1. 仪表放大器概述
1.1 什么是仪表放大器
仪表放大器，说白了就是专门用来放大微弱差分信号的放大器。我做了十几年模拟电路，遇到最多的场景就是传感器信号采集——比如电桥、热电偶、生物电信号。这些信号有个共同特点：信号本身很小，但共模噪声却很大。
举个例子，你测量一个心电信号，幅度可能只有几毫伏。但人体上感应的50Hz工频干扰，可能高达几百毫伏。普通运放根本没法处理这种信号。这时候就需要仪表放大器出马了。
仪表放大器本质上是一个三运放结构。两个运放做输入级，一个运放做输出级。输入级提供高输入阻抗和共模抑制，输出级提供差分增益。嗯，这里要注意，市面上也有单芯片集成的仪表放大器，比如AD620、INA128，内部已经做好了匹配，用起来更方便。
核心特点：
- 高输入阻抗（通常>10GΩ）
- 高共模抑制比（CMRR > 100dB）
- 增益可通过单个电阻精确设置
- 低失调电压和低漂移
1.2 核心指标详解
共模抑制比（CMRR）
CMRR是仪表放大器最重要的指标，没有之一。它衡量的是放大器抑制共模信号的能力。公式很简单：CMRR = 20log(Adm/Acm)，单位是dB。
我在项目中遇到过一件事：用INA128做压力传感器采集，CMRR标称120dB。但实际测试只有80dB。查了半天，发现是电阻网络不匹配造成的。你想想看，外部增益电阻哪怕只有0.1%的误差，CMRR也会掉到80dB以下。
避坑指南：
我曾经因为用了普通贴片电阻做增益设置，导致整个系统的共模抑制能力大打折扣。后来全部换成0.01%精度的金属膜电阻，CMRR才恢复到110dB以上。记住：仪表放大器的性能，很大程度上取决于外围电阻的匹配精度。
增益
仪表放大器的增益通常通过一个外部电阻RG来设置。以AD620为例，增益公式是：G = 49.4kΩ / RG + 1。RG越小，增益越大。
我个人习惯把增益设置在10到1000之间。太低了浪费仪表放大器的性能，太高了带宽会受限。你想想看，增益1000的时候，带宽可能只有几十kHz，采集快速变化的信号就不够用了。
| 增益 | RG阻值（AD620） | 典型带宽 | 应用场景 |
|---|---|---|---|
| 10 | 5.49kΩ | 800kHz | 电桥信号 |
| 100 | 499Ω | 120kHz | 热电偶 |
| 1000 | 49.5Ω | 12kHz | 生物电信号 |
带宽
带宽和增益是相互制约的。增益带宽积（GBP）是常数。比如AD620的GBP是1MHz，增益设为100时，带宽就只有10kHz。
我建议你在选型时先算一下需要的带宽。比如采集心电信号，带宽只需要0.05Hz到100Hz，用高增益没问题。但如果是采集振动信号，带宽可能需要10kHz以上，那就得牺牲增益了。
1.3 与普通运放的区别
很多初学者会问：为什么不能用两个普通运放搭一个差分放大器？其实可以，但效果差很多。
普通运放搭的差分放大器，输入阻抗取决于外部电阻。比如用10kΩ电阻，输入阻抗就是10kΩ。而仪表放大器的输入阻抗在GΩ级别，差了六个数量级。为什么会这样？因为仪表放大器输入级用了两个运放做缓冲，输入信号直接进运放的栅极，阻抗极高。
另外，普通运放的CMRR受电阻匹配精度影响很大。我曾经测试过，用1%精度的电阻搭差分放大器，CMRR只有60dB左右。而集成仪表放大器内部做了激光修调，CMRR轻松做到100dB以上。
选型建议：
- 信号源阻抗高（>10kΩ）→ 必须用仪表放大器
- 共模干扰大（>1V）→ 必须用仪表放大器
- 需要高精度（0.1%以上）→ 必须用仪表放大器
- 成本敏感、信号源阻抗低 → 可以考虑普通运放
说白了，仪表放大器就是为恶劣环境下的微弱信号测量而生的。它牺牲了成本和功耗，换来了普通运放无法企及的精度和抗干扰能力。我做了这么多年硬件，但凡遇到传感器信号采集，第一反应就是：上仪表放大器。