第三讲：信号调理电路设计（一）——仪表放大器深度解析

大家好，欢迎来到第三讲。

上一讲我们聊了传感器，知道了传感器输出的信号有多「脆弱」。微伏级的电压，叠加着几伏的共模噪声，直接送ADC？那基本是找死。所以，我们需要一个「信号调理」环节。今天，我们就来啃这块硬骨头——仪表放大器。

为什么普通运放不行？

你可能会问：我手头有LM358，便宜又好用，为什么非要用仪表放大器？

嗯，这个问题我当年也问过。刚入行时，我用LM358搭了个差分放大电路，去采集一个桥式压力传感器。结果呢？传感器没动，输出已经飘了1V。查了半天，发现是共模电压在作怪。

普通运放的共模抑制比（CMRR）通常在60-80dB。而工业现场，共模干扰动不动就是几伏甚至几十伏。你想想看，一个10V的共模信号，哪怕只被放大1%，那也是100mV的误差。对于满量程只有10mV的传感器来说，这误差直接让数据报废。

仪表放大器，说白了就是为解决这个问题而生的。

仪表放大器的核心：三运放结构

经典的仪表放大器，内部是三个运放组成的。我习惯把它拆成两级来看：

• 第一级：两个运放构成对称的差分输入级。这一级只放大差模信号，对共模信号基本无视。
• 第二级：一个标准的差分放大器，把第一级输出的差分信号转换成单端信号。

为什么这样设计？因为第一级的两个运放，它们的增益由同一个电阻Rg决定。只要Rg选得准，两个通道的增益就完全一致。共模信号在两端被同等放大，然后在第二级相减抵消——这就是高CMRR的秘密。

共模抑制比（CMRR）—— 一个不能忽视的指标

CMRR的定义很简单：差模增益除以共模增益。单位是dB。

公式：CMRR = 20 * log(Ad / Ac)

举个例子：AD620的CMRR典型值是100dB（G=100时）。这意味着什么？意味着它对共模信号的抑制能力是差模信号的10万倍。一个1V的共模干扰，经过AD620后，等效到输入的误差只有10μV。

我在项目中遇到过一件事：用INA128采集心电信号，CMRR标称120dB，但实际测出来只有90dB。查了半天，发现是PCB布局的问题——两个输入走线长度差了2cm，引入了额外的共模转差模噪声。所以，芯片的CMRR再高，也架不住你layout乱来。

增益设置：一个电阻搞定

仪表放大器最方便的地方，就是增益由单个电阻Rg决定。

对于AD620，增益公式是：

G = 49.4kΩ / Rg + 1

对于INA128，公式是：

G = 50kΩ / Rg + 1

举个例子：你想要100倍增益。

AD620：Rg = 49.4kΩ / (100 - 1) = 499Ω

INA128：Rg = 50kΩ / (100 - 1) = 505Ω

实际选型时，我会选标称值最接近的电阻。比如499Ω和511Ω都是E96系列的标准值。选499Ω，实际增益是100.2倍，误差0.2%，完全可以接受。

常用芯片选型：AD620 vs INA128

这两款芯片，是我用得最多的。来做个对比：

参数	AD620	INA128
供电电压	±2.3V ~ ±18V	±2.25V ~ ±18V
静态电流	1.3mA	700μA
输入偏置电流	1nA（最大）	5nA（最大）
CMRR（G=100）	100dB（最小）	120dB（典型）
带宽（G=100）	120kHz	200kHz
噪声（0.1-10Hz）	0.28μVpp	0.2μVpp
价格（1k批量）	约$3	约$4

我的选型建议：

• AD620：适合大多数工业采集场景。功耗稍高，但输入偏置电流更低，适合高阻抗传感器。我习惯用它来做压力传感器、应变片的信号调理。
• INA128：适合高精度、低噪声的场景。比如心电信号、热电偶的微弱信号。CMRR更高，噪声更低，但价格也贵一点。

如果你做电池供电的设备，可以考虑INA128，它的静态电流只有700μA，比AD620省了一半。

实际电路搭建：一个完整的例子

我们以AD620为例，搭建一个压力传感器的信号调理电路。

传感器输出：0-10mV（满量程）
目标输出：0-2.5V（适合3.3V ADC）
所需增益：250倍

计算Rg：

Rg = 49.4kΩ / (250 - 1) = 198.4Ω
选标称值：200Ω（1%精度）
实际增益：49.4k / 200 + 1 = 248倍
输出范围：0-2.48V，完美

电路连接要点：

• 第2脚（-IN）接传感器负输出
• 第3脚（+IN）接传感器正输出
• 第1脚和第8脚之间接Rg
• 第4脚接负电源（-5V）
• 第7脚接正电源（+5V）
• 第5脚（REF）接ADC的参考地
• 第6脚（OUT）接ADC输入

供电与去耦：容易被忽视的细节

仪表放大器对电源噪声很敏感。我建议：

• 每个电源引脚对地接一个10μF电解电容+0.1μF陶瓷电容
• 电容尽量靠近芯片引脚，走线要短
• 如果可能，用LDO给仪表放大器单独供电，别和数字电路共用电源

有一次，我在一个项目里用了开关电源给AD620供电，结果输出纹波有50mV。后来换成线性稳压器，纹波直接降到1mV以下。所以，模拟电路的前端，别省那几块钱的LDO。

输入保护：别让浪涌毁了你的芯片

工业现场，传感器线缆可能很长，难免会感应到静电或者浪涌。我习惯在输入端加保护：

• 两个输入端对地各接一个10kΩ的限流电阻
• 两个输入端之间反并联两个1N4148二极管
• 每个输入端对电源和地各接一个TVS管（比如SMAJ5.0A）

这样做的好处是：即使输入电压超过电源轨，电流也会被二极管和TVS管泄放掉，不会烧芯片。代价是增加了约0.1μV/√Hz的噪声，但对于大多数工业应用来说，完全可以接受。

总结一下

仪表放大器，是模拟信号链中承上启下的关键环节。选对了，你的数据采集系统就成功了一半。选错了，后面再怎么折腾也白搭。

下一讲，我们会继续聊信号调理电路，重点讲滤波器的设计。到时候我会分享一个我踩过的坑——关于有源滤波器自激振荡的问题。嗯，那是个让人印象深刻的故事。

今天就到这里。记住：好的设计，从选对芯片开始。