能否用普通的运放组成仪表放大器？

仪表放大器也被称为INO，正如名字所示，它会放大电平的变化并像其他运放一样提供一个差分输出。但和其它普通放大器不同的是，当以完全差分输入的共模噪声抑制时，仪表放大器会有着较高的阻抗和不错的增益。

考虑到仪表放大器的IC比普通运放要贵，于是很多工程师就想能否用普通的运放组成仪表放大器？答案是肯定的。使用三个普通运放就可以组成一个仪表放大器。威廉希尔官方网站 如下图所示：

输出电压表达式如图中所示。

看到这里大家可能会问上述表达式是如何导出的？ 为何上述威廉希尔官方网站 可以实现仪表放大器？下面我们就将探讨这些问题。在此之前，我们先来看如下我们很熟悉的差分威廉希尔官方网站 ：

如果R1 = R3，R2 = R4，则VOUT = （VIN2—VIN1）（R2/R1）

这一威廉希尔官方网站 提供了仪表放大器功能，即放大差分信号的同时抑制共模信号，但它也有些缺陷。首先，同相输入端和反相输入端阻抗相当低而且不相等。在这一例子中VIN1反相输入阻抗等于 100 kΩ，而VIN2同相输入阻抗等于反相输入阻抗的两倍，即200 kΩ。因此，当电压施加到一个输入端而另一端接地时，差分电流将会根据输入端接收的施加电压而流入。（这种源阻抗的不平衡会降低威廉希尔官方网站 的CMRR。）

另外，这一威廉希尔官方网站 要求电阻对R1 /R2和R3 /R4的比值匹配得非常精密，否则，每个输入端的增益会有差异，直接影响共模抑制。例如，当增益等于 1 时，所有电阻值必须相等，在这些电阻器中只要有一只电 阻 值 有 0.1% 失 配 ， 其CMR便 下 降 到 66 dB（2000:1）。同样，如果源阻抗有 100 Ω的不平衡将使CMR下降 6 dB。

为解决上述问题，我们在运放的正负输入端都加上电压跟随器以提高输入阻抗。如下图所示：

以上前置的两个运放作为电压跟随器使用，我们现在改为同相放大器，威廉希尔官方网站 如下所示：

输出电压表达式如上图所示。上图所示的威廉希尔官方网站 增加增益（A1 和 A2）时，它对差分信号增加相同的增益，也对共模信号增加相同的增益。也就是说，上述威廉希尔官方网站 相对于原威廉希尔官方网站 共模抑制比并没有增加。

下面，要开始最巧妙的变化了！看威廉希尔官方网站 先：

这种标准的三运放仪表放大器威廉希尔官方网站 是对带缓冲减法器威廉希尔官方网站 巧妙的改进。像前面的威廉希尔官方网站 一样，上图中A1 和A2 运算放大器缓冲输入电压。然而，在这种结构中，单个增益电阻器RG连接在两个输入缓冲器的求和点之间，取代了带缓冲减法器威廉希尔官方网站 的R6和R7。由于每个放大器求和点的电压等于施加在各自正输入端的电压，因此，整个差分输入电压现在都呈现在RG两端。因为输入电压经过放大后（在A1 和A2的输出端）的差分电压呈现在R5，RG和R6这三只电阻上，所以差分增益可以通过仅改变RG进行调整。

这种连接有另外一个优点：一旦这个减法器威廉希尔官方网站 的增益用比率匹配的电阻器设定后，在改变增益时不再对电阻匹配有任何要求。如果R5 = R6，R1= R3和R2 = R4，则VOUT = （VIN2-VIN1）（1+2R5/RG）（R2/R1）由于RG两端的电压等于VIN，所以流过RG的电流等于VIN/RG，因此输入信号将通过A1 和A2 获得增益并得到放大。然而须注意的是对加到放大器输入端的共模电压在RG两端具有相同的电位，从而不会在RG上产生电流。由于没有电流流过RG（也就无电流流过R5和R6），放大器A1 和A2 将作为单位增益跟随器而工作。因此，共模信号将以单位增益通过输入缓冲器，而差分电压将按〔1+（2 RF/RG）〕的增益系数被放大。这也就意味着该威廉希尔官方网站 的共模抑制比相比与原来的差分威廉希尔官方网站 增大了〔1+（2 RF/RG）〕倍！

在理论上表明，用户可以得到所要求的前端增益（由RG来决定），而不增加共模增益和误差，即差分信号将按增益成比例增加，而共模误差则不然，所以比率〔增益（差分输入电压）/（共模误差电压）〕将增大。因此CMR理论上直接与增益成比例增加，这是一个非常有用的特性。

最后，由于结构上的对称性，输入放大器的共模误差，如果它们跟踪，将被输出级的减法器消除。这包括诸如共模抑制随频率变换的误差。上述这些特性便是这种三运放结构得到广泛应用的解释。