儀表放大器這一術(shù)語經(jīng)常被誤用，它指的是器件的應(yīng)用，而非器件的架構(gòu)。在過去，任何被認(rèn)為精準(zhǔn)（即，實(shí)現(xiàn)某種輸入失調(diào)校正）的放大器都被視為“儀表放大器”，這是因?yàn)樗辉O(shè)計為用于測量系統(tǒng)。儀表放大器（即 INA）與運(yùn)算放大器（運(yùn)放）相關(guān)，因?yàn)槎呋谙嗤幕緲?gòu)件。但 INA 是專用器件，專為特殊功能設(shè)計，并非一個基本構(gòu)件。就這一點(diǎn)而言，儀表放大器不是運(yùn)放，因?yàn)樗鼈兊挠猛静煌?/p>

就用途而言，INA與運(yùn)放之間最顯著的區(qū)別或許是前者缺少反饋回路。運(yùn)放可配置為執(zhí)行各種功能，包括反相增益、同相增益、電壓跟隨器、積分器、低通濾波器和高通濾波器等。在所有情況下，用戶都會提供從運(yùn)放的輸出到輸入的反饋回路，此反饋回路決定放大器電路的功能。這種靈活性使運(yùn)放得以廣泛用于各種應(yīng)用。另一方面，INA的反饋位于內(nèi)部，因此沒有到輸入引腳的外部反饋。INA的配置限制為1個或2個外部電阻，也可能限制為一個可編程寄存器，用于設(shè)置放大器的增益。

INA 專為差分增益和共模抑制功能而設(shè)計和使用。儀表放大器將放大反相輸入和同相輸入間的差值，同時抑制這兩個輸入的任何共用信號，從而使INA的輸出上不存在任何共模成分。增益（反相或同相）配置的運(yùn)放將以設(shè)定的閉環(huán)增益來放大輸入信號，但輸出上將一直存在共模信號。所關(guān)注信號與共模信號間的增益差會導(dǎo)致共模成分（以差分信號的百分比表示）減少，但運(yùn)放的輸出上仍存在共模成分，這將限制輸出的動態(tài)范圍。

如上所述，INA用于在存在大量共模成分時提取小信號，但共模成分的形式可能多種多樣。當(dāng)使用采用惠斯通電橋配置（我們將稍后探討）的傳感器時，存在由兩個輸入共用的較大直流電壓。但是，干擾信號可具有多種形式；一個常見來源是來自電源線的50 Hz或60 Hz干擾，更不用說諧波了。這種時變誤差源通常還會隨頻率發(fā)生明顯波動，從而使得在儀表放大器的輸出端進(jìn)行補(bǔ)償變得極其困難。由于存在這些變化，因此不僅要在直流下，還要在各種頻率下實(shí)現(xiàn)共模抑制。

差分放大器

人們的第一個問題可能是：“是否可通過簡單的運(yùn)放構(gòu)建儀表放大器？”我可以馬上回答你：“是的，可以”。但始終要做出權(quán)衡！人們首先想到的可能是簡單的差分放大器電路（圖1），有時稱為減法器。

圖 1：差分放大器電路

這是一個非常簡單的電路，可以提供差分增益并具有一定的共模抑制能力，這正是INA的本意所在。對于上文提到的權(quán)衡，此電路中有兩處。首先，我們來看一下輸入阻抗。輸入阻抗由電阻的值決定，其相對較低，大小約為100 k?。其次，輸入阻抗不匹配，這意味著流經(jīng)每個管腳的電流不同，從而導(dǎo)致共模抑制能力受到影響。這一簡單電路的另一個缺點(diǎn)是需要電阻匹配。此電路的共模抑制比主要由電阻對內(nèi)部的匹配程度決定，而非由運(yùn)放本身決定。只要這些電阻對存在任何不匹配，都會降低共模抑制比。此差分放大器的共模抑制比可按如下公式計算：

其中：Rt = 電阻對的總不匹配率（分?jǐn)?shù)形式）

例如，假設(shè) R1 = R2 = R3 = R4（提供單位增益），電阻不匹配率為 1%。利用上述公式可得出：

如本例所示，可通過該簡單電路實(shí)現(xiàn)的性能極為有限。即使在手動進(jìn)行電阻匹配時，也很難實(shí)現(xiàn)66 dB以上的共模抑制比。

此外，這并未考慮因溫度所致的波動，不同電阻在溫度系數(shù)上的任何差異都將進(jìn)一步增大不匹配率，從而導(dǎo)致更差的共模抑制比?？紤]到所有這些因素和限制，單片差分放大器通常是性能相對較高的應(yīng)用的最佳解決方案。

從技術(shù)上說，之前討論的差分放大器電路不是儀表放大器，但對于某些需要高速和/或高共模電壓的應(yīng)用十分有用。對于高精度應(yīng)用而言，真正的儀表放大器通常才是最佳選擇。可利用兩種常見的電路來構(gòu)建儀表放大器，一種電路基于兩個放大器，另一種基于三個放大器。下面將詳細(xì)討論這兩種電路。請注意，這些基本電路可利用標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)放來構(gòu)建，但也是當(dāng)今提供的許多單片儀表放大器中使用的基本電路概念。

