為什么儀表放大器常常被人們誤解呢？圖 1 所示的 三運(yùn)放儀表放大器看似為一種簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗褂靡呀?jīng)存在了幾十年的基本運(yùn)算放大器 (op amp) 來(lái)獲得差動(dòng)輸入信號(hào)。運(yùn)算放大器的輸入失調(diào)電壓誤差不難理解。運(yùn)算放大器開(kāi)環(huán)增益的定義沒(méi)有改變。運(yùn)算放大器共模抑制 (CMR) 的簡(jiǎn)單方法自運(yùn)算放大器時(shí)代之初就已經(jīng)有了。那么，問(wèn)題出在哪里呢？

圖 1 三 運(yùn)放儀表放大器，其 VCM 為共模電壓，
而 VDIFF 為相同儀表放大器的差動(dòng)輸入。

單運(yùn)算放大器和儀表放大器的共用 CMR 方程式如下：

  方程式  1

本方程式中，G 相當(dāng)于系統(tǒng)增益，VCM 為相對(duì)于接地電壓同樣施加于系統(tǒng)輸入端的變化電壓，而 VOUT 為相對(duì)于變化 VCM 值的系統(tǒng)輸出電壓變化。

在 CMR 方面，運(yùn)算放大器的內(nèi)部活動(dòng)很簡(jiǎn)單，其失調(diào)電壓變化是唯一的問(wèn)題。就儀表放大器而言，有兩個(gè)影響器件 CMR 的因素。第一個(gè)也是最重要的因素是，涉及第三個(gè)放大器（圖 1，A3）電阻比率的平衡問(wèn)題。例如，如果 R1 等于 R3，R2 等于R4，則理想狀況下的 三運(yùn)放儀表放大器 CMR 為無(wú)窮大。然而，我們還是要回到現(xiàn)實(shí)世界中來(lái)，研究 R1、R2、R3 和 R4 與儀表放大器 CMR 的關(guān)系。

具體而言，將 R1：R2 同 R3：R4 匹配至關(guān)重要。結(jié)合 A3，這 4 個(gè)電阻從 A1 和 A2的輸出減去并增益信號(hào)。電阻比之間的錯(cuò)配會(huì)在 A3  輸出端形成誤差。方程式 2 在這些電阻關(guān)系方面會(huì)形成 CMR 誤差：

   方程式 2

例如，如果 R1、R2、R3 和 R4 接近相同值，且 R3：R4 等于 R1/R2 的 1.001，則該 0.1% 錯(cuò)配會(huì)帶來(lái)儀表放大器 CMR 的降低，從理想水平降至 66 dB 級(jí)別。

根據(jù)方程式 1，儀表放大器 CMR 隨系統(tǒng)增益的增加而增加。這是一個(gè)非常好的特性。方程式 1 可能會(huì)激發(fā)儀表放大器設(shè)計(jì)人員確保有許多可用增益，但是這種方法存在一定的局限性。A1 和 A2 開(kāi)環(huán)增益誤差和噪聲。放大器的開(kāi)環(huán)增益等于 20 log (ΔVOUT/ΔVOS)。隨著 A1 和 A2 增益的增加，放大器開(kāi)環(huán)增益失調(diào)誤差也隨之增加。A1 和 A2 的輸出振幅變化一般涵蓋電源軌。儀表放大器增益更高的情況下，運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)增益誤差和噪聲占主導(dǎo)。通過(guò) RSS 公式，這些誤差降低了更高增益下的儀表 CMR。因此，您會(huì)看到儀表放大器的 CMR 性能值往往會(huì)在更高增益時(shí)達(dá)到最大值。

因此，從 CMR 角度來(lái)看，儀表放大器就像是一個(gè)在不同系統(tǒng)增益下器件各部分都誘發(fā) CMR 誤差的系統(tǒng)。當(dāng)您對(duì)器件的內(nèi)部原理進(jìn)行研究時(shí)，它便不再如此神秘。您把各個(gè)部分都分開(kāi)來(lái)，就會(huì)一目了然。

參考文獻(xiàn)
• 《并非所有 INA 的 CMRR 都相等》，作者：Baker, Bonnie，《電子世界》，2008 年 12 月。
•  《儀表放大器的正確使用方法》，作者：Kitchin, Counts，EDN，2005 年 9 月 15 日。