

4.2 差分放大器与仪表放大器

实际项目中，传感器信号往往叠加着共模噪声。比如桥式传感器、热电偶，信号线上既有差分信号，又有共模干扰。这时候就需要差分放大器了。

4.2.1 基本差分放大器

一个运放加四个电阻，就能构成差分放大器。输出：Vout = (Rf/Rin) * (V+ - V-)

但这里有个坑——电阻匹配精度直接决定共模抑制比（CMRR）。

我曾经用1%精度的电阻搭差分电路，CMRR只有40dB左右。换成0.1%的电阻，CMRR提升到60dB。你想想看，如果电阻不匹配，差分信号里会混入共模成分，那调理出来的信号还能用吗？

4.2.2 仪表放大器

仪表放大器（INA）是差分放大器的升级版。它有三个运放构成：两个输入缓冲级加一个差分输出级。

仪表放大器的优势很明显：

• 输入阻抗极高（GΩ级）
• CMRR极高（典型值90-120dB）
• 增益可通过单个电阻设置
• 两个输入端阻抗对称

我常用的INA型号：AD620、INA128、INA333。选型时注意三点：

1. 增益范围：单电阻可调，典型值1-1000
2. 噪声密度：nV/√Hz级别，低噪声用于精密测量
3. 电源电压：轨到轨输出在低电压系统中很实用

4.3 可编程增益放大器（PGA）

有些传感器的输出范围变化很大。比如光敏传感器，从暗电流到强光输出，动态范围可能达到100dB。固定增益放大器搞不定，这时候PGA就派上用场了。

PGA的核心思想：用数字信号控制增益，适应不同幅度的输入信号。

4.3.1 PGA的实现方式

常见的PGA实现方式有三种：

我个人偏好用集成PGA芯片。原因很简单——省心。电阻网络加模拟开关的方案，我踩过坑：模拟开关的导通电阻会随温度和电压变化，导致增益漂移。后来换成PGA113，问题就解决了。

4.3.2 PGA的应用策略

PGA怎么用？我总结了一个三步法：

1. 预判信号范围：根据传感器特性，估算信号的最小和最大幅度
2. 设置增益档位：让ADC的输入范围匹配信号的最大幅度
3. 动态调整：在运行过程中，根据实际信号幅度切换增益

4.4 本章知识体系

下面这张图总结了信号调理电路中放大器的核心结构。你可以看到，从基本运放到PGA，是一个从简单到灵活、从低性能到高性能的演进过程。

4.5 设计选型速查表

最后，我整理了一个选型速查表。你在实际项目中可以直接参考：