4. 压阻式传感器信号调理：恒压源与恒流源激励、仪表放大器（INA）选型与设计、三运放仪表放大器电路、共模抑制比（CMRR）分析
各位工程师朋友，大家好。今天我们聊压阻式传感器的信号调理。说实话，这部分内容在项目中踩坑最多。压阻传感器本身是个电阻桥，输出信号很微弱，噪声又大。怎么把它变成干净可用的电压信号？这就是本章要解决的问题。
4.1 恒压源与恒流源激励：到底选哪个？
压阻式传感器，说白了就是四个电阻组成的惠斯通电桥。给它供电，它才输出差分信号。供电方式有两种：恒压源和恒流源。我刚开始做项目时，觉得都一样，后来发现差别大了去了。
4.1.1 恒压源激励
恒压源是最常见的。给电桥加一个稳定的直流电压，比如5V或10V。电桥输出与压力成正比。优点是电路简单，一个LDO就能搞定。
但有个坑：温度变化时，压阻材料的电阻会变。恒压供电下，电桥电流会随温度漂移。这会导致输出信号叠加温度误差。我在一个工业压力变送器项目中，就因为这个吃了亏。夏天标定好的传感器，冬天输出偏了2%。后来才意识到是恒压源的温度效应。
4.1.2 恒流源激励
恒流源激励就好很多。给电桥灌一个恒定电流，比如1mA。温度变化时，虽然电阻变了，但电流不变。电桥输出只与压力有关，温度影响小得多。
我个人习惯在精密测量中用恒流源。比如医疗设备中的血压传感器，我都是用恒流源供电。为什么呢？因为恒流源对长线缆的压降不敏感。你想想看，传感器离电路板好几米远，线缆电阻会引入误差。恒流源直接无视这个问题。
| 激励方式 | 优点 | 缺点 | 适用场景 |
|---|---|---|---|
| 恒压源 | 电路简单，成本低 | 温度漂移大，线缆压降敏感 | 低成本、常温环境 |
| 恒流源 | 温度稳定性好，抗线缆压降 | 电路稍复杂，需精密电流源 | 高精度、宽温范围 |
4.2 仪表放大器（INA）选型与设计
电桥输出的是差分信号，幅度通常只有几毫伏到几十毫伏。直接送ADC？不行。必须用仪表放大器（INA）放大。INA的核心能力是放大差分信号，同时抑制共模噪声。
4.2.1 选型关键参数
选INA时，我一般看三个参数：
- 共模抑制比（CMRR）：至少80dB，最好100dB以上。这个后面细讲。
- 输入偏置电流：压阻电桥的输出阻抗通常几kΩ，偏置电流太大会引入失调误差。选FET输入的INA，偏置电流pA级。
- 噪声密度：低频1/f噪声要低。我遇到过用普通运放搭的仪表放大器，低频噪声大得离谱，信号都淹没了。
举个例子，AD620是我常用的。它一个外部电阻就能设定增益，从1到1000倍。输入偏置电流只有0.5nA，CMRR在G=100时达到120dB。嗯，够用了。
4.2.2 单芯片INA vs 三运放方案
单芯片INA（如AD620、INA128）集成度高，性能好。但有些场合，比如需要极高CMRR或特殊增益时，我会用三运放自己搭。
4.3 三运放仪表放大器电路
三运放INA是经典结构。它由两级组成：第一级是两个运放构成差分输入，提供高输入阻抗和增益；第二级是一个差分放大器，进一步抑制共模信号。
电路结构如下：
第一级（输入级）：
V1 —— Rg ——|+ 运放A1 |—— Vout1
| |
V2 —— Rg ——|+ 运放A2 |—— Vout2
| |
Rg是增益电阻，跨接在A1和A2的反相输入端之间
第二级（差分输出级）：
Vout1 —— R1 ——|+ 运放A3 |—— Vout
Vout2 —— R1 ——|- |
R2为反馈电阻
增益公式：G = (1 + 2R1/Rg) × (R4/R3)
其中R1是输入级运放反馈电阻，Rg是增益电阻。我一般把Rg设为可调电阻，方便调试。但注意，Rg的温漂会直接影响增益稳定性。所以精密场合要用金属膜电阻或精密电阻网络。
4.4 共模抑制比（CMRR）分析
CMRR是INA最重要的指标。它衡量放大器抑制共模信号的能力。CMRR越高，越能抵抗地线噪声、电源噪声等共模干扰。
CMRR定义：CMRR = 20log(Adm/Acm)
其中Adm是差模增益，Acm是共模增益。理想情况下Acm=0，CMRR无穷大。实际中，电阻失配和运放自身限制，导致Acm不为零。
4.4.1 影响CMRR的因素
我总结三个主要因素：
- 电阻匹配精度：第二级差分放大器的四个电阻必须精确匹配。0.1%的失配，CMRR可能降到60dB。我曾经用1%电阻搭电路，CMRR只有50dB，根本没法用。后来换成0.01%的电阻网络，CMRR提升到100dB以上。
- 运放自身CMRR：每个运放都有自己的CMRR。三个运放的CMRR会叠加。选运放时，CMRR至少100dB。
- 增益设置：增益越高，CMRR通常越好。因为差模信号被放大，共模信号不变。所以尽量让INA工作在高增益下。
4.4.2 如何测量CMRR？
简单方法：给INA输入端加一个共模电压（比如2.5V），测量输出变化。输出变化量除以共模电压，再除以差模增益，就是Acm。然后算CMRR。
我习惯用示波器看。给输入端加一个共模正弦波（比如1Vpp、100Hz），看输出端有没有同样的波形。如果有，说明CMRR不够。输出波形幅度越小，CMRR越高。
4.5 知识体系总览
下面这张图总结了本章的核心逻辑。从传感器激励到信号放大，再到共模抑制，每一步都影响最终信号质量。
好了，这一章的内容就到这里。压阻式传感器的信号调理，说白了就是跟噪声和温度作斗争。恒流源激励、高CMRR的INA、精确的电阻匹配，这三样做好了，信号质量就有保障。下一章我们聊具体的电路设计实例，到时候我会分享一个完整的压力变送器电路，从传感器到ADC输出，一步步拆解。