雙運(yùn)放INA

圖 2：雙運(yùn)放儀表放大器電路

圖2給出了基于兩個放大器的常見儀表放大器電路。在該電路中，總體增益通過一個標(biāo)注為“RG”的電阻來設(shè)置，如此可得：

這種電路架構(gòu)的限制之一是它不支持單位增益。盡管大多數(shù)儀表放大器用于提供增益（因此，要實(shí)現(xiàn)單位增益也不是難事），但某些應(yīng)用嚴(yán)格地將儀表放大器專用于共模抑制。因此，對于某些應(yīng)用，假設(shè)將INA用于單位增益配置也是合理的。雙運(yùn)放INA的另一個限制是輸入的共模范圍有限，尤其是在低增益下和使用單電源運(yùn)放時。請記住，圖2左側(cè)的放大器必定會將反相節(jié)點(diǎn)處的輸入信號放大1+R1/R2。因此，如果輸入信號的共模電壓過高，放大器將發(fā)生飽和（超出輸出裕量）。高增益下將有更多的放大器裕量，因此在其他所有條件一樣的情況下，電路可支持更寬的輸入信號共模范圍。

之前討論的差分放大器電路的限制之一是較低的輸入阻抗。從圖2中可以看出，雙運(yùn)放INA電路不存在此問題，因?yàn)閮蓚€差分輸入信號直接饋入放大器的輸入引腳，其阻抗通常為幾百萬歐姆。但是，由于輸入信號路徑不同，各差分輸入信號的延時也不同，這就導(dǎo)致不同頻率時的共模抑制比（儀表放大器的關(guān)鍵參數(shù)）較差。與差分放大器電路類似，直流下的共模抑制比同樣受電阻匹配率限制。

相對于分立式解決方案，基于這種雙運(yùn)放架構(gòu)的單片INA從本質(zhì)上來說將具有更好的電阻匹配和溫度跟蹤性能，因?yàn)榛诠璧碾娮杩赏ㄟ^微調(diào)來提供大約0.01%的匹配率。但雙運(yùn)放INA架構(gòu)仍有一些明確的限制，不改變電路架構(gòu)的情況下無法克服這些限制。

三運(yùn)放INA

第二個常見的INA電路基于三個運(yùn)算放大器，如圖3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，此電路的后半部分與之前討論的差分放大器完全相同。在電路的前端添加兩個運(yùn)算放大器緩沖器可提供較高且匹配良好的阻抗源。這有助于緩解與簡單差分電路有關(guān)的主要問題之一。末端的差分放大器可以抑制共模成分。

圖3：傳統(tǒng)的三運(yùn)放儀表電路

在該配置中，電路的增益通過標(biāo)注為RG的電阻的值來設(shè)置。現(xiàn)在看一下輸入級，輸入級包含兩個運(yùn)算放大器，無論前兩個放大器的差分增益（由RG設(shè)定）如何，所有共模信號均以單位增益為系數(shù)進(jìn)行放大。因此，無論增益如何，此電路均可提供較寬的共模范圍（受前兩個放大器的裕量限制）。與之前討論的雙運(yùn)放INA相比，這是一大優(yōu)勢。差分放大器隨后會消除任何共模成分。與之前討論過的架構(gòu)類似，共模抑制性能取決于電阻匹配率，如下所示：

其中：Rt = 電阻對的總不匹配率

由于共模成分始終伴隨單位增益這一事實(shí)，三運(yùn)放儀表放大器的共模抑制比將隨差分增益的大小成比例增大。

許多單片儀表放大器均基于這一電路概念。單片解決方案提供完美匹配的放大器，并且能夠使用微調(diào)電阻，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)秀的共模抑制性能和較高的增益精度。近年來，單片儀表放大器對這一基本架構(gòu)進(jìn)行了額外的改進(jìn)。例如，電流模式拓?fù)錈o需高精度電阻匹配便可實(shí)現(xiàn)高共模抑制比。在任何情況下，使用運(yùn)算放大器和分立式元件的分立式解決方案通常都會提高成本并降低性能。

INA和運(yùn)放的參數(shù)

如前文所述，運(yùn)算放大器和儀表放大器是相關(guān)的，并且已闡明運(yùn)放可用于構(gòu)建INA。由于這種相似性，有一些參數(shù)通用于運(yùn)算放大器和儀表放大器。不過，由于INA的特定功能，也存在一些INA特有的參數(shù)。在測量應(yīng)用中，運(yùn)放和INA 之間通用的兩個重要參數(shù)是輸入偏置電流和輸入失調(diào)電壓/失調(diào)電壓漂移。

