3. 前置放大电路设计：仪表放大器选型与优化

好，咱们接着聊。传感器出来的信号，说白了就是个小不点。几微伏到几毫伏，直接送ADC？想都别想。这时候就需要前置放大器上场了。我个人习惯把这一级叫做“信号的第一道防线”——它决定了整个系统的底噪水平。

3.1 为什么非要用仪表放大器？

你可能要问：普通运放不行吗？嗯，我刚开始做理疗仪那会儿也这么想过。结果被共模干扰整得够呛。理疗仪上，电极和人体接触，50Hz工频干扰那是家常便饭。普通运放对共模信号基本没辙。

仪表放大器有三个关键优势：

• 高共模抑制比（CMRR）：通常80dB起步，好的能到120dB以上
• 低输入偏置电流：对高阻抗源特别友好
• 单电阻设定增益：调起来方便，不用折腾一堆电阻匹配

说白了，它就是为传感器信号量身定做的。

3.2 AD620 vs INA128：怎么选？

这两款是业界最常用的。我两个都用过，各有千秋。直接上对比表：

参数	AD620	INA128
输入噪声（@1kHz）	9 nV/√Hz	8 nV/√Hz
CMRR（G=100）	100dB	120dB
输入偏置电流	0.5 nA	5 nA
静态电流	0.9 mA	0.7 mA
增益范围	1~10000	1~10000
价格（批量）	约$3	约$4

我个人习惯：低噪声场景选AD620，高共模抑制场景选INA128。比如做心电信号采集，我偏向AD620，因为它的输入偏置电流更小，对电极极化电压不敏感。

3.3 增益计算：别算错了

仪表放大器的增益公式很简单：

G = 1 + (49.4kΩ / Rg)

其中 Rg 是增益设定电阻，单位 kΩ

举个例子：你想要100倍增益，那么：

100 = 1 + 49.4 / Rg
Rg = 49.4 / 99 ≈ 0.499kΩ = 499Ω

嗯，这里要注意：Rg的精度直接影响增益精度。我建议用0.1%精度的金属膜电阻，温漂要小于25ppm/℃。为什么？因为理疗仪工作时，人体接触部位温度会变化，电阻值漂了，增益就跟着漂。

3.4 共模抑制比优化：实战经验

CMRR是仪表放大器的灵魂。但你知道吗？数据手册上的CMRR是在理想条件下测的。实际电路中，很多因素会把它拉低。

影响CMRR的主要因素：

1. 电阻不匹配：输入端的两个电阻哪怕差0.1%，CMRR也会掉20dB
2. 电源纹波：电源上的噪声会耦合到输出端
3. PCB布局：走线不对称会引入额外的共模误差

我总结了几条优化措施：

• 输入端加共模扼流圈：对50Hz工频干扰特别有效
• 用双绞线传输信号：让两根输入线的寄生参数尽量一致
• 电源去耦要到位：每个电源引脚放一个0.1μF陶瓷电容，紧贴引脚
• 反馈电阻用排阻：排阻内部匹配精度高，比用两个独立电阻好得多

3.5 输入保护电路：别让芯片烧了

理疗仪有个特殊问题：电极可能直接接触高压。比如除颤仪放电时，电极上瞬间能到几千伏。仪表放大器再牛，也扛不住这个。

我的标准保护方案：

输入信号 —— [10kΩ电阻] —— [双向TVS管到地] —— [1kΩ电阻] —— 仪表放大器输入

具体元件选型：

• TVS管：选5V或6V的，响应时间要小于1ns
• 限流电阻：10kΩ+1kΩ，总阻值11kΩ，不影响输入阻抗
• 钳位二极管：在TVS管后面再加一对BAV99，把电压钳在VCC+0.7V和GND-0.7V

另外，输入保护不能影响共模抑制比。两个输入通道的保护元件要严格对称。电阻值、TVS管的结电容，都要尽量一致。我通常用同一批次、同一盘带的元件，保证匹配度。

3.6 一个完整的电路实例

最后，给你看一个我实际用过的电路：

传感器输出 —— [10kΩ] —— [TVS 5V] —— [1kΩ] —— AD620 Pin3 (+IN)
传感器地   —— [10kΩ] —— [TVS 5V] —— [1kΩ] —— AD620 Pin2 (-IN)
AD620 Pin1 —— Rg (499Ω 0.1%) —— AD620 Pin8
AD620 Pin6 —— 输出到下一级滤波器
AD620 Pin7 —— +5V 电源
AD620 Pin4 —— -5V 电源

这个电路增益100倍，CMRR实测能到95dB（50Hz时）。用在理疗仪上，心电信号、肌电信号都能搞定。