輸入偏置電流是流入放大器輸入、使輸入晶體管偏置所需的電流量。此電流的數(shù)量級高至數(shù)μA、低至數(shù)pA，主要取決于放大器輸入電路的架構(gòu)。當(dāng)高阻抗傳感器與放大器的輸入相連時，該參數(shù)極為重要。當(dāng)偏置電流流經(jīng)高阻抗時，阻抗兩端會產(chǎn)生壓降，從而導(dǎo)致電壓誤差。無論電路包含運(yùn)算放大器還是儀表放大器，偏置電流均在電路的整個誤差預(yù)算中起到關(guān)鍵作用。

運(yùn)算放大器和儀表放大器通用的另一個重要放大器參數(shù)是輸入失調(diào)電壓。顧名思義，此參數(shù)反映了放大器反相輸入和同相輸入間的電壓差。該失調(diào)電壓取決于放大器的拓?fù)洌鋽?shù)量級為數(shù)微伏至數(shù)毫伏。與所有電氣元件相似，放大器的行為隨溫度變化。對于放大器的失調(diào)電壓更是如此。失調(diào)電壓是誤差的來源，由于失調(diào)隨溫度漂移，因此該誤差也與溫度相關(guān)。即使高精度放大器也將受溫度漂移的影響。可通過選擇低漂移放大器（例如，具有零漂移拓?fù)涞姆糯笃鳎┗蛘咄ㄟ^執(zhí)行周期性系統(tǒng)校準(zhǔn)來校準(zhǔn)失調(diào)和漂移的方式最大程度減少該誤差源。

由于儀表放大器的特殊性質(zhì)，存在一些在標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器數(shù)據(jù)手冊中通常無法找到的附加參數(shù)，包括增益誤差和非線性參數(shù)。增益誤差通常指定為最大百分比，表示與特定放大器的理想增益的最大偏差。電阻網(wǎng)絡(luò)中的電阻值變化和溫度梯度均可導(dǎo)致增益誤差。非線性參數(shù)還說明了放大器的增益特性。將輸出與輸入進(jìn)行比較時，該參數(shù)用于定義與理想的直線傳遞函數(shù)的最大偏差。例如，如果儀表放大器的增益配置為10，則100 mV的直流輸入應(yīng)產(chǎn)生1V輸出。如果輸入高達(dá)500 mV，則輸出應(yīng)為5V。這兩點(diǎn)表示放大器的直線輸入與輸出傳遞函數(shù)。與該直線傳遞函數(shù)的任何偏差都將通過非線性參數(shù)指出。

應(yīng)用示例：惠斯通電橋

如前文所述，儀表放大器旨在提供差分增益及有效抑制共模信號。這些特性使得INA非常適合采用經(jīng)典惠斯通電橋配置的傳感器（例如應(yīng)變儀）。應(yīng)變儀應(yīng)用的惠斯通橋包含四個元件，這些元件呈菱形排列，菱形的每條邊均包含一個阻性元件（應(yīng)變儀或固定電阻）。隨后會在電橋上施加一個激勵電壓，并測量電橋中間部分兩側(cè)的輸出電壓。四分之一電橋僅包含一個可變電阻元件，即應(yīng)變儀。半橋有兩個可變電阻元件，全橋有全部四個可變電阻元件（這種情況下為應(yīng)變儀）。采用多個應(yīng)變儀的優(yōu)勢是能夠提高靈敏度。在其他所有條件一樣的情況下，半橋配置的靈敏度將為四分之一電橋的兩倍，而全橋的靈敏度為四分之一電橋的四倍。

圖4：使用惠斯通電橋的儀表放大器

在本示例中，惠斯通電橋由直流源激勵。假設(shè)VDD設(shè)置為5V，這會在電橋的中心分接處產(chǎn)生約2.5V的直流共模電壓。施加到應(yīng)變儀上的力將導(dǎo)致其各自的電阻發(fā)生變化，從而使中心分接處產(chǎn)生較小的電壓差。與共模電壓相比，該電壓變化非常小，通常為10 mV左右，因此需要對這一微小電壓差進(jìn)行放大。儀表放大器非常適合此任務(wù)，其不但能夠提供所需的放大系數(shù)，還能夠抑制相對較高的共模信號（以及兩個輸入信號共用的任何附加噪聲）。請記住，配置為簡單應(yīng)變儀的運(yùn)算放大器仍會將共模信號（單位增益）傳遞至輸出，從而縮小輸出信號的動態(tài)范圍。

結(jié)論

在系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域，“儀表”這一術(shù)語可表示多種含義。在過去，此術(shù)語一直用于描述應(yīng)用，通常是正被測量或記錄的物理現(xiàn)象。因此，適合在此類應(yīng)用中使用的任何運(yùn)算放大器都稱為“儀表放大器”。令人困惑的事實(shí)是，實(shí)際的儀表放大器可利用運(yùn)算放大器來構(gòu)建。實(shí)際上，運(yùn)算放大器和儀表放大器是完全不同的器件，二者用于執(zhí)行不同的功能?？蓪x表放大器看作專用放大器，它專用于差分增益和共模抑制功能。正如在本文中所見，可以構(gòu)建實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)運(yùn)算放大器的電路來執(zhí)行上述相同的功能。但是，在大多數(shù)情況下，單片儀表放大器將提供高很多的性能和可靠性。